Sostenibilità e prestazioni: come la simulazione sta plasmando il futuro delle batterie

L'economia globale sta rapidamente passando all'elettricità portatile e immagazzinabile, influenzando i principali settori tecnologici, in particolare l'elettronica, l'energia pulita e la mobilità/trasporti. Il mercato dei veicoli elettrici (EV), in particolare, ha registrato un aumento significativo delle vendite nell'ultimo decennio.

Figura 1 - Evoluzione temporale della domanda annuale di batterie per applicazione.

Secondo un rapporto dell'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA), la flotta globale di veicoli elettrici crescerà di otto volte entro il 2030. Inoltre, secondo BloombergNEF, entro il 2040 più della metà di tutte le vendite di veicoli saranno elettriche.

Tuttavia, la transizione verso un futuro a basse emissioni di carbonio non significa che i produttori siano disposti a comprometterne l'efficienza; infatti, le batterie devono offrire perlomeno le stesse prestazioni – o addirittura superiori – rispetto a quelle a cui sono soliti produrre. Soddisfare questa aspettativa può essere una sfida significativa.

Le principali sfide

1. Certificazione e conformità alle norme
   I produttori di veicoli elettrici e di batterie devono rispettare rigorosi standard di certificazione e regolamentazione, che garantiscono sicurezza, prestazioni e compatibilità ambientale. Assicurarsi che un prodotto soddisfi questi criteri può essere un processo lungo e costoso, richiedendo test approfonditi e validazioni.
2. Sicurezza
   La sicurezza delle batterie è una delle sfide più grandi, soprattutto per quanto riguarda problemi come il surriscaldamento, i cortocircuiti e i guasti termici. Garantire che le batterie funzionino in condizioni di sicurezza in tutte le situazioni di utilizzo, è essenziale per proteggere gli utenti ed evitare ulteriori costi.
3. Costi di sviluppo
   Le batterie rappresentano tra il 30% e il 40% del costo totale di un veicolo elettrico e qualsiasi difetto o inefficienza nel design può aumentare ulteriormente questi costi. Inoltre, la necessità di prototipi fisici per la validazione del progetto può rendere il processo di sviluppo ancora più oneroso.
4. Tempi di sviluppo
   La domanda di nuovi modelli sul mercato impone una pressione costante sui produttori. Ridurre i tempi di sviluppo senza compromettere la qualità e l'affidabilità delle batterie è una sfida importante.
5. Efficienza e prestazioni
   I consumatori si aspettano che le batterie dei veicoli elettrici offrano un'autonomia pari o superiore a quella dei veicoli a combustione, con tempi di ricarica ridotti e una maggiore durata. Tuttavia, ottimizzare questi parametri richiede un delicato equilibrio tra design, materiali e gestione termica.

Superare le sfide con la simulazione

Ansys, leader globale nelle soluzioni di simulazione multifisica, offre strumenti avanzati che aiutano a superare queste sfide, consentendo ai produttori di sviluppare batterie e sistemi di gestione dell'energia (BMS - Battery Management System) in modo più efficiente e affidabile.

Certificazione e Conformità

La simulazione computazionale consente alle aziende di eseguire analisi dettagliate per conformarsi agli standard globali di sicurezza, riducendo il rischio di non conformità e accelerando il processo di certificazione. Ad esempio, è possibile simulare scenari di impatto meccanico, vibrazione e shock termico, che sono requisiti obbligatori in normative come UN 38.3. Queste analisi permettono di prevedere come la batteria risponderà a situazioni estreme, eliminando la necessità di costosi prototipi per ogni scenario.

Figura 2 – Analisi modale e Random Vibration

Simulazione Termica e di Sicurezza

Con lo strumento Ansys Fluent, è possibile prevedere il comportamento termico delle batterie in diverse condizioni operative. La simulazione consente di anticipare e mitigare eventi di runaway termico che potrebbero portare a incendi o esplosioni, oltre a ottimizzare il design dei sistemi di gestione termica (come piastre di raffreddamento o materiali per la dissipazione del calore). In questo modo, è possibile identificare potenziali guasti prima ancora di costruire prototipi fisici, migliorando la sicurezza e riducendo i costi di sviluppo.

Figura 3 – Runaway termico di una cella di batteria

Riduzione dei costi e dei tempi di sviluppo

La simulazione consente la creazione di analisi parametriche che regolano  le variabili di progetto (come dimensioni delle celle, materiali e layout) per trovare la configurazione ottimale. È possibile integrare analisi termiche, strutturali, elettrochimiche e fluidodinamiche in un unico ambiente. Questo permette di prevedere il comportamento complessivo della batteria, riducendo drasticamente la necessità di prototipi fisici e consentendo ai produttori di testare e convalidare virtualmente diversi design. Ciò consente di risparmiare tempo, ridurre i costi e accelerare l'immissione del prodotto sul mercato.

Figura 4 – Valutazione della distribuzione della temperatura nella fase di prototipazione digitale

Ottimizzazione delle Prestazioni

Grazie alla creazione di circuiti equivalenti (ECM) e all’utilizzo di strumenti di simulazione, disponibili sulla piattaforma Ansys, i produttori possono prevedere e ottimizzare le prestazioni durante la carica e la scarica delle batterie, valutandone l’autonomia e catturandone il comportamento non lineare e dinamico, per creare prodotti che soddisfano o superano le aspettative dei consumatori.

Figura 5 - Ottimizzazione di un sistema di batterie utilizzando capacità di simulazione multifisica

Superare le sfide nello sviluppo di prodotti sostenibili sta diventando sempre più rilevante, soprattutto nel settore automobilistico e aeronautico. La Formula 1, ad esempio, è sempre stata un banco di prova per tecnologie avanzate e, con l'aumento significativo dei veicoli elettrici sul mercato, ha creato la Formula E, la sua versione elettrica. Seguendo questo esempio, Jeff Zaltman, CEO di Air Race Events, ha lanciato la Air Race E, una competizione di aerei 100% elettrici con l'obiettivo di accelerare la transizione sostenibile nel settore dell'aviazione.

Ansys, in qualità di partner ufficiale di Air Race E, svolge un ruolo fondamentale in questo processo, fornendo una gamma completa di strumenti di simulazione multifisica. Questi strumenti aiutano i team ad affrontare sfide tecniche complesse, come lo sviluppo di sistemi di batterie, sistemi elettronici integrati, motori elettrici e l'integrazione del powertrain elettrificato nella struttura degli aeromobili. Per alcune squadre, ciò significa progettare l'aereo da zero, mentre altre si concentrano sull'integrazione dei sistemi elettrici in modelli già esistenti.

Figura 6 - Sinistra: Distribuzione dell'aria attraverso il modulo batteria. Destra: Distribuzione statica della temperatura in un singolo modulo batteria. Immagine per gentile concessione di Nordic Air Racing

Fornendo software, formazione e consulenza, Ansys sta contribuendo ad accelerare l'avanzamento dell'elettrificazione nel settore dell'aviazione, consentendo ai team di superare ostacoli tecnici e raggiungere maggiore efficienza e sostenibilità nelle competizioni. Il lavoro di Ansys è fondamentale per trasformare l'aviazione elettrica in una realtà, proprio come è già avvenuto nel settore automobilistico.

In sintesi, la transizione globale verso un futuro più sostenibile, con un focus sull'elettrificazione e sull'adozione di tecnologie pulite, sta diventando sempre più evidente, soprattutto nel settore della mobilità e del trasporto. Il mercato dei veicoli elettrici, trainato dalla crescente domanda di alternative ecologiche, sta crescendo esponenzialmente e continuerà a prosperare nei prossimi decenni. Tuttavia, questo progresso comporta una serie di sfide tecniche e finanziarie, in particolare per quanto riguarda lo sviluppo di batterie ad alte prestazioni, sicure e accessibili.

In questo scenario, le soluzioni di simulazione multifisica, come quelle offerte da ESSS e Ansys, rappresentano un fattore chiave di differenziazione. Consentendo la modellazione virtuale dettagliata dei sistemi di batterie, la simulazione aiuta ad anticipare e mitigare i guasti prima della prototipazione fisica, riducendo significativamente il numero di prototipi necessari e i costi associati. Inoltre, la simulazione può essere utilizzata per ottimizzare le prestazioni delle batterie, offrendo una comprensione più approfondita dei fattori termici, strutturali ed elettrochimici, essenziali per garantire efficienza e sicurezza.