Prever com precisão o desempenho térmico das baterias de veículos elétricos (EV) é talvez o desafio mais crítico enfrentado pelas fabricantes de automóveis (OEMs). As baterias possuem uma faixa de temperatura ideal de operação para evitar falhas. Se a bateria sai dessa zona, sua vida útil pode ser reduzida ou a segurança dos ocupantes pode ser comprometida.
Por isso, a Audi formou uma equipe altamente especializada dedicada ao desenvolvimento de conceitos de sistemas de baterias de alta voltagem na Alemanha. A contribuição desse time é crucial para a visão da Audi de projetar a mobilidade do amanhã e garantir uma experiência de direção digital, elétrica e sustentável.
Aumentando a precisão do modelo térmico
Joohwa Sarah Lee, engenheira de desenvolvimento de conceitos, faz parte dessa equipe e é especializada no desempenho térmico de baterias.
“Construir modelos de simulação térmica precisos é um aspecto crítico do trabalho da minha equipe”, diz Lee. “Os modelos em si são muito importantes, pois contribuem diretamente para o nosso objetivo de otimizar o desempenho térmico das baterias.”
Em 2021, Lee e sua equipe descobriram que, para certos casos e condições, os resultados da simulação não correspondiam às medições de teste. Como resultado, Lee buscou melhorar a qualidade desses modelos de simulação. Lee e sua equipe selecionaram os serviços de Engenharia e Consultoria do Simcenter da Siemens Digital Industries Software como parceiro de desenvolvimento.
“Selecionamos o Simcenter porque suas ferramentas permitiram uma conexão contínua não apenas entre modelos 1D e 3D, mas também conectividade com ferramentas de terceiros”, diz Lee. “Os Serviços de Engenharia do Simcenter forneceram o conhecimento técnico e o suporte para nos ajudar a configurar essas integrações e garantir a maior precisão possível.”
Combinando simulações 1D e 3D
Tradicionalmente, a geometria do módulo e do pacote de baterias era modelada usando simulação térmica em 3D por dinâmica dos fluidos computacional (CFD).
Esse método possui custos computacionais significativos e pode levar dias ou semanas para ser concluído. Além disso, é necessário um amplo conhecimento de parâmetros e experiência em simulação 3D para produzir um modelo 3D preciso.
Realizar a simulação de sistemas em 1D é muito mais rápido, mas muitas vezes é desafiador gerar modelos 1D a partir de um modelo 3D sem comprometer a precisão.
Os Serviços de Engenharia do Simcenter começaram a criar um modelo térmico de módulo de bateria mais rápido e preciso para dar suporte aos sistemas de gerenciamento de bateria da Audi, desde o desenvolvimento inicial da estratégia até a validação com os demais subsistemas do veículo.
Esses modelos precisavam considerar diversos parâmetros, incluindo corrente, variações de temperatura do líquido de arrefecimento, conectividade com modelos elétricos 1D e integração com MATLAB/Simulink. Lee e sua equipe forneceram à equipe do Simcenter casos de teste e condições de contorno para uma variedade de cenários.
Um fluxo de trabalho customizado
Combinando o software Simcenter STAR-CCM+ e o software Simcenter Amesim, que fazem parte da plataforma de negócios Siemens Xcelerator de software, hardware e serviços, os especialistas dos Serviços de Engenharia do Simcenter desenvolveram um fluxo de trabalho semiautomatizado para gerar um modelo de nível de sistema 1D no Simcenter Amesim a partir de um modelo 3D do Simcenter STAR-CCM+.
O objetivo desse fluxo de trabalho era garantir que os usuários de simulação 1D da Audi pudessem se beneficiar do alto nível de detalhamento fornecido pelos modelos 3D, mantendo ao mesmo tempo a velocidade da simulação 1D.
Usando entradas especificadas, o Simcenter STAR-CCM+ foi utilizado para calcular várias condições de estado estacionário cobrindo o espaço de design escolhido, como temperatura de entrada do líquido de arrefecimento, taxa de fluxo e corrente. Os dados puderam então ser usados para derivar um modelo eletrotérmico 1D para investigar cenários transientes para o módulo completo.
Reduzindo tempo, aumentando a precisão
O fluxo de trabalho desenvolvido pelos especialistas dos Serviços de Engenharia do Simcenter reduziu o tempo computacional das simulações térmicas de bateria para apenas alguns minutos. Um dos exemplos mais marcantes é a simulação de um cenário de carregamento de bateria de EV de 10% a 80% da capacidade da bateria.
“Como resultado do nosso projeto com os Serviços de Engenharia do Simcenter, conseguimos reduzir o tempo de simulação do cenário de carregamento de quase um dia inteiro para menos de um minuto”, diz Lee. “Essa é uma enorme diferença no tempo de cálculo. Também vimos uma melhoria significativa nos resultados das simulações, especialmente para estudos de comportamento térmico.”
“Exploramos outras soluções para esse problema, mas nenhuma outra empresa ofereceu o nível de conectividade entre ferramentas que a Siemens ofereceu. Combinar um modelo 3D detalhado no Simcenter STAR-CCM+ com a velocidade e eficiência do Simcenter Amesim e ferramentas de terceiros suportadas pela equipe dos Serviços de Engenharia do Simcenter proporcionou uma vantagem crucial. Também estamos entusiasmados em explorar outros aspectos do portfólio do Simcenter, incluindo o Simcenter Battery Design Studio.”
Lee e sua equipe estão otimistas sobre o futuro de sua parceria com os Serviços de Engenharia do Simcenter.
“Continuaremos a aplicar nossas novas ferramentas e metodologias aos desafios futuros”, diz Lee. “Estamos gratos pelo suporte fornecido pela equipe dos Serviços de Engenharia do Simcenter e por sua disposição e capacidade de nos ajudar a resolver problemas difíceis.”
Quer elevar a precisão e a velocidade das suas simulações de engenharia?
A JL Engenharia & Software é parceira especialista nas soluções Siemens Simcenter. Ajudamos sua empresa a implementar as melhores ferramentas de simulação e fluxos integrados para otimizar projetos, reduzir tempo de desenvolvimento e cortar custos de prototipagem.
