Développer une meilleure cellule de batterie grâce à l’ingénierie basée sur la simulation

Introduction

Les batteries revêtent une importance grandissante dans notre vie quotidienne, des smartphones aux voitures électriques en passant par le stockage d’énergie de réseau à grande échelle. Face à la généralisation de l’électrification, nous allons avoir besoin de batteries de plus grande capacité, moins coûteuses, plus légères et d’une meilleure longévité, le tout en répondant à des conditions de fonctionnement et à des normes de sécurité strictes. Les entreprises qui y parviendront auront un avantage concurrentiel significatif.

Le processus de développement d’une batterie améliorée commence au niveau de la cellule. Composées d’électrodes et d’électrolytes, les cellules jouent un rôle fondamental dans les batteries. Une batterie comprend plusieurs cellules, souvent avec des éléments structurels, thermiques et de contrôle ajoutés.

La simulation permet aux ingénieurs d’améliorer la conception des cellules de batterie et de développer de nouvelles technologies dans le domaine. Dans cet article de blog, découvrez comment utiliser les workflows Battery Cell Engineering de SIMULIA sur la plate-forme 3DEXPERIENCE pour créer des systèmes de batterie haute performance.

Défis de l’ingénierie des batteries

Lors du développement d’un système de batterie, les ingénieurs doivent tenir compte de nombreuses exigences de conception. Voici quelques exemples concrets sur le marché des véhicules électriques (à noter que d’autres industries ont des besoins similaires) :

• Capacité (autonomie) : La batterie doit fournir la meilleure capacité possible pour minimiser la fréquence de recharge et prolonger la durée de vie globale de l’appareil.
• Temps de charge : Plus la batterie se recharge rapidement, plus tôt le conducteur peut reprendre la route.
• Poids : Une batterie plus légère permet une accélération plus rapide et une meilleure efficacité énergétique.
• Longévité : La batterie d’une voiture est un composant coûteux. Une meilleure longévité réduit les coûts d’entretien et augmente la valeur à la revente.
• Température : La charge et la décharge produisent une chaleur importante à l’intérieur de la batterie, ce qui nécessite de la refroidir par temps chaud et de la réchauffer par temps froid.
• Sécurité : La batterie doit résister aux contraintes et aux vibrations générées par l’utilisation et rester sûre en toutes circonstances, même en cas de collision.

Pour atteindre ces exigences de conception et trouver les meilleurs compromis, les ingénieurs doivent comprendre non seulement comment la cellule se comporte en laboratoire, mais aussi comment elle se comportera dans des conditions de fonctionnement réelles.

Les progrès récents réalisés au sein de l’industrie des batteries ont contribué à complexifier le processus de développement. Face à l’essor de l’industrie, la supply chain a également gagné en complexité avec les fournisseurs et les fabricants. Le développement de cellules de batterie, leur fabrication à grande échelle et leur intégration dans des véhicules ou des dispositifs peuvent impliquer de nombreuses parties prenantes, chacune opérant à différentes échelles, du moléculaire au système. Les fabricants historiques de cellules doivent faire face à la concurrence des start-ups. Les joint-ventures avec des industries comme l’automobile et l’énergie gagnent du terrain. Les fabricants de cellules testent de nouvelles technologies telles que les électrolytes à l’état solide et les cellules sodium-ion.

Pourquoi simuler des cellules de batterie ?

Tester sur un jumeau virtuel sans prototype

La simulation permet aux ingénieurs de relever ces défis. Grâce au jumeau virtuel, ils peuvent analyser les performances de la batterie sans prototype physique. Cette représentation numérique de la batterie comprend toutes les données pertinentes nécessaires (géométrie, propriétés de l’électrode et de l’électrolyte, interactions) et reproduit avec précision son comportement en conditions réelles.

Les jumeaux virtuels permettent de comprendre la géométrie complexe des cellules de batterie, telles que les conceptions cylindriques en couches (« jellyroll »). Les solutions Battery Cell Engineering incluses dans la plate-forme 3DEXPERIENCE permettent de concevoir la géométrie 3D des cellules de batterie et de la convertir en modèles détaillés et réalistes, prêts à être simulés. Après la simulation, vous pouvez visualiser en 3D la cellule dans les moindres détails (gestion thermique, concentration des ions, etc.).

Vous pouvez analyser le jumeau virtuel à n’importe quelle étape de développement, de la phase de conception à la fabrication du prototype physique. Cela vous permet de comparer différentes options et d’optimiser les paramètres de conception pour vous assurer que la batterie réponde bien aux exigences avant d’opter pour une conception précise. Le risque d’échec potentiel, de retouches coûteuses et de retards est minime ici.

Optimiser l’électrochimie pour des performances efficaces

Qu’il s’agisse de la charge, du stockage ou de la décharge, les performances d’une batterie sont déterminées par son électrochimie. Ce phénomène complexe multiphysique et multiphasique est défini par la structure 3D de la cellule ainsi que l’interaction entre l’électrode et l’électrolyte. L’analyse de ces éléments par le biais de tests prend du temps et les contraintes de mesure limitent naturellement les insights générés.

La solution Battery Cell Engineering fournit une théorie étendue des électrodes poreuses (PET) en 3D, basée sur le modèle de Newman, pour simuler les performances de la cellule dans des conditions réelles. Cela permet de modéliser l’électrochimie à l’intérieur de la cellule, en tenant compte de détails à l’échelle micro et macro.  Les différents aspects de la physique – structurel, thermique, électrochimique et pression interstitielle – sont étudiés ensemble. Les ingénieurs peuvent analyser des facteurs tels que le comportement de charge/décharge à différents taux de charge, dans différentes conditions mécaniques et thermiques. Étant donné que la simulation est en 3D, les utilisateurs peuvent également évaluer et prédire des comportements tridimensionnels tels que l’épaisseur, la déformation et les contraintes causées par la dilatation.

Garantir la sécurité en conditions réelles

Les cellules de batterie sont conçues pour stocker des densités d’énergie élevées de manière portable, par exemple à l’intérieur d’un smartphone ou d’une voiture électrique. Elles sont donc testées dans de nombreux scénarios difficiles voire dangereux comme la chaleur et le froid extrêmes, la déformation, les impacts et la pénétration. Les cellules de batterie doivent être capables de résister. Mais si elles tombent en panne, la sécurité doit tout de même être garantie.

La simulation permet de reproduire des scénarios dangereux du monde réel dans un environnement virtuel sûr. Pénétration d’un clou, accident de voiture, emballement thermique… Vous pouvez tester des scénarios sans les coûts et les risques que cela aurait impliqué de fabriquer et de détruire un prototype physique.

Faire des batteries un meilleur investissement avec une longévité et une fiabilité optimales

Le vieillissement d’une batterie est dû au temps (vieillissement calendaire) et à une utilisation répétée (vieillissement cyclique). Le vieillissement calendaire se produit, par exemple, lorsqu’une batterie est stockée hors d’usage, tandis que le vieillissement cyclique est le résultat de la charge et de la décharge récurrentes de la batterie. Le coût de la batterie a un impact considérable sur le coût des véhicules électriques. Le vieillissement de la batterie explique en grande partie leur dépréciation rapide et l’augmentation du coût de possession. C’est en améliorant la longévité des cellules de batterie que les véhicules électriques deviendront un investissement plus attrayant pour les conducteurs et les gestionnaires de flotte.

Les solutions Battery Cell Engineering, disponibles sur la plate-forme 3DEXPERIENCE, proposent des workflows complets pour simuler ces processus de vieillissement. Elles permettent de modéliser divers mécanismes de vieillissement de la batterie, tels que la formation et la croissance d’un film SEI, le placage au lithium et la dissolution de la cathode. En analysant ces effets, les ingénieurs peuvent optimiser la durée de vie de la batterie et produire des batteries plus fiables conformément aux attentes des clients.

Repousser les limites de la science des batteries pour optimiser la chimie des cellules 

La solution Battery Cell Engineering disponible sur la plate-forme 3DEXPERIENCE combine les workflows de simulation multi-physique de SIMULIA avec les fonctionnalités clés de BIOVIA pour l’ingénierie des matériaux et des procédés et de CATIA pour la conception et la modélisation. Combinées, ces fonctionnalités aident les ingénieurs en batteries à concevoir, analyser, optimiser et approuver des cellules de batterie à l’aide de jumeaux virtuels 3D.

L’ensemble du processus se déroule dans un seul et même environnement, la plate-forme 3DEXPERIENCE, qui fournit une source unique de données pour toutes les données d’ingénierie des cellules de batterie. Concepteurs, analystes et autres parties prenantes peuvent partager des informations et collaborer de manière fiable et sécurisée. La modélisation et la simulation unifiées (MODSIM) permettent d’améliorer le processus d’analyse afin d’identifier d’éventuelles pistes d’amélioration et d’optimiser la conception de cellules en amont, garantissant ainsi un cycle de conception optimal, à la fois plus cohérent et plus rapide.

Particulièrement détaillée, la modélisation 3D de Newman dans les outils Battery Cell Engineering disponibles sur la plate-forme 3DEXPERIENCE est essentielle pour créer des simulations réalistes du comportement thermique et électrochimique de la cellule. Ces simulations fournissent des prédictions optimales sur les performances et l’âge de la cellule, y compris sur les impacts de son utilisation dans différentes conditions. Les simulations microstructurales permettent d’analyser de manière approfondie les caractéristiques des matériaux à l’intérieur des électrodes. Par ailleurs, les ingénieurs peuvent utiliser la simulation mécanique pour tester le comportement d’une cellule dans différents scénarios (contraintes thermiques, indentation mécanique, pénétration d’un clou…) et ainsi garantir la sécurité optimale de la cellule tout au long de sa vie.

Conclusion

Montres intelligentes, smartphones, véhicules électriques, stockage d’énergie de réseau… Quel que soit le système, petit ou grand, la performance d’une batterie est essentielle pour garantir son succès. La performance dépend de l’électrochimie et des interactions multiphysiques à l’intérieur de la cellule de batterie. Le développement d’une batterie efficace, sûre et compétitive nécessite de comprendre le comportement tridimensionnel complexe de la cellule.

Dassault Systèmes fournit une solution complète, disponible sur la plate-forme 3DEXPERIENCE, intitulée Battery Cell Engineering. Cette solution intègre les meilleurs outils de conception et de simulation dans un seul et même workflow. Grâce à ces outils, les concepteurs de batteries peuvent analyser les performances des batteries avec précision sans avoir à fabriquer des prototypes physiques.

En utilisant les solutions Battery Cell Engineering, offertes par la plate-forme 3DEXPERIENCE, les fabricants de cellules de batterie favorisent la collaboration entre toutes les parties prenantes et améliore l’analyse dans le cadre du cycle de développement. Les problèmes potentiels de sécurité et d’efficacité peuvent être résolus rapidement sans nécessiter de refontes majeures qui auraient entraîné des retards et des coûts supplémentaires. Grâce à la simulation, les fabricants de cellules de batterie peuvent développer des produits à la fois innovants et compétitifs tout en réduisant les coûts de R&D et les délais de mise sur le marché.

Pour en savoir plus, consultez nos webinaires à la demande :

https://events.3ds.com/battery-cell-engineering-faster-modsim
https://events.3ds.com/future-aircraft-development-modsim