Não é novidade que a cada dia os combustíveis fósseis estão mais perto do fim, e que precisamos fazer algo para reduzir as emissões de CO2. Nessa linha o carro elétrico sempre foi uma grande alternativa da indústria automotiva para alcançar esse objetivo, mas como conseguir produzir mais veículos a resposta está nas baterias, como explicaremos a seguir.
Desafios do projeto da bateria
As baterias em veículos elétricos apresentam uma variedade de desafios de projeto para os engenheiros, mas um dos principais desafios com os quais os projetistas lidam são as vibrações que essas baterias experimentam. Em muitos casos, o peso das baterias pode ser 30% do peso do veículo. Por exemplo, o peso total de um Tesla Model S é de cerca de 4.300 libras, e a bateria sozinha representa 1.200 libras do peso do veículo. A equação do movimento indica que grandes contribuições de massa acabarão por aumentar as forças incorridas em um objeto. Portanto, as vibrações são fundamentais no projeto de veículos elétricos, e os projetistas devem levar em consideração as vibrações para um projeto de bateria eficaz.
Como resultado, vários padrões de vibração independentes foram implementados para que os fabricantes possam testar seus sistemas de bateria para veículos elétricos: ISO-6750, SAE-J2380, SAE-J2464, IEC-62660-2 e UN 38.3, para citar alguns. Cada um desses padrões fornece perfis de vibração e excitações atribuídas que são derivadas de dados de medição de estradas. Esses perfis de vibração podem ser utilizados em testes físicos ou virtuais para determinar se há algum tipo de falha potencial para a bateria.
Teste atual da bateria do veículo elétrico
Atualmente, o teste de vibração é realizado por meio de testes físicos e virtuais. Os testes físicos utilizam mesas agitadoras onde as baterias são colocadas no topo e um perfil de vibração de um dos padrões de vibração é aplicado. A mesa então moverá a bateria em uma direção x, y ou z especificada. As baterias terão essa excitação aplicada por um período de tempo especificado para verificar se ocorre algum tipo de falha.
O desafio dos testes físicos é que os fabricantes de veículos elétricos precisam ter um protótipo de bateria para realizar os testes. Se as baterias falharem durante o teste físico, os engenheiros terão que voltar e redesenhar a bateria e depois testar novamente, o que acaba atrasando o tempo de lançamento no mercado. Para eliminar esse atraso no tempo de lançamento no mercado, o teste virtual é utilizado porque permite que os engenheiros entendam as falhas do projeto sem precisar construir um protótipo físico.
Testes virtuais podem ser conduzidos de várias maneiras, mas uma das mais comuns é a modelagem de elementos finitos. A modelagem de elementos finitos é uma técnica numérica onde montagens e peças são discretizadas em pequenos elementos, e condições físicas de contorno são prescritas nesses elementos. Isso significa que os engenheiros podem modelar baterias sem precisar construir um protótipo físico e testar todas as condições que ocorreriam durante um cenário de teste físico.
O desafio de executar um cenário de vibração de elementos finitos para baterias é que as baterias típicas contêm centenas de componentes que aumentarão a contagem de elementos finitos. Uma contagem de elementos finitos muito grande significa mais equações para resolver e, portanto, um maior tempo de espera pelos resultados. Os projetistas que executam uma análise de vibração usando a modelagem tradicional de elementos finitos podem executar cenários por várias horas ou até dias antes de obter resultados. Como resultado, o teste virtual da bateria pode ser atrasado por esses longos tempos de resolução.
Resolvendo Cenários de Elementos Finitos de Vibração em uma Fração do Tempo
O Altair SimSolid tornou-se uma importante solução de elementos finitos porque utiliza uma abordagem baseada em malha. Em última análise, isso significa que grandes montagens podem ser resolvidas em uma fração do tempo em relação às ferramentas tradicionais de elementos finitos. No modelo abaixo, vou simular uma bateria que seria encontrada em um veículo elétrico e passar pelo processo de configuração de um cenário típico de vibração.
O SimSolid pode importar vários arquivos CAD de várias ferramentas externas. No meu caso, importo meu modelo CAD de bateria para o SimSolid e especifico as propriedades do material que desejo executar em um cenário de vibração. No SimSolid, posso executar Análise Modal, Análise Transiente, Análise de Resposta de Frequência e Análise de Resposta Aleatória. Neste modelo, seleciono uma Análise de Resposta Aleatória que representa o comportamento dinâmico de uma mesa agitadora.
Uma vantagem do SimSolid é que ele pode lidar com grandes montagens com várias conexões por meio de uma GUI simplificada que pode detectar conexões automaticamente. Na bateria que estou utilizando, existem cerca de 1.000 conexões. O SimSolid foi capaz de detectar automaticamente essas conexões em segundos e não precisei atribuir manualmente nenhuma delas, como teria que fazer nas soluções tradicionais de elementos finitos.
Depois de especificar minhas conexões, preciso digitar o perfil de vibração e excitação a ser aplicado em meu sistema. O SimSolid possui uma interface gráfica fácil de função Applied Power Spectral Density (PSD) que permite aos usuários digitar ou importar PSDs diretamente. Para este modelo, vou aplicar um PSD da ISO-16750. Em seguida, importo o perfil de vibração de uma planilha do Excel, que contém os pontos de dados do perfil.
Depois de aplicar o perfil de vibração, preciso aplicar a excitação. A excitação representa a quantidade de aceleração e a direção em que ela será aplicada. É importante notar que a excitação funciona em conjunto com o PSD para representar a amplitude de aceleração correta que a bateria incorrerá.
Neste ponto, meu modelo SimSolid pode ser executado. SimSolid executa esta bateria em questão de minutos. Para contextualizar, executei esse mesmo modelo de bateria por meio de um solucionador tradicional de elementos finitos e levei várias horas para obter os mesmos resultados. Ser capaz de executar cenários de vibração em uma fração do tempo é realmente conveniente. Posso observar os resultados de deslocamento e estresse RMS para ver se minha bateria atende aos meus objetivos de projeto. No meu caso, os resultados de deslocamento e tensão atendem aos meus objetivos de projeto, então posso me sentir confiante em utilizar este projeto de bateria.
Enquanto penso sobre para onde o mundo está indo, estou muito animado com o ressurgimento dos veículos elétricos. Eu sei que os designers podem utilizar ferramentas como o SimSolid para trazê-los ao mercado mais cedo. Para saber mais sobre a ferramenta leia a matéria completa no site.
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