Simcenter Battery Design Studio : Les solutions de simulation pour l’ensemble du processus de conception des batteries 

Elément clé de la chaîne de traction d’un transport électrique, la batterie doit répondre aux exigences de performances propres à chaque véhicule. Depuis le choix des microstructures des matériaux jusqu’à l’évaluation du fonctionnement du pack batterie au sein de l’architecture électrique complète du véhicule ; rien ne doit être laissé au hasard. Les solutions de simulation de Siemens Digital Industries Software permettent de procéder à la modélisation des batteries à toutes les phases de développement et d’optimiser ainsi la conception et le dimensionnement de la batterie en termes d'autonomie, de fiabilité, de taille, de poids et de durée de vie.

Les véhicules à propulsion thermique sont-ils en voie de disparition ? Difficile de l’affirmer. Cependant, une chose est certaine. Dans les grandes métropoles et les pays de l’Union Européenne, les réglementations plus contraignantes en matière d’émissions de gaz polluants tendent à favoriser à moyen terme leur remplacement par leurs homologues électriques. Les constructeurs automobiles concentrent donc leurs efforts avec les fabricants de batteries pour concevoir des véhicules électriques répondant aux attentes des conducteurs en termes de fiabilité, d’autonomie et de sécurité. La batterie en est l’élément crucial.

Hier au nickel et cadmium ou au plomb, aujourd’hui au lithium, demain avec d’autres matières novatrices… les batteries, composées d’une accumulation de cellules montées en série, évoluent afin de gagner en légèreté, en autonomie, en densité massique énergétique, en recyclabilité…

Leurs caractéristiques doivent être adaptées aux spécificités du véhicule qui embarquent un pack réunissant de multiples modules, eux-mêmes formés d’un ensemble de cellules. 

 

Chaque pack batteries destiné à un véhicule doit faire l’objet d’un développement spécifique depuis le choix des matériaux assurant les performances électrochimiques de la cellule jusqu’à l’intégration du pack dans l’architecture du véhicule. Ce processus est bien entendu long, fastidieux et forcément coûteux. Les outils de simulation numérique, proposés par Siemens Digital Industries Software, visent justement à l’accélérer en réduisant le nombre de tests réels à mettre en œuvre tout en optimisant les performances des cellules et des packs pour, au final, optimiser le fonctionnement de la batterie avec l’ensemble des équipements électriques embarqués au véhicule. 

Solution de simulation intégrée

Simcenter Battery Design Studio permet de valider numériquement la performance électrochimique des cellules en s’appuyant sur leurs spécifications géométriques détaillées. L’outil permet de définir sa cellule à partir de composants élémentaires provenant d’une base de données modulable qui peut être enrichie par l’utilisateur.

La modélisation des performances peut s’effectuer à plusieurs niveaux : un modèle macro-homogène basé sur la physique pour comprendre les mécanismes électrochimiques de la cellule et un modèle de circuit RCR équivalent, reposant sur une approche empirique pour modéliser le comportement de la cellule. Ainsi, Simcenter BDS permet de mieux prendre en compte les décisions de conception et leur impact sur les performances du système afin de proposer la meilleure combinaison de choix possible.

Lorsque les caractéristiques des cellules ont été définies, il faut alors opter pour la manière optimale de les associer au sein de modules et de packs. Siemens Digital Industries Software propose là encore, avec sa plate-forme Simcenter, des solutions de modélisation et de simulation permettant d’explorer virtuellement diverses variantes de conception et d’en évaluer les performances. Ses solutions couvrent l’ensemble des domaines d'ingénierie nécessaires à la conception de systèmes de batteries. Il est ainsi possible, à partir des différentes conceptions de cellules électro-chimiques, de modéliser des packs de batteries et de valider les performances globales dans le contexte d'un véhicule. 

Gestion thermique et intégration système

Les solutions logicielles de modélisation et de simulation de batteries, proposées par Siemens Digital Industries Software, permettent également de prendre en compte les aspects liés à la charge et la gestion thermique et d'étudier les meilleures stratégies de contrôle possibles pour atteindre les performances optimales. Elles offrent la possibilité de déterminer l’assemblage des modules du pack batterie le plus approprié et d’opter pour la solution de refroidissement la plus adaptée en simulant les capacités de l’échangeur thermique selon différents scénarios de conduite du véhicule, en utilisant les outils de calcul en mécanique des fluides Simcenter STAR-CCM+ ou Simcenter FLOEFD. 

Une fois la conception du pack batterie finalisée, celle-ci va pouvoir être intégrée à l’ensemble des composants électriques du véhicule. Dans ce cadre, Siemens Digital Industries Software propose également par le biais de Simcenter Amesim, des outils de modélisation afin d’évaluer dans un environnement numérique le comportement système du pack batterie au sein de l’architecture électrique complète du véhicule et ainsi valider l’ensemble des choix techniques préalables : depuis les caractéristiques des matériaux électro-chimiques à l’assemblage du pack batterie en passant par le dimensionnement des cellules. Avec un avantage unique sur le marché : tous les outils de simulation, exploités à chaque étape de développement de la batterie, sont connectés entre eux. Les mêmes données de conception et de simulation sont ainsi partagées de bout en bout tout au long du cycle de conception et d’intégration de la batterie au véhicule.

Denis Tschumperle

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