Potencia el desarrollo de baterías con el gemelo digital de Ansys

Con los precios del combustible disparados, muchos consumidores en todo el mundo están más que listos para adoptar vehículos eléctricos (EV). Los funcionarios gubernamentales y los grupos reguladores también están impulsando la adopción generalizada de los vehículos eléctricos, y el presidente de EE. UU., Joe Biden, definió recientemente un conjunto de objetivos ambiciosos1, incluido el mandato de que la mitad de todos los automóviles vendidos en Estados Unidos sean eléctricos para 2030.

Los fabricantes de automóviles del mundo están invirtiendo fuertemente en programas de desarrollo de productos EV para aprovechar esta oportunidad. Con las ventas de vehículos eléctricos proyectadas para alcanzar los 823 750 millones de dólares para 20302, lo que refleja una tasa de crecimiento anual del 18,2 % en comparación con las ventas de 2021, los equipos de ingeniería automotriz se centran en hacer que sus ofertas sean seguras, asequibles y eficientes, que son tres atributos clave del producto.

En el centro de este desafío de ingeniería se encuentra el paquete de baterías EV. Si bien las baterías de iones de litio de alta capacidad, una opción viable para alimentar vehículos eléctricos, han bajado significativamente en costo3 desde que se introdujeron, aún enfrentan desafíos. Su gran peso reduce la eficiencia, su rango por carga aún es relativamente pequeño y aún se desconoce mucho sobre la degradación de su rendimiento con el tiempo.

Para desarrollar un diseño de batería EV comercial viable en el que se pueda confiar para brindar años de rendimiento confiable, los equipos de desarrollo de productos deben comprender los efectos a largo plazo de la temperatura, el clima y la exposición a la intemperie, los patrones de uso, las velocidades de conducción, los estados de carga alta y baja. y variaciones de corriente eléctrica en sus diseños de batería.

El problema es que los vehículos eléctricos son relativamente nuevos, por lo que no se han recopilado muchos datos del mundo real con respecto al rendimiento de la batería. Los prototipos físicos y las pruebas en carretera son prohibitivamente costosos y consumen mucho tiempo, especialmente dada la naturaleza urgente de este desafío de ingeniería. Al igual que con tantos otros problemas de diseño de productos complejos y apremiantes, la respuesta se encuentra en la simulación de ingeniería.

Twin Builder: Verificación rápida de la batería de conducción

Durante años, Ansys ha ofrecido capacidades de simulación integrales para el diseño de baterías, lo que ha permitido a los ingenieros estudiar y gestionar problemas térmicos, crear sistemas de gestión de baterías y superar otros desafíos. Actualmente, Ansys Twin Builder es una solución de simulación única que replica completamente el rendimiento de las baterías de vehículos eléctricos en condiciones reales a lo largo del tiempo.

¿Cómo funciona exactamente Ansys Twin Builder? Un gemelo digital es una réplica virtual de un producto en funcionamiento, como un sistema de batería EV, que permite a los ingenieros aplicar parámetros operativos del mundo real y estudiar sus impactos. Utilizando sensores montados en una batería real, los ingenieros introducen datos de rendimiento en tiempo real en un modelo simulado de esa batería. Para ahorrar tiempo y esfuerzo informático, Twin Builder se basa en capacidades patentadas de modelado de orden reducido (ROM) que se centran en aspectos clave de rendimiento. La ROM reduce los tiempos de ejecución de horas a segundos al simplificar la complejidad computacional, al mismo tiempo que ofrece un análisis de ingeniería extremadamente riguroso.

Si bien es imposible ver el interior de una batería de iones de litio en funcionamiento, Twin Builder revela lo que sucede a medida que el diseño se somete a diversos efectos térmicos, químicos, mecánicos, eléctricos y de otro tipo. Los miembros del equipo de desarrollo pueden visualizar flujos de fluidos, tensiones estructurales, degradación de materiales y cambios de temperatura. Una vez que los ingenieros han detectado desviaciones de rendimiento y modos de falla, pueden corregirlos con nuevas características de diseño físico, como sistemas de enfriamiento y algoritmos de control mejorados. Por lo tanto, el ciclo de desarrollo se acelera significativamente sin la necesidad de construir prototipos físicos o retirar del servicio los productos que funcionan.

A través de estudios transitorios y análisis predictivos, los ingenieros pueden usar Twin Builder para observar el rendimiento de la batería EV a largo plazo en una variedad de condiciones. Pueden responder preguntas como: ¿Cómo afectan las diferentes estrategias de control de temperatura a la autonomía del vehículo? ¿Cuántas veces se puede arrancar el vehículo sin que se sobrecaliente el paquete de baterías? ¿Puede la batería funcionar de forma segura si el vehículo eléctrico sufre un accidente? El equipo de desarrollo de productos puede ejecutar una variedad de estudios hipotéticos sobre el gemelo digital sin someter el producto de trabajo real a todas las condiciones de funcionamiento posibles.

Los equipos de ingeniería no solo pueden aprovechar Twin Builder para identificar y prevenir los modos de falla, sino que también pueden personalizar los diseños de la batería para ciertas regiones geográficas en función de su terreno, los comportamientos de conducción locales y las condiciones atmosféricas. Por ejemplo, las baterías pueden envejecer de manera muy diferente en las bajas temperaturas de Noruega en comparación con las altas temperaturas de Arabia Saudita, por lo que este tipo de variaciones críticas en las condiciones de funcionamiento pueden reflejarse en las nuevas ofertas de productos regionales.

Twin Builder también permite a los fabricantes de vehículos eléctricos anticipar las necesidades de reparación y mantenimiento por adelantado al presentar nuevos diseños de baterías, evitando quejas de los consumidores y preparando el escenario para la satisfacción y la lealtad a largo plazo.

Para ayudar a que el análisis de la batería sea aún más rápido, Ansys ha creado una función en Twin Builder llamada Asistente de batería que simplifica el proceso de configuración de problemas a través de un proceso paso a paso. Los ingenieros pueden especificar rápidamente configuraciones de celdas, parámetros de celdas y variables como el estado de carga y la temperatura de la batería. Esta característica, combinada con la interfaz fácil de usar de Twin Builder y la plataforma abierta e independiente del proveedor, permite a los equipos de desarrollo de vehículos eléctricos poner en funcionamiento rápidamente sus gemelos digitales.

Liderar el campo en innovación de baterías para vehículos eléctricos

Con las crecientes presiones del mercado, y una increíble oportunidad de ingresos, no hay duda de que se avecinan nuevos y revolucionarios diseños de baterías para vehículos eléctricos. La única pregunta real es, ¿quién será el primero en verificarlos y lanzarlos? Ansys Twin Builder está diseñado específicamente para brindarle a su equipo de desarrollo de productos una ventaja competitiva significativa.

Los líderes de la industria ya están implementando Twin Builder para obtener una ventaja. A123, un fabricante de baterías, utilizó recientemente Ansys Twin Builder para modelar un paquete de baterías refrigerado por líquido de 48 voltios.

Con la ayuda de las simulaciones, A123 puede determinar la dependencia térmica del rendimiento eléctrico, diseñar el suministro de refrigeración, calcular distribuciones de temperatura y predecir la duración de la batería, según A123 Systems. A123 también utiliza las tecnologías ROM de Ansys Twin Builder para simplificar la simulación térmica 3D compleja, lo que reduce significativamente el tiempo de simulación de días a unos pocos segundos mientras mantiene la precisión de simulación requerida.

Dado el liderazgo histórico de Ansys en simulación basada en la física, ningún proveedor de software está más calificado para ayudarlo a lanzar una iniciativa de gemelo digital y tomar una posición de liderazgo en la carrera para lanzar innovaciones en baterías para vehículos eléctricos. Ansys Twin Builder también puede ayudar a su equipo a evitar costosas fallas de batería y retiros de productos, optimizar el mantenimiento y la reparación, y reducir el tiempo y los costos de desarrollo de productos. ¿Por qué no comenzar a cargar sus esfuerzos de desarrollo de baterías EV hoy aprovechando el poder de Ansys Twin Builder?