Gli ingegneri sono in prima linea nell'espansione tecnologica dell'elettrificazione e i materiali si stanno evolvendo rapidamente per rendere possibile questa rivoluzione. Trovare materiali con proprietà termiche, strutturali ed elettromagnetiche ideali è una parte fondamentale di questo puzzle.
Nel caso dei veicoli elettrici a batteria (Battery Electric Vehicles – BEV), l’adozione su larga scala richiede una riduzione del costo delle celle dagli attuali 100 USD/kWh a 76 USD/kWh. Considerando che il 75% del costo di una cella è determinato dal materiale, diventano sempre più cruciali gli strumenti per individuare, selezionare e gestire il materiale giusto (Figura 1).
Figura 1: Il 75% del costo delle batterie è determinato dai materiali.
Molti produttori e fornitori necessitano di dati sui materiali, rendendo i sistemi di gestione delle informazioni, come Ansys Granta MI, fondamentali per il business.
Analizzando nel dettaglio i costi del powertrain nei veicoli elettrici, il sistema batteria – comprese celle, cablaggi e struttura – rappresenta l’80% del costo di produzione, mentre il restante 20% è attribuibile all’e-Axle e ai sistemi ausiliari ad alta tensione (Figura 2).
Figura 2 (grafico): Costo di produzione di un powertrain per veicoli elettrici.
Selezionando, confrontando e gestendo i materiali associati a ciascuno di questi componenti, i produttori originali di apparecchiature (OEM) e i fornitori possono affrontare le sfide termiche, strutturali, elettromagnetiche e di peso, differenziando così la loro offerta di veicoli elettrici sul mercato.
Anche nel settore aerospaziale si stanno verificando cambiamenti verso l’elettrificazione. In questo ambito, gli ingegneri hanno l'obiettivo di trovare un equilibrio tra fonti di energia potenziali con densità energetiche adeguate e il loro peso, costo e durata, cercando al contempo di massimizzare la sostenibilità del design.
Continuano a emergere progetti volti a sviluppare nuove conoscenze sui sistemi energetici per gli aeromobili: il progetto Accel, che coinvolge Rolls-Royce ed Electroflight, tra gli altri, ha con successo infranto il record di velocità nel 2021. La scelta del materiale giusto è stata una tappa fondamentale in questo percorso.
Ciò che è chiaro è che le sfide sono complesse e richiedono sempre più un approccio multifisico per trovare le soluzioni migliori nell'elettrificazione del powertrain.
Per illustrare l’impatto che i materiali possono avere sul progetto, nella figura 3 sono mostrati i principali componenti di un powertrain.
Diverse soluzioni e strumenti di Ansys Granta possono essere utilizzati per supportare gli ingegneri nell’affrontare le sfide sopra descritte. Queste soluzioni vengono quindi applicate a livello multifisico con gli strumenti Ansys più adatti a ciascun progetto.
Nonostante rappresenti una parte relativamente piccola del costo totale del powertrain di un veicolo BEV, un motore elettrico adeguato è fondamentale per le prestazioni e l’efficienza — generando un enorme vantaggio competitivo sul mercato.
Figura 4: Esempio di un motore elettrico.
Una sfida che molti ingegneri affrontano nella progettazione dei motori è il calore. In particolare, temperature elevate possono ridurre il “knee point” nelle curve di smagnetizzazione (o curva di isteresi) dei magneti permanenti. Superare questo punto provoca danni irreversibili al magnete, causando una riduzione delle prestazioni del motore.
Il progetto del motore a flusso assiale, in particolare, presenta sfide meccaniche e termiche specifiche, rendendo essenziale un approccio completo e una buona comprensione delle forze elettromagnetiche (EM) e dei materiali.
Le forze magnetiche che agiscono tra il rotore e lo statore richiedono il mantenimento di intervalli d’aria critici, uniformi e con tolleranze molto strette tra questi due componenti, mentre il posizionamento degli avvolgimenti all’interno dello statore e tra i due dischi del rotore rappresenta una sfida significativa per il raffreddamento.
Comprendere le proprietà dei materiali dipendenti dalla temperatura per questi componenti all’interno di questo tipo di configurazione del motore diventa un’informazione fondamentale in qualsiasi simulazione accurata.
Gli ingegneri che utilizzano Ansys possono accedere rapidamente e con precisione ai dati delle proprietà di una vasta gamma di materiali magnetici, metallici o polimerici impiegati nella progettazione, analisi e validazione di un motore elettrico. Questo è possibile grazie all’accesso nativo a Granta MI e ai suoi dati integrati in Maxwell, insieme all’accesso ad Ansys Mechanical™ tramite Ansys Workbench™.
Questa connessione garantisce una completa tracciabilità dei dati fino ai registri dei materiali, includendo fonti di dati statistici e test. Queste informazioni possono inoltre essere facilmente esportate da Granta Selector.
Utilizzare Ansys Multiphysics per ottimizzare un motore BEV non è una novità. Il team di Lucid Motors ha impiegato Ansys Maxwell® per la progettazione e l’analisi di motori elettrici, attuatori, sensori, trasformatori e altri dispositivi elettromagnetici ed elettromeccanici.
Maxwell è stato utilizzato per determinare le perdite elettromagnetiche nel motore. Workbench ha integrato queste perdite con una simulazione Ansys Fluent® per calcolare le temperature in tutto il motore (Figura 5).
Figura 5: Ansys Maxwell e Ansys Fluent possono essere utilizzati in combinazione
per migliorare la progettazione dei motori.
Utilizzando la simulazione, gli ingegneri di Lucid Motors hanno aumentato la densità di potenza e l’efficienza energetica del motore del 12%, grazie a una combinazione di Maxwell, Mechanical e Fluent.
Normalmente, l’elettronica di potenza di un veicolo elettrico moderno (Figura 6) comprende (1) un raddrizzatore, (2) un convertitore DC-DC, (3) un filtro di ingresso e (4) un inverter. All’interno del modulo di controllo dell’elettronica di potenza, la conversione da AC a DC, da DC a DC e da corrente DC a trifase per la macchina elettrica richiede una varietà di circuiti stampati (PCB).
Figura 6: Elettronica di potenza (Renault).
A seconda della quantità di energia che viene convertita, la temperatura può aumentare e questo calore deve essere gestito. Per sorgenti ad alta potenza, potrebbero essere necessari materiali alternativi per le schede, come la ceramica o alcuni laminati in PTFE.
Diventa quindi fondamentale identificare, confrontare e selezionare le classi di materiali per queste applicazioni, basandosi sul tipo di resina, prestazioni termiche, comportamento dipendente dalla frequenza e durabilità.
I dati sui materiali per schede PCB, inclusi laminati, con informazioni su produttore e classe, sono disponibili in Ansys Granta Advanced Materials — Electromagnetics, che comprende oltre 5.200 registrazioni per materiali PCB — laminati, pre-impregnati e core.
Le proprietà termiche dei materiali possono aiutarti a eseguire simulazioni di trasferimento di calore e fluidodinamica per sviluppare soluzioni di gestione termica per l’elettronica.
Vi è inoltre la possibilità di simulare campi elettromagnetici quasi statici con proprietà dei materiali dipendenti dalla frequenza per ottenere modelli ancora più precisi, utili per analisi di integrità del segnale.
Ridurre il peso totale di un veicolo è fondamentale per i veicoli elettrici, poiché un peso inferiore aumenta l’efficienza energetica. La riduzione del peso può essere applicata a tutti i componenti del powertrain, come le carcasse, gli assi di trasmissione o quelli elettrici.
La ricerca di materiali alternativi è una strategia ovvia per ottenere un peso più leggero. Granta Selector offre un modo rapido per confrontare una varietà di famiglie di materiali in base a un insieme di requisiti ingegneristici:
La tecnologia delle batterie è in continuo sviluppo. Granta Selector ha sviluppato uno strumento specifico per il design delle batterie, pensato per supportare gli ingegneri nelle fasi iniziali di progetto e nel confronto delle prestazioni di moduli e pacchetti di batterie multicella. Questo permette di:
Lo strumento Battery Designer consente anche di esplorare rapidamente diversi progetti di moduli di batterie multicella di alto livello e di eseguire confronti equivalenti delle loro prestazioni elettriche e termiche.
Ansys offre una soluzione completa e ben sviluppata per la modellazione e la simulazione delle batterie, che include cella, modulo, pacchetto e sistema. Gli strumenti e i dati disponibili possono ottimizzare la simulazione risultante integrando direttamente questi pacchetti di simulazione con proprietà materiali precise.
Un’analisi integrata è la soluzione migliore per la simulazione della gestione termica delle batterie, garantendo un raffreddamento efficiente ed economico di dispositivi e batterie.
Generalmente, un modello numerico robusto è la chiave per comprendere la propagazione del thermal runaway (fuga termica) in un modulo o pacchetto di batterie. In Ansys Fluent, un modello di sicurezza 3D completo per una cella agli ioni di litio può essere usato, per esempio, per proporre configurazioni di batterie atte a mitigare la fuga termica.
Inoltre, Ansys Twin Builder® permette di modellare rapidamente il sistema batteria grazie a una libreria dedicata e potente. Questo consente di creare un gemello digitale basato sulla simulazione per l’intero ciclo di vita del prodotto, dal progetto alle operazioni e alla manutenzione della batteria.
Consente inoltre di monitorare lo stato di salute e la vita residua dei componenti nel tuo asset, fornendo una visione accurata delle prestazioni del Battery Management System (BMS) durante tutto il suo ciclo di vita.
Se sviluppi progetti nei settori dell’elettrificazione, puoi contare sul supporto dei nostri esperti per garantire il miglior utilizzo dei materiali e l’efficienza energetica.