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La simulation multiphysique dans le développement des batteries

La magie de l'e-Ride

KTM est l'un des plus grands constructeurs de motos en Europe. Sa mission est de continuer à repousser les limites de la performance et de l'innovation, et d'établir de nouvelles normes. La simulation à l'aide d'Ansys et de CADFEM joue un rôle majeur dans toutes les phases du développement et crée de nouveaux défis dans le nouveau segment des motos électriques.

La simulation fait partie de l'ADN de KTM

De nombreux facteurs d'influence entrent en jeu dans le processus de conception d'une moto. La recherche et le développement de KTM sont donc fortement axés sur la simulation. Ceci est garanti par une équipe de simulation interdisciplinaire avec une expertise dans un large éventail de domaines comme la mécanique structurelle et les composites, ainsi que l'aéro et la thermodynamique. Ce large éventail d'expertise rend KTM indépendant et lui permet de relever de nouveaux défis avec une grande efficacité.

En raison des nouveaux défis et des exigences techniques, le département de simulation de KTM est en croissance constante et a accès à tous les outils logiciels Ansys grâce à une licence Ansys Corporate License. En outre, les propres ressources de calcul haute performance de l'entreprise, telles qu'un cluster HPC, offrent toutes les conditions technologiques préalables au développement virtuel hautement professionnel de produits selon les normes actuelles.

Enfin, le partenariat de longue date avec CADFEM est également un facteur de réussite lors de la mise en œuvre et de l'utilisation de la simulation. Il va bien au-delà de l'acquisition de logiciels et de matériel. Outre les formations continues, il comprend également une assistance téléphonique, des échanges professionnels fréquents et le soutien lors de tâches de simulation particulièrement délicates ou lors d'innovations.

À propos de KTM

Avec beaucoup de passion, KTM construit des motos qui dominent leurs catégories respectives. KTM estime que les faits et chiffres impressionnants dont l'entreprise peut se vanter sont le résultat d'un travail acharné. C'est le témoignage de son succès - et non la raison d'être de l'entreprise. www.KTM.com

La mission de KTM est de s'imposer dans le domaine de l'e-mobilité.

Plus qu'une tendance : l'e-mobilité sur 2 roues

La demande de motos à propulsion électrique est en hausse. La mission de KTM est de s'imposer dans le domaine de l'e-mobilité et de poursuivre sa croissance. Il s'agit notamment d'atteindre des performances de pointe et d'offrir aux clients la meilleure expérience technique et émotionnelle possible - sans les émissions et le bruit d'un moteur à combustion. Ce sont des facteurs décisifs pour un haut niveau d'acceptation, tant en milieu urbain que tout-terrain.

En se lançant dans le domaine de l'e-mobilité, KTM a pu s'appuyer sur sa propre expertise en matière de développement de motos, car elle sait ce qui compte lorsqu'il s'agit de la construction de châssis et de suspensions, ou plus généralement de la conception de processus de développement efficaces. Il s'agissait maintenant de trouver la meilleure façon de relever les nouveaux défis, qui sont essentiellement la conception et le développement du moteur électrique et de la batterie de traction.

Inspiré par le record du monde

Lorsqu'il s'agit de batteries, la gestion thermique est la question centrale. L'objectif du projet présenté ici était de mettre en œuvre un workflow de simulation (c'est-à-dire évolutif pour différents modèles) qui permet la conception, la validation et l'optimisation virtuelles de la batterie de traction.

L'équipe s'est inspirée de la collaboration entre Volkswagen et Ansys lors de la course de côte de Pike's Peak 2018, qui s'est soldée par une performance record de la Volkswagen ID.R utilisant un modèle de simulation multi-physique basé sur Ansys pour son bloc-batterie. Le contexte technique de cette performance a été présenté lors de la conférence CADFEM Ansys Simulation 2019.

Batterie de traction : Ne peut être représentée que comme un système couplé

La maîtrise des outils de simulation Ansys par l'équipe de simulation de KTM a facilité les premières étapes. Cependant, les outils Ansys tels que Workbench, Mechanical et Fluent, bien que précédemment utilisés pour un large éventail de tâches de simulation, étaient surtout utilisés séparément.

Dans le cas de la batterie de traction, ces approches singulières n'étaient pas suffisantes. Un système de simulation couplé de différents modèles était nécessaire car c'était le seul moyen de représenter de manière réaliste les interactions importantes entre les phénomènes physiques du monde réel.

Néanmoins, des simulations séparées thermiques ou CFD sont suffisantes pour les premières étapes du pré-développement, c'est-à-dire les évaluations initiales du concept, les estimations approximatives et les comparaisons relatives de diverses conceptions. Cependant, afin d'atteindre les objectifs de la conception optimale d'une batterie, tels que

  • éviter les points chauds thermiques,
  • optimiser la distribution de la température,
  • déterminer la meilleure constellation pour une charge rapide efficace,

un modèle de simulation beaucoup plus complexe (à savoir "multi-physique") est nécessaire. Il doit être capable de prédire les températures dans la batterie dans son ensemble dans des conditions d'utilisation réalistes.

Simulation de systèmes avec Ansys Twin Builder

Avec le soutien des experts en multiphysique de CADFEM, l'équipe KTM a développé avec succès un workflow de simulation dans Ansys Tools. Ansys Twin Builder a été choisi comme plate-forme pour la simulation du système. 

En termes simples, le modèle multiphysique global pour le bloc-batterie se compose de trois sous-modules, qui sont couplés au niveau du système et échangent des données d'entrée et de sortie pendant le calcul :

  • Un modèle électrique est utilisé pour modéliser la génération thermique dans chaque cellule en fonction de la température de la cellule et de l'état de charge.
  • Les valeurs résultantes sont introduites dans un modèle thermique compact (dérivé de modèles FEM 3D) qui calcule la distribution de la température à l'intérieur de la batterie.
  • Le troisième sous-module est basé sur les résultats d'une analyse CFD pour déterminer la dissipation thermique due à la convection et au rayonnement du boîtier de la batterie.

Le modèle thermique par éléments finis a été initialement créé avec son maillage dans Ansys Mechanical. Cependant, le temps de calcul pour une simulation transitoire est généralement élevé en raison du grand nombre de degrés de liberté et des longues charges transitoires. Pour réduire significativement le temps de simulation et ainsi permettre le couplage avec d'autres modèles au niveau du système, l'équipe a appliqué l'extension Ansys de CADFEM "Model Reduction inside Ansys".

Modèle réduit pour un calcul radicalement accéléré

Cet outil spécial permet l'extraction d'un modèle d'ordre réduit (ROM) d'Ansys Mechanical avec beaucoup moins de degrés de liberté, accélérant considérablement la solution avec une perte de précision négligeable. Le ROM du pack de batteries a été vérifié à l'aide d'une simulation transitoire d'un modèle 3D complet afin de contrôler la précision et de déterminer les paramètres optimaux pour la réduction de l'ordre du modèle dans l'extension CADFEM.

Le modèle électrique est basé sur un modèle de circuit équivalent (ECM), qui peut être utilisé pour calculer les performances électriques et les pertes des cellules lithium-ion en fonction de l'état de charge et de la température. Pour utiliser l'ECM, ses paramètres doivent d'abord être identifiés pour la cellule demandée. Pour ce faire, on effectue généralement une série de tests expérimentaux avec la cellule de la batterie dans une plage de températures correspondant au modèle souhaité et on mesure la réponse en tension.

Les paramètres requis pour les composants du circuit peuvent alors être extraits des données d'essai et permettent de modéliser le comportement instantané et dynamique de la cellule.

KTM et CADFEM

KTM et CADFEM ont un partenariat de très longue date.

La coopération et l'utilisation des simulations Ansys ont été établies dans l'équipe de R&D il y a plus de 10 ans. En plus de l'acquisition de logiciels et de matériel, KTM compte également sur CADFEM pour la formation et le support, ce qui inclut de fréquents échanges professionnels entre les experts en simulation de KTM et de CADFEM ainsi que des projets communs.

Décision bien fondée: Battery Wizard Toolkit

Le département Recherche et Développement de KTM dispose du matériel et des installations nécessaires pour effectuer les tests cellulaires requis en interne. Il a ainsi été possible de créer une base de données de cellules regroupant toutes les options envisagées pour un projet donné. Les données de test mesurées pendant les décharges pulsées à différentes températures sont ensuite importées dans l'outil Battery Wizard d'Ansys Twin Builder, qui génère automatiquement les tables de consultation de l'ECM pour chaque cellule.

Ce dernier permet de passer rapidement d'une cellule à l'autre dans le modèle du système et aide l'équipe de conception à prendre des décisions. En outre, une fois que les tables ECM sont créées pour une seule cellule, l'assistant peut configurer un modèle électrique pour le module de batterie en connectant les ECM des cellules en parallèle et en série selon la spécification du pack. Ce module ECM est ensuite mis en œuvre et couplé dans la simulation finale du système Twin Builder. Les capacités de script Python sous-jacentes de Twin Builder ont fourni une méthode efficace pour coupler les modèles aux sorties appropriées.

En outre, le modèle couplé, qui combine les avantages des simulations séparées, a été validé de manière itérative. Ce processus comprenait la mise en correspondance avec des mesures de courant constant et de décharge dynamique. Les différentes étapes allaient des validations de la tension de sortie de l'ECM pour une seule cellule à la tension et à la température prédites de la batterie entière. Pour une seule cellule, la tension de sortie prédite présentait une erreur de moins de 20 mV. Pour le modèle de l'ensemble de la batterie, un écart de température de moins de 2°C a été obtenu pour certains cycles de conduite par rapport aux températures mesurées des cellules.

Même pour les modèles les plus complexes et les plus grands, le calcul des cycles de conduite d'une heure est résolu proche du temps réel.

Prévision fiable de divers scénarios

Une fois entièrement mis en œuvre dans Twin Builder, le modèle électrothermique du bloc-batterie peut simuler des cycles de conduite réels et prévoir des données de sortie telles que les températures de pointe, la distribution de la température et le transfert de chaleur. Même pour les modèles les plus complexes et les plus grands, le calcul de cycles d'entraînement d'une heure est résolu proche du temps réel, tandis que les modèles plus simples sont réalisés en quelques minutes. Grâce à la batterie virtuelle, les problèmes potentiels et les questions de conception peuvent être identifiés et éliminés très tôt.

Le modèle a été utilisé pour calculer les cas de charge spécifiés pour l'évaluation du concept, tels que

  • les cycles de conduite à partir de mesures réelles
  • les spécifications normalisées comme le WMTC (World Motorcycle Test Cycle)
  • la charge CC-CV

En raison de la précision des valeurs absolues prédites, le modèle facilite le processus de prise de décision concernant les questions de conception importantes. L'une d'entre elles est le refroidissement par air du bloc-batterie, pour lequel le modèle virtuel est utilisé pour évaluer les compromis entre différents concepts de géométrie du logement du bloc-batterie ainsi que la conception du carénage de la moto.

Cela a permis d'optimiser le refroidissement global pour obtenir la meilleure efficacité.  Néanmoins, des prototypes physiques du pack batterie ont été construits à des étapes clés pour les tests de validation et pour répondre aux exigences de sécurité. L'existence d'un modèle virtuel de batterie haute-fidélité a permis à l'équipe de développement de KTM de réduire de manière significative le temps et les coûts des tests physiques des packs de batteries dans le processus de conception.

KTM FORSCHUNGS UND
ENTWICKLUNGS GMBH

David Singer
www.ktm.com

Auteurs: David Singer (KTM F&E), Lucas Kostetzer (CADFEM Germany GmbH)
Images: © KTM F&E
Publié : Juin 2022

Contact CADFEM

Lucas De Andrade Kostetzer