Simulação de materiais para eletrificação de powertrain
Os engenheiros estão na linha de frente da expansão tecnológica da eletrificação e os materiais estão evoluindo rapidamente para permitir esta revolução. Encontrar materiais com as propriedades térmicas, estruturais e eletromagnéticas ideais são uma parte importante deste quebra-cabeça.
No caso de veículos elétricos a bateria (Battery Electric Vehicles – BEVs), a adoção no mercado exige reduções no preço das células de US$ 100/kWh hoje para US$ 76/kWh. Considerando que 75% do preço da célula da bateria é determinado pelo material, ferramentas para encontrar, selecionar e gerenciar o material certo são cada vez mais importantes (Figura 1).
Figura 1: 75% do custo das baterias é determinado pelos materiais.
Para entender melhor o setor de eletrificação para automóveis, acesse o webinar gratuito Projetos de componentes automotivos: novas tecnologias em veículos elétricos e a combustão.
Ansys Granta para gerenciamento de materiais
Muitos fabricantes e fornecedores necessitam de dados de materiais, tornando sistemas de gerenciamento de informações, como Ansys Granta MI, crítico para os negócios.
Se olharmos para o detalhamento dos custos do powertrain em veículos elétricos, o sistema de bateria – incluindo células, fiação e caixa – contribui com 80% do custo de produção, sendo o restante 20% do e-Axle e sistemas auxiliares de alta tensão (Figura 2).
Figura 2 (gráfico) Custo de produção de um powertrain para veículos elétricos.
Ao selecionar, comparar e gerenciar os materiais associados com cada um desses componentes, os fabricantes originais de equipamentos (OEMs) e fornecedores podem resolver desafios térmicos, estruturais, eletromagnéticos e de peso para diferenciar sua oferta de veículos elétricos no mercado.
No setor aeroespacial também estão acontecendo mudanças em direção à eletrificação. Neste setor, os engenheiros são novamente desafiados com o compromisso entre fontes de energia prospectivas com densidades de energia apropriadas e seu peso, custo e durabilidade, ao mesmo tempo em que tentam maximizar a sustentabilidade do design.
Projetos para construir novos conhecimentos em sistemas de energia para aeronaves continuam aparecendo: O projeto Accel, envolvendo Rolls-Royce e Electroflight, entre outros, com sucesso quebrou o recorde de velocidade em 2021. Selecionar o material certo foi um passo importante nessa jornada.
O que está claro é que os desafios são complexos e exigem cada vez mais uma abordagem multifísica para encontrar as melhores soluções para produzir a próxima geração de powertrain.
Escolhas de materiais mais inteligentes para powertrain
Para exemplificar o impacto que os materiais podem ter no projeto, veja na figura 3, os principais componentes de um powertrain.
Figura 3: Componentes típicos de um powertrain.
Várias ferramentas e soluções da Ansys Granta podem ser utilizadas para ajudar os engenheiros a abordar os desafios descritos acima. Estas soluções são então aplicadas em nível multifísico com as ferramentas da Ansys mais adequadas para cada projeto.
Motores elétricos: as propriedades corretas do material para o motor elétrico certo
Apesar de ser uma parte relativamente pequena do custo total do powertrain de um veículo BEV, um motor elétrico adequado é fundamental para desempenho e eficiência — gerando um enorme diferencial no mercado.
Figura 4: Exemplo de um motor elétrico.
Um desafio que muitos engenheiros enfrentam ao projetar motores é o calor. Especificamente, temperaturas mais altas podem reduzir o “knee point” nas curvas de desmagnetização (ou curva de histerese) de ímãs permanentes. Ultrapassar este ponto causa danos irreversíveis ao ímã, levando a uma redução no desempenho do motor.
O projeto do motor de fluxo axial, em particular, apresenta desafios mecânicos e térmicos especiais, tornando essencial uma abordagem abrangente e compreensão das forças eletromagnéticas (EM) e dos materiais.
As forças magnéticas que operam entre o rotor e o estator fazem com que se mantenham críticos intervalos de ar uniformes e de alta tolerância entre esses dois componentes, enquanto o posicionamento dos enrolamentos dentro do estator e entre os dois discos do rotor representa um problema maior de resfriamento.
Compreender as propriedades dos materiais dependentes da temperatura para estes componentes dentro deste tipo de montagem de motor torna-se uma informação importante em qualquer simulação precisa.
A solução multifísica da Ansys
Engenheiros que utilizam Ansys podem acessar, rapidamente e com precisão, dados de propriedades para uma variedade de materiais magnéticos, metálicos ou poliméricos usados no design, análises e validação de um motor elétrico. Isto graças ao acesso nativo ao Granta MI e seus dados no Maxwell, junto com acesso ao Ansys Mechanical por meio do Ansys Workbench.
Essa conexão garante total rastreabilidade dos dados até os registros do material, além de fontes de dados estatísticos e de testes. Essas informações também podem ser facilmente exportado do Granta Selector.
Usar o Ansys Multiphysics para otimizar um motor BEV não é novidade. A equipe da Lucid Motors usou Maxwell para o projeto e análise de motores elétricos, atuadores, sensores, transformadores e outros dispositivos eletromagnéticos e eletromecânicos.
Maxwell foi usado para determinar as perdas eletromagnéticas no motor. O Workbench integrou essas perdas com uma simulação Ansys Fluent para determinar as temperaturas em todo o motor (Figura 5).
Figura 5: Ansys Maxwell e Ansys Fluent podem ser usados de forma combinada para melhorar o projeto de motores.
Usando simulação, os engenheiros da Lucid Motors aumentaram a potência densidade e eficiência energética do motor em 12% usando uma combinação de Maxwell, Mecânico e Fluent.
Opções de materiais para eletrônicos de alta potência
Normalmente, a eletrônica de potência de um veículo elétrico moderno (Figura 6) compreende (1) um retificador, (2) um conversor DC-DC, (3) um filtro de entrada e (4) um inversor. Dentro do módulo de controle de eletrônica de potência, a conversão AC-DC, DC-DC e a corrente DC para trifásica para a máquina elétrica requer uma variedade de placas de circuito impresso (PCBs).
Figura 6: Eletrônica de potência (Renault).
Dependendo da quantidade de energia que está sendo convertida, a temperatura pode aumentar e esse calor deve ser gerenciado. Para fontes com alta potência, materiais de placa alternativos como cerâmica ou alguns laminados de PTFE podem ser necessários.
Assim, se torna crítico conseguir identificar, comparar e selecionar classes de materiais para estas aplicações, baseada no tipo de resina, desempenho térmico, desempenho dependente de frequência e durabilidade.
Dados para materiais para placas PCBs, incluindo laminados, com o fabricante e a classe está disponível em Ansys Granta Advanced Materials — Electromagnetics, incluindo mais de 5.200 registros para materiais PCB – laminado, pré-impregnado e núcleo.
As propriedades térmicas do material podem ajudá-lo a realizar simulações da transferência de calor e de fluidos para chegar a soluções de gerenciamento térmico para eletrônica.
Você também pode simular campos eletromagnéticos quase estáticos com propriedades de material dependentes de frequência para obter modelos ainda mais precisos para executar análise de integridade de sinais.
Eficiência energética em veículos elétricos: Menos custo e melhor desempenho
Reduzir o peso total de um veículo é fundamental para os veículos elétricos porque o peso mais leve aumenta a eficiência energética. A redução de peso pode ser aplicada a todos os componentes do powertrain, como carcaças, eixos de transmissão ou elétricos.
Procurar por materiais alternativos é uma tática óbvia para obter peso mais leve. O Granta Selector oferece uma maneira rápida de comparar uma variedade de famílias de materiais com um conjunto de requisitos de engenharia:
- Acesse centenas de milhares de planilhas de dados específicas de fornecedores.
- Elimine material não qualificado no início do projeto.
- Gere facilmente cartões de materiais para Ansys e ferramentas de simulação CAD.
Configuração e desempenho do projeto de bateria em estágio inicial
A tecnologia da bateria está em constante desenvolvimento. Granta Selector desenvolveu uma ferramenta específica de design de bateria para apoiar engenheiros com projeto em estágio inicial e comparação de desempenho para módulos e pacotes de baterias multicélulas. Isso te ajudará a:
- Decidir quais células escolher.
- Determinar a configuração ideal.
- Comparar o desempenho do módulo de bateria resultante.
A ferramenta Battery Designer também permite explorar rapidamente diferentes projetos de módulos de bateria multicélulas de alto nível e execução equivalente comparações de seu desempenho elétrico e térmico.
A Ansys tem uma solução abrangente e bem desenvolvida para modelagem e simulação de baterias que inclui célula, módulo, pacote e sistema. As ferramentas e dados disponíveis podem otimizar a simulação resultante integrando diretamente esses pacotes de simulação e propriedades precisas dos materiais.
Uma análise integrada é a melhor solução para simulação de gerenciamento térmico de bateria, para garantir o resfriamento econômico de dispositivos e baterias.
Normalmente, um modelo numérico robusto é a chave para compreender a propagação da fuga térmica em um módulo ou pacote de bateria. No Ansys Fluent, um modelo de segurança 3D abrangente para uma célula de íon de lítio pode ser usado para propor configurações de bateria para mitigar a fuga térmica, por exemplo.
Já o Ansys Twin Builder permite realizar rapidamente a modelagem do sistema de bateria com uma dedicada e poderosa biblioteca. Isto permite criar um gêmeo digital baseado em simulação durante todo o ciclo de vida do produto, desde o projeto às operações e manutenção da bateria.
Também possibilita o monitoramento da saúde e a vida útil restante dos componentes em seu ativo para obter uma perspectiva precisa sobre o desempenho do Batter Management System (BMS) durante todo o seu ciclo de vida.
Implemente Ansys nos seus projetos de powertrain e conte com especialistas em simulação
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