Simulación de materiales para la electrificación de powertrain
Los ingenieros están en la primera línea de la expansión tecnológica de la electrificación y los materiales están evolucionando rápidamente para hacer posible esta revolución. Encontrar materiales con propiedades térmicas, estructurales y electromagnéticas idóneas es una parte importante de este rompecabezas.
En el caso de los vehículos eléctricos de batería (BEV), la adopción masiva en el mercado exige reducir los precios actuales de las células de US$ 100/kWh a US$ 76/kWh. Teniendo en cuenta que el 75% del precio de las células de batería está determinado por el material, las herramientas para encontrar, seleccionar y gestionar el material y los datos adecuados son cada vez más importantes (Figura 1).
Figura 1: 75% del costo de las baterías está determinado por los materiales.
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Ansys Granta para la gestión de materiales
Muchos fabricantes y proveedores necesitan datos de materiales, lo que hace que los sistemas de gestión de la Información, como Ansys Granta MI, sean críticos para los negocios.
Si observamos el detalle de los costos de powertrain en los vehículos eléctricos, el sistema de baterías -incluidas las células, el cableado y la carcasa- aporta el 80% del costo de producción, mientras que el 20% restante corresponde al e-Axle y a los sistemas auxiliares de alto voltaje (Figura 2).
Figura 2 (gráfico) Costo de producción de powertrain para vehículos eléctricos.
Al seleccionar, comparar y administrar los materiales asociados a cada uno de estos componentes, los fabricantes de equipos originales (OEMs) y los proveedores pueden resolver los aspectos térmicos, estructurales, electromagnéticos y de peso para diferenciar su oferta de vehículos eléctricos en el mercado.
Otro sector donde también se están produciendo cambios encaminados a la electrificación es el aeroespacial.
En dicho sector, los ingenieros se enfrentan una vez más al compromiso entre las posibles fuentes de energía con densidades de potencia adecuadas y su peso, costo y durabilidad, al tiempo que intentan maximizar la sostenibilidad del diseño.
Cada día aparecen proyectos para crear nuevos conocimientos en sistemas de energía para aeronaves: El proyecto Accel, en el que participan Rolls-Royce y Electroflight, entre otros, batió con éxito el récord de velocidad eléctrica en 2021.
Seleccionar el material adecuado fue un paso importante en este viaje.
Lo que está claro, es que los desafíos son complejos y requieren cada vez más un enfoque multifísico para encontrar las mejores soluciones para la producción de la próxima generación de cadenas cinemáticas.
Selección de materiales más inteligentes para powertrain
Para ejemplificar el impacto que los materiales pueden tener en un proyecto, observa la figura 3 los principales componentes de un powertrain.
Figura 3: Componentes típicos de un powertrain.
Es posible utilizar varias herramientas y soluciones de Ansys Granta para ayudar a los ingenieros a afrontar los desafíos descritos anteriormente. Estas soluciones se aplican después a nivel multifísico con el Ansys más adecuado para cada proyecto.
Motores eléctricos: las propiedades adecuadas del material para el motor eléctrico apropiado.
A pesar de representar una parte relativamente pequeña del costo total del powertrain de un BEV, un motor eléctrico adecuado es fundamental para el rendimiento y la eficiencia, lo que supone un gran diferenciador en el mercado.
Figura 4: Ejemplo de motor eléctrico.
Uno de los desafíos a los que se enfrentan muchos ingenieros a la hora de diseñar motores es el calor. En concreto, las temperaturas más altas pueden reducir el «knee point» en las curvas de desmagnetización (o curva de histéresis) de los imanes permanentes. Superar este punto provoca daños irreversibles en el imán, lo que reduce el rendimiento del motor.
En particular, el diseño de motores de flujo axial presenta desafíos mecánicos y térmicos especiales, por lo que es esencial un enfoque y una comprensión exhaustivos de las fuerzas electromagnéticas (EM) y los materiales.
Las fuerzas magnéticas que actúan entre el rotor y el estator requieren que se mantengan espacios de aire uniformes y de alta tolerancia entre estos dos componentes, mientras que la posición de los devanados profundos dentro del estator y entre los dos discos del rotor plantea un importante problema de refrigeración.
Comprender las propiedades de los materiales que dependen de la temperatura para estos componentes dentro de este tipo de ensamblaje de motor se convierte en una pieza importante de información en cualquier simulación precisa.
La solución multifísica de Ansys
Los ingenieros que utilizan Ansys pueden acceder con rapidez y precisión a los datos de propiedades de diversos materiales magnéticos, metálicos o poliméricos utilizados en el diseño, el análisis y la validación de un motor eléctrico. Esto es gracias al acceso nativo a Granta MI y sus datos en Maxwell, junto con el acceso a Ansys Mechanical a través de Ansys Workbench.
Esta conexión garantiza la trazabilidad completa de los datos hasta los registros de materiales, así como las fuentes de datos estadísticos y de pruebas. Además, estas informaciones se pueden exportar fácilmente desde Granta Selector.
Utilizar Ansys Multiphysics para optimizar un motor BEV no es nada nuevo. El equipo de Lucid Motors, un fabricante de vehículos electrónicos de lujo, utilizó Maxwell para diseñar y analizar motores eléctricos, actuadores, sensores, transformadores y otros dispositivos electromagnéticos y electromecánicos.
Maxwell se utilizó para determinar las pérdidas electromagnéticas en el motor. Workbench integró estas pérdidas con una simulación de Ansys Fluent para determinar las temperaturas en todo el motor (Figura 5).
Figura 5: Ansys Maxwell e Ansys Fluent podem ser usados de forma combinada para melhorar o projeto de motores.
Mediante simulación, los ingenieros de Lucid Motors aumentaron la densidad y la eficiencia energética del motor en un 12% utilizando una combinación de Maxwell, Mechanical y Fluent.
Opciones de materiales para componentes electrónicos de alta potencia
Normalmente, la electrónica de potencia de un vehículo eléctrico moderno (figura 9) comprende (1) un rectificador, (2) un conversor DC-DC, (3) un filtro de entrada y (4) un inversor. Dentro del módulo de control de la electrónica de potencia, los convertidores AC-DC, DC-DC y la corriente CC trifásica para la máquina eléctrica requiere una variedad de placas de circuito impreso (PCBs).
Figura 6: Electrónica de potencia (Renault).
Dependiendo de la cantidad de energía que se convierta, la temperatura puede aumentar y este calor debe gestionarse. Para fuentes de alta potencia, pueden ser necesarios materiales alternativos para las placas, como la cerámica o algunos laminados de PTFE.
Por lo tanto, es fundamental poder identificar, comparar y seleccionar clases de materiales de placas de circuito impreso para estas aplicaciones, basándose en el tipo de resina, el rendimiento térmico, el rendimiento en función de la frecuencia y la durabilidad.
En Ansys Granta Advanced Materials – Electromagnetics se dispone de datos de materiales de placas PCBs, incluidos laminados, con fabricante y grado, incluidos más de 5.200 registros de materiales PCB: laminados, preimpregnados y de núcleo.
Las propiedades térmicas del material pueden ayudarte a realizar simulaciones de transferencia de calor y fluidos para llegar a soluciones de gestión térmica de la electrónica.
También es posible simular campos electromagnéticos cuasiestáticos con propiedades de material dependientes de la frecuencia para obtener modelos aún más precisos para ejecutar señales de análisis de integridad.
Eficiencia energética en vehículos eléctricos: menor costo y mayor rendimiento.
Reducir el peso total de un vehículo es fundamental para los vehículos eléctricos porque un menor peso aumenta la eficiencia energética. La reducción de peso puede aplicarse a todos los componentes del powertrain, como carcasas, ejes de transmisión o el sistema eléctrico.
Buscar materiales alternativos es una táctica obvia para conseguir un menor peso. Granta Selector ofrece una forma rápida de comparar una variedad de familias de materiales con un conjunto de requisitos de ingeniería:
- Accede a cientos de miles de bases de datos de fabricantes específicos
- Elimina el material no cualificado al inicio del proyecto
- Genera fácilmente fichas de materiales para Ansys y herramientas de simulación CAD
Configuración y rendimiento de un proyecto de baterías en fase inicial
La tecnología de las baterías está en constante evolución. Granta Selector ha desarrollado una herramienta específica de diseño de baterías para ayudar a los ingenieros en las fases iniciales del diseño y en la comparación del rendimiento de los módulos y paquetes de baterías multicelulares. De este modo, es posible:
- Decidir qué células elegir.
- Determinar la configuración ideal.
- Comparar el rendimiento del módulo de batería resultante.
La herramienta Battery Designer también permite explorar rápidamente diferentes diseños de módulos de baterías multicelulares de alto nivel y la ejecución de equivalentes comparaciones de su rendimiento eléctrico y térmico.
Ansys dispone de una solución completa y perfectamente desarrollada para el modelado y la simulación de baterías que incluye la célula, el módulo, el paquete y el sistema. Las herramientas y los datos disponibles pueden optimizar la simulación resultante integrando directamente estos paquetes de simulación y propiedades precisas de los materiales.
Un análisis integrado es la mejor solución para simular la gestión térmica de las baterías y garantizar una refrigeración económica de los dispositivos y las baterías.
Normalmente, un modelo numérico robusto es la clave para comprender la propagación del escape térmico en un módulo o paquete de baterías. En Ansys Fluent, se puede utilizar un modelo de seguridad 3D completo para una célula de iones de litio con el fin de proponer configuraciones de batería que mitiguen el desbordamiento térmico, por ejemplo.
Ansys Twin Builder, por su parte, permite llevar a cabo rápidamente el modelado de sistemas de baterías con una biblioteca dedicada y potente. Esto posibilita crear un gemelo digital basado en simulación a lo largo del ciclo de vida del producto, desde el diseño hasta las operaciones y el mantenimiento de la batería.
También permite supervisar la salud y la vida útil restante de los componentes de su activo para obtener una perspectiva precisa del rendimiento del Batter Management System (BMS) a lo largo de su ciclo de vida.
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