Mejora del modelado de la vida útil de la batería para vehículos ecológicos de mayor duración

Producto: Simcenter
Industria: Automotriz y Transporte

La biblioteca Simcenter Amesim Electric Storage es de gran ayuda para los jugadores de las industrias de energía renovable y automotriz. Esto permite a los ingenieros de diseño tomar las decisiones técnicas y económicas correctas en el momento adecuado.

Eric Prada, Ph. D., Ingeniero I+D Electroquímico, IFPEN Departamento de Electroquímica y Materiales

Tecnologías más ecológicas, fiables y rentables

La reducción de las emisiones de dióxido de carbono (CO 2 ) es un gran desafío al que se enfrentan los fabricantes de automóviles del mundo. Para abordar este problema, los fabricantes han desarrollado nuevas tecnologías como los vehículos eléctricos híbridos (HEV), los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) y los vehículos eléctricos puros (EV).

El éxito de estas tecnologías depende de la eficiencia de los sistemas de almacenamiento de energía, como las baterías y los ultracondensadores. Estos componentes son costosos y es difícil para los fabricantes de equipos originales (OEM) y los fabricantes de baterías dominar y garantizar los sistemas de almacenamiento eléctrico durante más de ocho años. Hoy en día, la durabilidad de la batería es uno de los mayores problemas que enfrenta la industria automotriz.

El hecho de que existan muchas tecnologías químicas de batería y mecanismos de envejecimiento diferentes hace que este problema sea aún más complejo. Los mecanismos de degradación varían mucho según el tipo de tecnología química considerada. Los tipos incluyen óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA), fosfato de litio y hierro (LFP), óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC) y titanato de litio (LTO).

Hay dos modos de envejecimiento diferentes: ciclismo y calendario. Ciclismo corresponde al uso de la batería cuando un automóvil está en movimiento, mientras que el calendario corresponde a cuando un automóvil está estacionado. Este reparto ciclístico y de calendario no es lo mismo para un turismo que para un autobús o para un camión. Por ejemplo, el porcentaje de modo de ciclismo es mucho mayor para los camiones en comparación con los automóviles de pasajeros.

Socios de larga data, nuevo desafío

Hace diez años, Siemens Digital Industries Software comenzó a cooperar con IFP Energies nouvelles (IFPEN), un centro de investigación e innovación con gran experiencia en los campos de la energía, el transporte y el medio ambiente. Como parte de su innovadora actividad de transporte, IFPEN diseña y mejora soluciones tecnológicas para reducir el consumo de combustible de los vehículos y el impacto ambiental.

En 2008, IFPEN comenzó a trabajar en temas de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica. Después de seis años de asociación para la simulación del tren motriz, muchos especialistas en investigación y desarrollo (I+D) de IFPEN se han convertido en expertos en el uso del software Simcenter Amesim™, parte de la cartera Simcenter™. Además, IFPEN sabía que Simcenter Amesim se estaba convirtiendo en el estándar para muchos actores de la industria.

La elección del socio fue evidente y el alcance inicial de la cooperación entre Siemens Digital Industries Software e IFPEN se amplió a los problemas de las baterías. Como resultado, Siemens Digital Industries Software e IFPEN desarrollaron conjuntamente la biblioteca de almacenamiento eléctrico, ahora disponible dentro del software Simcenter Amesim, una plataforma de simulación multidominio potente y versátil.

Biblioteca de almacenamiento eléctrico

Los primeros logros compartidos incluidos en la biblioteca de almacenamiento eléctrico se centran en las baterías de iones de litio (Li-ion) y de hidruro metálico de níquel (Ni-MH), así como en los ultracondensadores. La biblioteca consta de modelos electrotérmicos genéricos o validados (calibrados) que permiten una simulación rápida y sencilla.Para la calibración de los modelos, las pruebas experimentales se realizaron principalmente en las instalaciones del banco de pruebas de baterías del IFPEN. Como alternativa, los usuarios pueden calibrar rápidamente modelos de circuitos equivalentes empíricos con sus propios datos experimentales gracias a la herramienta de asistente de batería desarrollada por Siemens Digital Industries Software y disponible en la biblioteca de almacenamiento eléctrico.

Los principales desafíos técnicos para el desarrollo de la biblioteca de almacenamiento eléctrico fueron elegir el nivel adecuado de modelos de sistemas de almacenamiento de energía para los usuarios finales. “Tuvimos que diseñar y trabajar en diferentes enfoques de modelado que permitieran una simulación fácil y rápida, sin dejar de encapsular los detalles de los fenómenos físicos fundamentales para garantizar resultados de simulación confiables”, dice Eric Prada, ingeniero de I+D electroquímico, departamento de electroquímica y materiales de IFPEN.

“Nuestro desafío actual es obtener información sobre el comportamiento de los sistemas de almacenamiento de energía electroquímica y desarrollar modelos matemáticos predictivos y confiables que permitan a los ingenieros construir, especificar y optimizar rápidamente las soluciones de energía”, dice Prada. “Por ejemplo, se pueden usar para dimensionar el almacenamiento de energía para cumplir con el rendimiento de potencia y energía de una aplicación específica para el diseño funcional de los sistemas de administración de baterías y la optimización de las estrategias de uso.

Como parte de su cooperación con Siemens Digital Industries Software, el equipo de IFPEN ha desarrollado recientemente diferentes enfoques de modelado para simular los fenómenos de degradación de la batería. IFPEN diseñó un modelo de envejecimiento electroquímico dinámico capaz de predecir la degradación de la pérdida de autonomía para una tecnología específica de batería de iones de litio (LiFePO4/grafito). Las instalaciones avanzadas de pruebas electroquímicas y analíticas de IFPEN hicieron posible calibrar modelos electroquímicos midiendo los principales parámetros geométricos, eléctricos y fisicoquímicos de las celdas. Luego, esos modelos predictivos se validaron en una amplia base de datos construida sobre la base de pruebas celulares internas y resultados de pruebas disponibles en la literatura.

Gracias a estos estudios, se pueden analizar 10 años de comportamiento de la batería en tan solo unas horas. Este modelo validado se puede utilizar para analizar el impacto de las estrategias de uso para el vehículo (seguimiento del SOC para el PHEV) o para la tecnología de vehículo a red (V2G). “La biblioteca Simcenter Amesim Electric Storage es de gran ayuda para los jugadores de las industrias de energía renovable y automotriz”, dice Prada. “Esto permite a los ingenieros de diseño tomar las decisiones técnicas y económicas correctas en el cronograma correcto.

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