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.
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.
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.
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.
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
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.