Sustentabilidade e desempenho: como a simulação está moldando o futuro das baterias
A economia global está rapidamente transitando para a eletricidade portátil e armazenável, impactando os principais setores tecnológicos, especialmente os eletrônicos, energia limpa e mobilidade/transporte. O mercado de veículos elétricos (EV), em particular, registrou um aumento significativo nas vendas na última década.
Figura 1- Evolução temporal da demanda anual de baterias por aplicação
De acordo com um relatório da Agência Internacional de Energia (IEA), a frota de veículos elétricos deve crescer oito vezes globalmente até 2030. E até 2040, mais da metade de todas as vendas de veículos de passageiros serão elétricos, de acordo com a BloombergNEF.
No entanto, a transição para um futuro de baixo carbono não significa que pessoas ou empresas estão dispostas a comprometer a eficiência; elas esperam que as baterias ofereçam pelo menos o mesmo desempenho – ou até superior – ao que estão acostumadas. Cumprir essa expectativa pode ser bastante desafiador.
Os Principais Desafios
1. Certificação e Atendimento a Normas
Fabricantes de EVs e baterias precisam atender a padrões rigorosos de certificação e regulamentação, que garantem segurança, desempenho e compatibilidade ambiental. Certificar-se de que um produto atende a esses critérios pode ser um processo longo e oneroso, exigindo testes extensivos e validação.
2. Segurança
A segurança das baterias é um dos maiores desafios, especialmente em relação às questões como superaquecimento, curto-circuito e falhas térmicas. Garantir que as baterias operem dentro de faixas seguras em todas as condições de uso é essencial para proteger os usuários e evitar recalls custosos.
3. Custos de Desenvolvimento
As baterias representam de 30% a 40% do custo total de um EV, e qualquer falha ou ineficiência no design pode aumentar ainda mais esses custos. Além disso, a necessidade de protótipos físicos para validação do projeto pode encarecer o processo de desenvolvimento.
4. Tempo de Desenvolvimento
A demanda por novos modelos no mercado rapidamente coloca os fabricantes sob constante pressão. Reduzir o tempo de desenvolvimento sem comprometer a qualidade e a confiabilidade das baterias é um desafio enorme.
5. Eficiência e Desempenho
Os consumidores esperam que as baterias de EVs ofereçam autonomia semelhante ou superior à dos veículos a combustão, com tempos de recarga reduzidos e vida útil prolongada. No entanto, otimizar esses parâmetros requer um equilíbrio delicado entre design, materiais e gerenciamento térmico.
Superando Desafios com Simulação
A Ansys, líder global em soluções de simulação multifísica, oferece ferramentas avançadas que ajudam a superar esses desafios, permitindo que os fabricantes desenvolvam baterias e sistemas de gerenciamento de energia (BMS – Battery Management System) de maneira mais eficiente e confiável.
- Certificação e conformidade: A simulação computacional ajuda empresas a realizar análises detalhadas para atender às normas globais de segurança, reduzindo o risco de não conformidade e acelerando o processo de certificação. Por exemplo, é possível simular cenários de impacto mecânico, vibração e choque térmico, que são requisitos mandatórios em normas como UN 38.3. Essas análises ajudam a prever como a bateria responderá a situações extremas, eliminando a necessidade de protótipos caros para cada cenário.
Figura 2 – Análise modal e vibração randômica.
- Simulação térmica e de segurança: Com a ferramenta Ansys Fluent, é possível prever o comportamento térmico das baterias em diversas condições operacionais. Com a simulação, é possível prever/mitigar eventos de fuga térmica que podem levar a incêndios ou explosões e realizar otimização no design de sistemas de gerenciamento térmico (como placas de resfriamento ou materiais para dissipação térmica). Desta forma, é possível identificar potenciais falhas antes mesmo da construção de protótipos físicos. Isso garante maior segurança e reduz custos com aprimoramento de design.
Figura 3 – Runway térmico de uma célula de bateria.
- Redução de custos e tempo de desenvolvimento: A simulação permite criação de análises paramétricas que ajustam automaticamente variáveis de design (como dimensões das células, materiais e layouts) para encontrar a configuração ideal. É possível integrar análises térmicas, estruturais, eletroquímicas e fluidodinâmicas em um único ambiente. Isso permite prever o comportamento da bateria como um todo, reduzindo drasticamente a necessidade de protótipos físicos, permitindo que os fabricantes testem e validem virtualmente diferentes designs. Isso economiza tempo, reduz custos e acelera o lançamento de produtos no mercado.
Figura 4 – Avaliação da distribuição de temperatura em fase de prototipagem digital.
- Otimização de Desempenho: Com o uso do modelo de circuito equivalente (ECM) e ferramentas de simulação de baterias disponíveis na plataforma Ansys, os fabricantes podem prever e otimizar o desempenho de carga, descarga, autonomia, captura do comportamento não linear e dinâmico da bateria, criando produtos que atendam ou superem as expectativas dos consumidores.
Figura 5 – Otimização de um sistema de baterias utilizando capacidades de simulação multifísica.
Para saber mais sobre o uso da simulação no desenvolvimento e na otimização de baterias, vejo o nosso post Projetos de baterias automotivas: principais desafios e soluções.
A superação de desafios no desenvolvimento de produtos com foco em sustentabilidade tem ganhado cada vez mais destaque, especialmente em setores como automobilístico e de aviação. A Fórmula 1, por exemplo, sempre foi um campo de testes para tecnologias avançadas, e com o aumento significativo de veículos elétricos no mercado, a categoria criou a Fórmula E, sua versão elétrica. Seguindo esse exemplo, Jeff Zaltman, CEO da Air Race Events, lançou a Air Race E, uma competição de aviões 100% elétricos, com o objetivo de acelerar a transição sustentável no setor da aviação.
A Ansys, como parceira oficial da Air Race E, está desempenhando um papel fundamental nesse processo, fornecendo um conjunto completo de ferramentas de simulação multifísica. Essas ferramentas ajudam as equipes a enfrentar desafios técnicos complexos, como o desenvolvimento de sistemas de baterias, sistemas eletrônicos embarcados, motores elétricos e integração do powertrain eletrificado à estrutura das aeronaves. Para algumas equipes, isso envolve projetar a aeronave do zero, enquanto outras se concentram em integrar os sistemas elétricos em modelos já existentes.
Figura 6 – Esquerda: Distribuição do ar através do módulo de bateria. Direita: Distribuição de temperatura estática em um único módulo de bateria. Imagem cortesia da Nordic Air Racing.
Ao fornecer software, treinamento e consultoria, a Ansys está contribuindo para acelerar o avanço da eletrificação no setor de aviação, permitindo que as equipes superem obstáculos técnicos e alcancem uma maior eficiência e sustentabilidade nas competições. O trabalho da Ansys é essencial para transformar a aviação elétrica em uma realidade, assim como já tem sido no setor automotivo.
Em resumo, a transição global para um futuro mais sustentável, com foco na eletrificação e na adoção de tecnologias limpas, está se tornando cada vez mais evidente, especialmente nos setores de mobilidade e transporte. O mercado de veículos elétricos, impulsionado pela crescente demanda por alternativas ecológicas, está crescendo exponencialmente e deve continuar a prosperar nas próximas décadas. No entanto, esse avanço traz consigo uma série de desafios técnicos e financeiros, principalmente no que se refere ao desenvolvimento de baterias de alto desempenho, seguras e acessíveis.
Nesse cenário, as soluções de simulação multifísica, como as oferecidas pela ESSS / Ansys, surgem como um diferencial fundamental. Ao permitir a modelagem virtual detalhada de sistemas de baterias, a simulação ajuda a antecipar e mitigar falhas antes da prototipagem física, reduzindo significativamente o número de protótipos e os custos associados. Além disso, a simulação pode ser utilizada para otimizar o desempenho de baterias, oferecendo uma compreensão mais detalhada dos fatores térmicos, estruturais e eletroquímicos, que são cruciais para garantir eficiência e segurança.
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