4 maneras de aumentar la seguridad de la gestión de baterías mediante la simulación

El mundo se vuelve eléctrico. Coches, aviones, procesos industriales, almacenamiento de energía… lo que sea: La industria está haciendo un gran cambio hacia la electrificación, y con ello viene una demanda cada vez mayor de más baterías. Pero la transición hacia un futuro con menos emisiones de carbono no significa que las personas o las empresas estén dispuestas a renunciar a la eficiencia, sino que esperan al menos un rendimiento similar -o superior- de las baterías eléctricas. Conseguirlo puede resultar bastante complejo. En los vehículos, por ejemplo, las baterías tienen que ser lo suficientemente potentes como para controlar un motor eléctrico, la climatización del habitáculo, varios sistemas de información y entretenimiento, etc.

Para conseguirlo, las baterías deben cargarse de forma eficiente, almacenar energía de forma eficaz y funcionar de forma segura, ofreciendo un rendimiento fiable durante años de uso. Pero las baterías inteligentes son sistemas complejos que requieren una unidad de control integrada: el sistema de gestión de baterías (BMS).

El BMS es el cerebro de los sistemas de energía eléctrica. Supervisa continuamente las condiciones, redistribuye los recursos energéticos y envía alertas en caso de problemas. Todo este sistema debe funcionar de forma óptima para garantizar un uso seguro y eficiente de la energía.

El BMS incluye un software integrado para la supervisión y el control en tiempo real de las baterías recargables para proporcionar una energía fiable, incluso en aplicaciones complejas. Controlan muchos elementos como el voltaje, la corriente y la temperatura para equilibrar la carga entre las celdas, proteger de la sobretensión y garantizar un funcionamiento seguro a pesar de los repetidos ciclos de carga y descarga.

En la actualidad, muchos de los retos de ingeniería que rodean la revolución eléctrica se centran en la batería eléctrica y su sistema de gestión. Echemos un vistazo a cuatro formas de utilizar la simulación para diseñar un BMS que cumpla con los principales retos de eficiencia, seguridad y fiabilidad.

1. Optimizar el diseño de la batería con la simulación multifísica

Los ingenieros y diseñadores de baterías exploran constantemente materiales que sean más eficientes desde el punto de vista energético y menos propensos a sobrecalentarse y quemarse. Controlar la temperatura de las baterías es esencial para evitar que se calienten demasiado y, catastróficamente, se incendien. A pesar de que cada material tiene propiedades únicas, las soluciones multifísicas de Ansys permiten modelar a fondo un sistema de baterías. El acoplamiento multifísico ofrece a los ingenieros una imagen completa de la respuesta estructural, térmica y electroquímica de una batería.

• Ansys Fluent se utiliza para el diseño de celdas, la gestión térmica y el desbordamiento térmico, ayudando a los ingenieros a diseñar baterías que sean resistentes al abuso térmico.
• Ansys Mechanical se utiliza para modelar las tensiones y deformaciones estructurales producidas por el calentamiento y el enfriamiento diferencial. Hace un seguimiento de los efectos de la temperatura en la estructura para garantizar que los componentes de la batería puedan soportar cualquier tensión inducida por el calor. También simula el fallo estructural en estas condiciones y determina si un nuevo diseño evitará el fallo.

2. Realización de modelos a nivel de sistema mediante gemelos digitales

Tras el acoplamiento multifísico, cuando todos los componentes de un sistema de baterías están listos para ser conectados, se puede obtener una perspectiva precisa de cómo se comportarán el BMS y la batería a lo largo de todo su ciclo de vida utilizando un gemelo digital. Ansys Twin Builder tiene en cuenta todos los cambios físicos durante el diseño, la fabricación y el ciclo de vida de la batería. Simula cómo trabajarán juntos para lograr una eficiencia óptima.

Sin embargo, los componentes diseñados de forma óptima no dan lugar necesariamente a sistemas óptimos. Cuando estos componentes se alimentan, detectan y controlan juntos como un sistema integrado, pueden funcionar de forma diferente a cuando se prueban como componentes independientes. Twin Builder puede realizar pruebas de bucle cerrado que abarcan todo el sistema conectado para detectar cualquier debilidad de los componentes y corregirla para producir un sistema de baterías que funcione con la máxima eficiencia.

3. Garantizar la seguridad del diseño del SGE con la arquitectura del sistema

Garantizar la seguridad funcional de los sistemas de gestión de edificios es de suma importancia, pero no es una tarea fácil. Para llevar a cabo análisis de seguridad funcional clave en muchos sectores, especialmente en el de la automoción, una herramienta integrada le permite realizar una ejecución eficiente y coherente de las actividades relacionadas con la seguridad.

Ansys medini analyze realiza procedimientos de análisis de seguridad clave, tal y como especifican las diferentes normas de los distintos sectores, junto con el diagnóstico y el análisis del modo de fallo y sus efectos (FMEA). En el caso de los sistemas de automoción, comprueba que el software del BMS cumple la norma de seguridad funcional ISO 26262, empezando por la identificación y descripción de las funciones y los fallos de funcionamiento del BMS.

Una vez identificados los fallos de funcionamiento, se realiza un análisis de peligros y riesgos para identificar los eventos peligrosos y su impacto en la seguridad, determinando el nivel de integridad de la seguridad del automóvil y los correspondientes objetivos y requisitos de seguridad.

4. Generación automática de código integrado para la fiabilidad del software de gestión de baterías

Dado que los sistemas de baterías combinan hardware y software, los equipos de desarrollo han trabajado tradicionalmente por separado. Hoy, Ansys está cambiando ese paradigma con una plataforma de simulación integrada para el diseño de baterías y el desarrollo de BMS.

El software integrado en el BMS puede generarse y verificarse automáticamente con Ansys SCADE Suite. La línea de productos SCADE proporciona un entorno de desarrollo basado en modelos para el software embebido crítico a nivel de aplicación, desplegado en unidades de control electrónico de diferentes sistemas de automoción con una calidad de código y unos costes de desarrollo optimizados. Mediante el uso de un controlador de software, los ingenieros pueden controlar de forma inteligente las condiciones de funcionamiento de una batería y supervisar su funcionamiento seguro. La utilización de la solución de desarrollo integral basada en modelos de Ansys SCADE elimina la necesidad de realizar costosas revisiones de código y pruebas de bajo nivel.

Muchos expertos de diferentes áreas de ingeniería pueden entender fácilmente el software basado en modelos y revisar la funcionalidad del modelo. La solución cumple con estándares de arquitectura como AUTOSAR y ASPICE, y el código generado automáticamente cumple con la norma de certificación de seguridad ISO 26262.

«Con SCADE, muchas cosas se han agilizado. Las mejoras en nuestra unidad más grande, que se encarga de diagnosticar el sistema de gestión de la batería, han sido espectaculares. En general, nos hemos vuelto significativamente más rápidos en términos de pruebas, no sólo en términos de pruebas puras, sino también para los análisis de cobertura debido a la eliminación de los análisis de código», dice el Dr. Daniel Kirschner, jefe de Herramientas y Métodos/Sistema de Gestión de Baterías en Volkswagen.

Simular el proceso de desarrollo de la batería

La simulación ayuda a los ingenieros a diseñar los BMS durante todo el proceso de desarrollo. La combinación de las capacidades de simulación de Ansys mencionadas anteriormente es esencial para la creación rápida de prototipos virtuales de un BMS, ya que cada vez más sistemas dependerán de la energía de las baterías en el futuro. Las principales ventajas del desarrollo basado en modelos son la posibilidad de disponer de modelos de referencia, reutilizarlos en distintas fases de desarrollo y reducir el esfuerzo y los riesgos de las transiciones entre fases de diseño. Las soluciones de Ansys para software embebido y análisis funcional permiten el desarrollo de BMS para un funcionamiento seguro y eficiente de las baterías.