Simcenter Battery Design Studio
Novembre 2017 : "La principale contrainte de production se situe vraiment, et de loin, dans l'assemblage des modules de batterie", a déclaré Elon Musk lors d'une conférence téléphonique avec les analystes après l'annonce des résultats. "Nous avions un sous-traitant, un sous-traitant pour l'intégration de systèmes, qui malheureusement n'a pas été à la hauteur. Nous n'avons pas réalisé à quel point il n'a pas été à la hauteur jusqu'à tout récemment", a-t-il ajouté.
Merci Elon pour cette introduction. C'est très appréciable, car au cours des cinq dernières années, nous avons compris plusieurs points importants de l'électrification du marché automobile :
- La conception et les performances des cellules de batterie sont essentielles pour le développement des appareils mobiles. Puissance, densité énergétique, sécurité, vieillissement, coût, chaque choix de conception de cellule peut avoir un impact sur votre position sur un marché dynamique.
- Résoudre une difficulté technique n'est pas un problème (en tant qu'ingénieurs, nous adorons résoudre des problèmes, soyons honnêtes). C'est le fait de ne pas se rendre compte des difficultés à venir qui est en cause. Cependant, l'utilisation d'un outil de modélisation performant est obligatoire pour prendre vos décisions.
- Même si vous maîtrisez la conception des cellules, l'intégration du système et la production doivent être traitées avec la même importance.
Cela signifie que les équipes de concepteurs de cellules de batterie doivent anticiper l'impact de leurs choix techniques en utilisant des simulations IAO approfondies.
Simcenter BDS aide les ingénieurs à valider virtuellement la conception des cellules Li-ion par des spécifications géométriques détaillées des cellules et à la simulation de leurs performances. Les composants complets d'une cellule de batterie sont disponibles, de même qu'une base de données de matériaux, pour aider l'utilisateur lors du développement.
Avantages et caractéristiques en un coup d'œil :
- Description de la cellule physique : interface graphique transparente avec des modèles paramétrables disponibles
- Conception et modèle de cellule couplés de manière intégrale : simulation de l'impact des modifications de conception sur la performance de la cellule
- Lien logiciel multiphysique : exportation du modèle vers Simcenter STAR-CCM+ via le fichier TBM
- Exploration de la conception : optimisation automatique de la conception et des performances des cellules de batterie
- Simulation au niveau du système : exportation des caractéristiques du modèle cellulaire vers Simcenter Amesim
Description physique de la cellule
La première étape du Simcenter Battery Design Studio consiste à spécifier la géométrie et les caractéristiques des composants de la cellule. En fonction des responsabilités de votre équipe, celles-ci sont soit accessibles, soit fournies par le fournisseur de cellules, soit encore obtenues via la rétro-ingénierie des composants.
Simcenter Battery Design Studio fournit des spécifications normalisées pour les composants des batteries Li-ion. L'utilisateur peut sélectionner des formes de cellules à partir d'une pochette, cylindrique ou prismatique, puis choisir des composants individuels, tels que des électrodes, des languettes, des conceptions de collecteurs de courant, etc. Chaque composant peut être défini plus finement avec des caractéristiques telles que la conception de la languette centrale pour l'électrode ou le contrôle du matériau et de l'épaisseur des collecteurs de courant, et la liste continue pour construire entièrement la cellule.
Lorsque les formulations des mélanges sont généralement connues, les valeurs exactes sont souvent devinées au départ. Mais à partir des courbes de tension d'équilibre des matériaux actifs disponibles dans la littérature ou la caractérisation expérimentale, l'utilisateur peut ajuster le mélange pour obtenir un bon ajustement à la courbe de décharge à faible courant et obtenir ainsi une corrélation de capacité très précise. Le "rapport de construction" calculé peut également être très utile pour valider vos données, par exemple en vérifiant la densité énergétique finale ou le poids de la cellule.
L'utilisateur peut également générer automatiquement une sortie graphique de la section du jellyroll pour vérifier que l'enroulement de l'électrode se déroule comme prévu.
Simulation de la performance des cellules
Simcenter Battery Design Studio propose plusieurs niveaux de modèles de performance : un modèle macro-homogène basé sur la physique pour obtenir des informations sur les mécanismes électrochimiques de la cellule, tels que le mécanisme de perte de tension pendant le cycle de service d'une cellule, ou comprendre la distribution de la concentration ou de la génération de chaleur à travers l'électrode ; et un modèle de circuit RCR équivalent, qui est une approche empirique sur la modélisation du comportement de la cellule d'une manière très efficace en termes de calcul.
La simulation peut également nous indiquer ce qui se passe à l'intérieur de la cellule en termes de distribution du potentiel, de densité de courant concentrée près des onglets à travers l'électrode.
Distribution de la densité de courant des cellules pour une décharge de 10A
Alors, si vous me connaissez ou si vous savez que je fais partie de l'équipe Siemens Engineering Services, ou si vous avez lu mon précédent article sur le logiciel Simcenter SPEED, vous savez quelle sera ma prochaine question. Quel est le véritable résultat attendu d'une telle approche d'ingénierie des systèmes basée sur des modèles ? Réponse : comprendre et donc anticiper l'impact des choix de conception sur les performances de votre système tout au long de votre cycle de développement. Vos outils doivent vous aider à faire le meilleur choix possible.
A titre d'exemple, n'hésitez pas à regarder ce webinaire à la demande sur les cellules silicium-graphite dans lequel la société Saft montre comment elle utilise Simcenter Battery Design Studio pour concevoir une cellule avec une anode à haute énergie.
Mais pas seulement votre système. L'interaction entre les modules de cellules en parallèle/série et les éléments environnants de la batterie doit également être prise en compte.
Lien transparent avec les logiciels multiphysiques
Pour ce faire, nous conseillons généralement à nos clients d'utiliser Simcenter Battery Design Studio pour créer un modèle empirique RCR afin de représenter le comportement de la tension des cellules, dédié ensuite à la simulation électro-thermique 3D du pack. Un modèle basé sur la physique peut être utilisé, mais un modèle empirique RCR améliorera le coût de calcul tout en conservant une certaine précision dans vos résultats et sera plus adapté aux utilisateurs non-experts travaillant au niveau du module de la batterie. Ainsi, les tests HPPC (impulsions de décharge et de régénération pour caractériser la résistance qui dépend du SOC de la cellule, de la température et du courant), qu'ils soient synthétiques ou issus de mesures, sont utilisés comme données d'entrée et Simcenter Battery Design Studio génère automatiquement les paramètres du modèle empirique 3D RCR à utiliser pour le modèle de comportement 3D du pack de batteries dans Simcenter STAR-CCM+ d'une manière très efficace en termes de calcul.
Le lien entre les deux logiciels du portefeuille Simcenter mentionnés ci-dessus se fait par l'intermédiaire d'un fichier de sortie de Simcenter Battery Design Studio, le fichier Text Battery Model (TBM). Le fichier TBM est utilisé par le module complémentaire Battery Simulation Module de Simcenter STAR-CCM+ pour construire le modèle 3D du module de batterie souhaité. En couplant la géométrie, le modèle de performance des cellules et le solveur thermique de Simcenter STAR-CCM+, les ingénieurs en charge des modules de batteries peuvent effectuer une simulation électro-thermique de l'ensemble du pack de batteries dans le cadre de scénarios transitoires.
L'utilisateur peut ajouter d'autres composants du bloc-batterie tels que les barres omnibus, l'isolant électrique, les canaux de refroidissement et le boîtier de la batterie (en utilisant STAR-CCM+ 3D-CAO ou tout autre logiciel de CAO tiers) et effectuer un maillage automatique ainsi que spécifier les propriétés des matériaux/liquides de refroidissement.
L'étape finale consistera à effectuer une simulation transitoire sur un cycle de travail, ou tout type de profil d'excitation transitoire du courant électrique en fonction du domaine d'application. Vous trouverez ci-dessous un exemple des résultats de la distribution de la température du module de la batterie sur un cycle US06, à une température ambiante de 25 degrés Celsius et à une vitesse constante de la pompe de refroidissement.
Exemple d'un module 4P12S avec des cellules 18650 placées au-dessus d'une plaque de refroidissement liquide en aluminium (non représentée ici). Les résultats montrent un important gradient de température à travers le module qui est dû à l'incapacité du système de refroidissement à maintenir une distribution de température harmonisée
L'objectif est de valider la conception intégrée et de détecter, dès le début du cycle de développement, les défauts éventuels, les comportements de contrôle indésirables ou les problèmes de sécurité en utilisant ce "jumeau numérique" multiphysique du module de batterie, sans perdre de temps au cours de la fabrication du matériel, lorsque les problèmes pourraient être découverts trop tard dans le processus.
Exploration et optimisation de l'espace de conception
Par exemple, les ingénieurs peuvent utiliser Simcenter HEEDS pour étudier la batterie au niveau de la cellule, afin de maximiser sa capacité en considérant une conception de bloc fixe, mais en travaillant uniquement sur la chimie des cellules, ou au niveau du module de batterie, en travaillant sur sa géométrie et ses caractéristiques. Ces études d'exploration de l'espace de conception peuvent être réalisées à l'aide de Design Manager, qui fait partie de Simcenter STAR-CCM+, et du logiciel HEEDS, qui fait partie de Simcenter Portfolio. C'est ce que j'appelle la magie du jumeau numérique. L'ingénieur en simulation peut explorer de manière semi-automatique, efficace et sûre des centaines de conceptions en essayant d'équilibrer les performances multi-attributs tout en respectant les contraintes du système.
On peut rapidement constater que les performances thermiques du bloc-batterie peuvent être améliorées car la température n'est pas bien répartie sur le module de batterie, certainement en raison d'une distribution inefficace du flux de liquide de refroidissement, ce qui aura un impact certain sur les performances électriques des cellules en surchauffe et peut même compromettre la durée de vie ou la sécurité de la cellule.
Vous trouverez ci-dessous un exemple d'étude dans lequel nous avons configuré nos entrées d'exploration de la conception, des variables telles que le diamètre du canal, le nombre de canaux et la stratégie de débit du liquide de refroidissement. Pour les objectifs d'exploration de la conception, une différence de température de cellule dans les jellyrolls inférieure à 2degC et une réduction de la chute de pression ont été fixées. Les résultats de l'étude ci-dessous montrent une meilleure homogénéité de la température sur le module.
Résultats comparatifs de l'homogénéité de la température entre le cas de base et la conception améliorée sur le cycle de conduite US06
Témoignage client : Samsung R&D Institute
Un exemple concret est le travail effectué par le Samsung R&D Institute sur l'utilisation de Simcenter Battery Design Studio combiné à Simcenter STAR-CCM+ pour examiner l'impact des décisions de conception sur les compromis en matière de performances des blocs-batteries.
Comme d'autres fabricants de batteries Li-ion, le Samsung R&D Institute est toujours à la recherche d'outils pour l'aider à produire des batteries d'une densité énergétique et d'une durabilité plus élevées. Pour ce faire, ils ont concentré leurs efforts sur l'optimisation des systèmes de gestion thermique grâce à un modèle électro-thermique 3D couplé du bloc-batterie.
Exportation des paramètres du modèle empirique vers Simcenter Amesim
Le modèle empirique Simcenter Battery Design Studio RCR permet d'extraire les paramètres nécessaires à la mise en place d'un modèle de batterie au niveau du système à utiliser dans le logiciel Simcenter Amesim et de considérer ainsi le bloc-batterie comme un composant intégré d'un système plus important : un véhicule électrique à roues, un avion, une centrale électrique ou même un réseau domestique intelligent.
Dans Simcenter Amesim, l'utilisateur a accès à un outil de prédimensionnement de la batterie qui configurera automatiquement votre pack de batterie en fonction des caractéristiques de vos cellules (provenant de Simcenter Battery Design Studio par exemple) et de vos exigences techniques, comme le montre cette vidéo.
La batterie générée peut ensuite être utilisée dans le système final comprenant d'autres composants multiphysiques tels que le groupe motopropulseur électrique, le système de gestion thermique, le réseau de cartes électriques, etc. et leurs commandes. L'objectif est de prévoir les performances des cellules/batteries au niveau du système et d'anticiper les interactions futures entre la batterie et son environnement. Processus de simulation très utile pour améliorer la collaboration entre les fournisseurs de piles/batteries et les équipementiers qui pourront facilement modéliser, simuler et valider l'interaction entre leurs produits.
