Sostenibilidad y rendimiento: cómo la simulación está dando forma al futuro de las baterías
La economía global está avanzando rápidamente hacia la electricidad portátil y almacenable, impactando a los principales sectores tecnológicos, especialmente la electrónica, la energía limpia y la movilidad/transporte. En particular, el mercado de vehículos eléctricos (EV) ha experimentado un aumento significativo en las ventas durante la última década.
Figura 1 – Evolución temporal de la demanda anual de baterías por aplicación.
Según un informe de la Agencia Internacional de Energía (IEA), la flota de vehículos eléctricos (EV) crecerá ocho veces a nivel mundial para 2030. Además, para 2040, más de la mitad de todas las ventas de vehículos de pasajeros serán eléctricas, según BloombergNEF.
Sin embargo, la transición hacia un futuro con bajas emisiones de carbono no significa que las personas o las empresas estén dispuestas a comprometer la eficiencia; esperan que las baterías ofrezcan al menos el mismo rendimiento, o incluso superior, al que están acostumbradas. Cumplir con esta expectativa puede ser un gran desafío.
Los Principales Desafíos
1. Certificación y Cumplimiento de Normativas
Los fabricantes de EV y baterías deben cumplir con estrictos estándares de certificación y regulación que garantizan seguridad, rendimiento y compatibilidad ambiental. Asegurar que un producto cumpla con estos criterios puede ser un proceso largo y costoso, ya que requiere pruebas exhaustivas y validación.
2. Seguridad
La seguridad de las baterías es uno de los mayores desafíos, especialmente en relación con problemas como el sobrecalentamiento, los cortocircuitos y las fallas térmicas. Garantizar que las baterías funcionen dentro de rangos seguros en todas las condiciones de uso es esencial para proteger a los usuarios y evitar costosos retiros del mercado.
3. Costos de Desarrollo
Las baterías representan entre el 30 % y el 40 % del costo total de un EV, y cualquier fallo o ineficiencia en el diseño puede aumentar aún más estos costos. Además, la necesidad de crear prototipos físicos para la validación del diseño puede encarecer el proceso de desarrollo.
4. Tiempo de Desarrollo
La creciente demanda de nuevos modelos en el mercado pone a los fabricantes bajo constante presión. Reducir el tiempo de desarrollo sin comprometer la calidad ni la fiabilidad de las baterías es un desafío enorme.
5. Eficiencia y Rendimiento
Los consumidores esperan que las baterías de los EV ofrezcan una autonomía igual o superior a la de los vehículos de combustión, con tiempos de recarga reducidos y una vida útil prolongada. Sin embargo, optimizar estos parámetros requiere un equilibrio delicado entre diseño, materiales y gestión térmica.
Superando Desafíos con Simulación
Ansys, líder global en soluciones de simulación multifísica, ofrece herramientas avanzadas que ayudan a superar estos desafíos, permitiendo a los fabricantes desarrollar baterías y sistemas de gestión de energía (Battery Management System – BMS) de manera más eficiente y confiable.
Certificación y Cumplimiento: La simulación computacional permite a las empresas realizar análisis detallados para cumplir con normativas globales de seguridad, reduciendo el riesgo de incumplimiento y acelerando el proceso de certificación. Por ejemplo, es posible simular escenarios de impacto mecánico, vibración y choque térmico, requisitos obligatorios en normativas como la UN 38.3. Estos análisis permiten prever cómo responderá la batería en situaciones extremas, eliminando la necesidad de costosos prototipos para cada escenario.
Figura 2 – Análisis modal y vibración aleatoria.
- Simulación Térmica y de Seguridad: Con la herramienta Ansys Fluent, es posible prever el comportamiento térmico de las baterías en diversas condiciones operativas. La simulación permite anticipar y mitigar eventos de fuga térmica que podrían provocar incendios o explosiones, además de optimizar el diseño de los sistemas de gestión térmica (como placas de refrigeración o materiales de disipación térmica). De esta manera, se pueden identificar posibles fallos incluso antes de construir prototipos físicos, garantizando mayor seguridad y reduciendo costos en mejoras de diseño.
Figura 3 – Fuga térmica en una celda de batería.
- Reducción de costos y tiempo de desarrollo: La simulación permite la creación de análisis paramétricos que ajustan automáticamente variables de diseño (como dimensiones de las celdas, materiales y configuraciones) para encontrar la mejor solución. Es posible integrar análisis térmicos, estructurales, electroquímicos y fluidodinámicos en un único entorno, lo que permite predecir el comportamiento general de la batería. Esto reduce drásticamente la necesidad de prototipos físicos y permite a los fabricantes probar y validar virtualmente diferentes diseños, ahorrando tiempo, reduciendo costos y acelerando el lanzamiento de productos al mercado.
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Figura 4 – Evaluación de la distribución de temperatura en la fase de prototipado digital.
- Optimización del Rendimiento: Con el uso del modelo de circuito equivalente (ECM) y las herramientas de simulación de baterías disponibles en la plataforma Ansys, los fabricantes pueden predecir y optimizar el rendimiento de carga, descarga y autonomía, además de capturar el comportamiento no lineal y dinámico de la batería, desarrollando productos que satisfagan o superen las expectativas de los consumidores.
Figura 5 – Optimización de un sistema de baterías mediante capacidades de simulación multifísica.
Para saber más sobre el uso de la simulación en el desarrollo y optimización de baterías, consulta nuestro artículo Proyectos de baterías para automóviles: principales desafíos y soluciones.
La superación de desafíos en el desarrollo de productos con un enfoque en la sostenibilidad ha ganado cada vez más relevancia, especialmente en sectores como el automotriz y la aviación. La Fórmula 1, por ejemplo, siempre ha sido un campo de pruebas para tecnologías avanzadas y, con el significativo aumento de los vehículos eléctricos en el mercado, la categoría creó la Fórmula E, su versión eléctrica. Siguiendo este ejemplo, Jeff Zaltman, CEO de Air Race Events, lanzó la Air Race E, una competición de aviones 100 % eléctricos, con el objetivo de acelerar la transición sostenible en el sector de la aviación.
Ansys, como socio oficial de Air Race E, está desempeñando un papel fundamental en este proceso, proporcionando un conjunto completo de herramientas de simulación multifísica. Estas herramientas ayudan a los equipos a enfrentar desafíos técnicos complejos, como el desarrollo de sistemas de baterías, sistemas electrónicos embarcados, motores eléctricos e integración del tren motriz electrificado en la estructura de las aeronaves. Para algunos equipos, esto implica diseñar la aeronave desde cero, mientras que otros se centran en integrar los sistemas eléctricos en modelos ya existentes.
Figura 6 – Izquierda: Distribución del aire a través del módulo de batería. Derecha: Distribución de temperatura estática en un único módulo de batería. Imagen cortesía de Nordic Air Racing.
Al proporcionar software, capacitación y consultoría, Ansys está contribuyendo a acelerar el avance de la electrificación en el sector de la aviación, permitiendo que los equipos superen obstáculos técnicos y logren una mayor eficiencia y sostenibilidad en las competiciones. El trabajo de Ansys es esencial para hacer de la aviación eléctrica una realidad, tal como ya ha ocurrido en el sector automotriz.
En resumen, la transición global hacia un futuro más sostenible, con un enfoque en la electrificación y la adopción de tecnologías limpias, se está volviendo cada vez más evidente, especialmente en los sectores de movilidad y transporte. El mercado de vehículos eléctricos, impulsado por la creciente demanda de alternativas ecológicas, está creciendo exponencialmente y se espera que continúe prosperando en las próximas décadas. Sin embargo, este avance conlleva una serie de desafíos técnicos y financieros, especialmente en lo que respecta al desarrollo de baterías de alto rendimiento, seguras y accesibles.
En este contexto, las soluciones de simulación multifísica, como las ofrecidas por Ansys, se destacan como un factor diferencial clave. Al permitir la modelización virtual detallada de los sistemas de baterías, la simulación ayuda a anticipar y mitigar fallos antes de la fase de prototipado físico, reduciendo significativamente el número de prototipos y los costos asociados. Además, la simulación puede utilizarse para optimizar el rendimiento de las baterías, proporcionando un conocimiento más detallado de los factores térmicos, estructurales y electroquímicos, fundamentales para garantizar eficiencia y seguridad.
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