A eletrificação dos Veículos Elétricos à Bateria (BEV) é uma tendência crescente na indústria automotiva. No entanto, para tornar os veículos elétricos comuns e lucrativos, os fabricantes de veículos e baterias enfrentam desafios como custo, alcance, velocidade de carregamento, confiabilidade e segurança. Neste artigo, exploramos como o projeto integrado de baterias de íons de lítio e a simulação multidisciplinar são fundamentais nesse contexto. Abordaremos desde o design otimizado da bateria até o desenvolvimento do sistema de gerenciamento de bateria (BMS) e a otimização dos sistemas térmicos e elétricos do veículo.
Figura 1. Estoque global de carros elétricos de passageiros por região entre 2010 e 2019.
Design da Bateria para Desempenho Ideal
O aprimoramento do design das baterias de íon-lítio é vital para atender às demandas dos Veículos Elétricos a Bateria. Esse processo envolve não apenas o desenvolvimento do veículo, mas também análises eletroquímicas detalhadas, além do design preciso das células, módulos e embalagens. Além disso, é crucial controlar a propagação indesejada de calor e garantir a segurança funcional da bateria.
Figura 2. Tipos de células de íons de lítio comumente usados em baterias automotivas.
Utilização do Gêmeo Digital para Aprimorar a Fabricação de Baterias de Lítio
O projeto de bateria é intrincado e requer colaboração constante entre especialistas de diversas disciplinas. A aplicação do gêmeo digital, combinado com testes físicos, é essencial para enfrentar os desafios de engenharia e garantir um design otimizado. Adicionalmente, engenheiros especializados em simulações multifísicas CAE/CFD investigam estratégias para mitigar os efeitos indesejados da propagação térmica.
Figura 3. Fluxo de trabalho de projeto de bateria no Simcenter
Simcenter Battery Design Studio – Projetando Pacotes de Células de Bateria Aperfeiçoados com Precisão Geométrica e Simulações de Desempenho
O Simcenter Battery Design Studio oferece suporte aos engenheiros na validação digital do projeto de células de íons de lítio. A ferramenta fornece detalhes geométricos precisos das células e simulações de desempenho da célula. Com um amplo banco de dados de materiais e componentes de células de bateria, essa ferramenta facilita o desenvolvimento de modelos avançados.
Figura 4. Diagrama de Ragone mostrando capacidade de potência e potencial de capacidade de energia das atuais tecnologias comerciais de capacitores e células de bateria.
Decisões Otimizadas por Meio de Validação Digital
A aplicação de simulações precisas no Simcenter Battery Design Studio possibilita a validação digital de projetos de células de íons de lítio. Modelos de desempenho, como o macro-homogêneo e o de circuito RCR equivalente, fornecem insights cruciais sobre o comportamento da célula. Isso permite que engenheiros tomem decisões informadas e otimizadas durante todo o processo de design.
Desenvolvimento do Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS)
Engenheiros de software e controle desempenham um papel fundamental ao desenvolver o Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS). Esse sistema otimiza a utilização da energia remanescente, equilibra a carga entre as células e monitora a saúde da bateria. Por meio de sensores que medem tensão, corrente, temperatura e outros dados, o BMS calcula o estado de carga, integridade e função da bateria. Algoritmos inteligentes aprimoram o desempenho, a vida útil e a segurança funcional da bateria.
Figura 5. Arquitetura do trem de força dimensiona a bateria (capacidade, potência, tensão) para atingir o desempenho desejado do veículo.
Harmonia nos Sistemas Térmicos e Elétricos do Veículo
A integração da bateria nos sistemas térmicos e elétricos do veículo é fundamental. O engenheiro de sistemas térmicos de bateria garante o equilíbrio entre o conforto térmico na cabine e as condições operacionais ideais da bateria, considerando diferentes ambientes. Ao mesmo tempo, o engenheiro de eletrônica de potência projeta a arquitetura elétrica do veículo, incluindo inversores, conversores e carregadores que interagem diretamente com a bateria.
Figura 6. Estudo da propagação térmica e segurança usando simulação 3D
Integração Sistêmica e Coordenação Veicular
O integrador do veículo desempenha um papel crucial na coordenação do desenvolvimento dos subsistemas do veículo e da bateria. Ele garante que os requisitos de desempenho sejam atendidos em todos os aspectos. Mediante simulações de sistemas baseadas em modelos, um conceito completo de veículo é refinado ao longo do ciclo de desenvolvimento, otimizando tanto a bateria quanto os outros componentes.
Figura 8. Simulação do nível do veículo usando modelos de ordem reduzida
Impulsionando o Futuro Elétrico com Baterias de Lítio
Projetar uma bateria de íons de lítio para um BEV requer uma colaboração abrangente entre várias disciplinas de engenharia. A simulação surge como uma ferramenta indispensável para aprimorar o desempenho, segurança e integração da bateria no sistema do veículo. As soluções fornecidas pelo Simcenter Battery Design Studio da Siemens Digital Industries Software capacitam OEMs e fornecedores da indústria automotiva a realizarem uma transição bem-sucedida para frotas eletrificadas, impulsionando a revolução da mobilidade elétrica.
Figura 9. Instalações de teste de gerenciamento de energia do veículo
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