Batteries.
Une nouvelle ère pour le stockage de l’énergie, la mobilité électrique et l’ingénierie innovante
Tendances dans le secteur des batteries de nouvelle génération
La demande en batteries a provoqué une tempête parfaite de croissance, de concurrence et d’innovation, les fabricants cherchant à augmenter rapidement leur production et à recruter du personnel pour l’exploitation et la maintenance.
Dans quelques années seulement, d’ici 2030, la demande mondiale de batteries devrait dépasser les 2 500 GW, soit plus de 10 fois ce qu’elle est aujourd’hui.
Les incitations gouvernementales ont stimulé la recherche et le développement de nouvelles technologies et de nouveaux matériaux. En outre, la pression exercée par les secteurs de l’automobile et des transports, du stockage de l’énergie et de l’électronique grand public, en particulier, a incité les fabricants à se concentrer sur les questions de durabilité et à explorer de nouvelles compositions chimiques pour les batteries.
Pour accélérer et améliorer la production, les fabricants de batteries doivent s’associer à des experts en numérisation, en logiciels de jumeaux numériques et en fabrication numérique.
Les solutions numériques dynamisent la production de batteries
La numérisation est la voie à suivre pour le secteur des batteries.
Les fabricants et les concepteurs de batteries profitent de produits logiciels qui soutiennent leurs processus d’ingénierie et de fabrication.
La connexion d’une usine virtuelle moderne aux processus de fabrication peut accélérer et améliorer la production de batteries et offrir des avantages pour les éléments suivants :
- Planification de la production
- Automatisation des processus
- Contrôle de la qualité
- Maintenance prédictive
- Chaîne d’approvisionnement
- Collaboration
Batteries pour voitures électriques
Les véhicules électriques à batterie (VEB) sont le principal moteur de la croissance annuelle anticipée de 30 % de l’industrie des batteries, promettant un avenir plus vert à la mobilité individuelle. Cependant, à mesure que les efforts pour augmenter la production se mettent en place, les risques se rapprochent également.
Les émissions des VEB dues aux matériaux et à la fabrication sont deux fois plus importantes que celles des véhicules à moteur à combustion interne. En fait, jusqu’à 95 % des émissions de gaz à effet de serre d’un VEB sur l’ensemble de son cycle de vie se produisent avant que le véhicule ne soit utilisé.
La décarbonisation de la production de batteries, d’aluminium et d’acier est désormais un élément essentiel de la production de VEB, tout comme les considérations relatives à la réutilisation et au recyclage des batteries.
C’est pourquoi les fabricants étudient de nouvelles approches prometteuses, notamment les technologies d’intégration à la structure cell-to-pack (CTP) et cell-to-chassis (CTC), qui pourraient améliorer les performances, réduire le poids de la batterie ainsi que la complexité de sa conception, et rendre les véhicules électriques plus abordables.
Les outils numériques aident les fabricants à explorer efficacement et en toute confiance de nouvelles conceptions et solutions innovantes telles que celles-ci.
Développement efficace, basé sur des modèles
Évaluez facilement et virtuellement plusieurs variantes de conception pour atteindre les objectifs de sécurité, de performance et de coût.
La simulation et les définitions basées sur des modèles permettent de réduire l’incertitude afin que vous puissiez :
- Maximiser le potentiel de votre dessin ou de votre modèle
- Valider la chimie des cellules, la conception des blocs et les performances
- Justifier la gestion thermique et l’intégrité structurelle
En recueillant des données cruciales, la simulation et les définitions de produits basées sur des modèles deviennent la source qui alimente vos conceptions innovantes.
Un jumeau numérique vous permet de prendre en compte les interdépendances complexes entre plusieurs domaines afin d’aborder tous les compromis en matière de conception et de performances dès le départ. Vous pouvez ainsi accélérer le développement des batteries et optimiser les conceptions.
Procédure pour la simulation de la batterie
Webinaire : Conception intégrée de cellules de batterie et analyse thermique avec Simcenter STAR-CCM+
Découvrez une procédure intégrée pour la simulation des batteries qui vous conduit de la conception des cellules à la simulation des blocs-batteries et à l’emballement thermique.
Concevez des cellules de batteries aux ions de lithium en 3D et observez le comportement local et détaillé d’une cellule en réponse à un cycle d’utilisation.
Créez des cellules de batteries aux ions de lithium moins chères et plus sûres avec une durée de vie plus longue grâce à la conception 3D de Simcenter STAR-CCM+.
Vous apprendrez comment tirer parti des avantages de STAR-CCM+, tels que la paramétrisation, la physique complète et l’exploration de la conception pour les applications de batteries.
Emballement thermique de la batterie
La compréhension du transfert de chaleur et de la chute de pression au cours de l’emballement thermique est essentielle pour garantir que les batteries répondent aux normes de sécurité les plus strictes.
Mais les essais d’emballement thermique sont généralement coûteux et nécessitent une longue préparation.
Des logiciels de simulation 3D tels que Simcenter STAR-CCM+ permettent aux concepteurs de batteries de prévoir et de comprendre les effets physiques réels de l’emballement thermique.
Découvrez une approche de la conception des batteries basée sur la simulation qui vous donne les possibilités suivantes :
- Explorer de nombreuses variantes de conception dès le début du développement
- Déterminer la conception optimale de la batterie
- Présélectionner les matériaux de protection contre l’incendie par simulation avant les essais
- Réduire le nombre d’essais requis et réaliser des économies
Fabrication de cellules de batterie
L’industrie peut-elle produire suffisamment de cellules de batterie pour répondre à la demande croissante de véhicules électriques et de stockage des énergies renouvelables?
Certaines entreprises jouent gros en construisant des giga-usines, des usines immenses de création de batteries qui, dans certains cas, fabriquent également des composants électroniques ou l’ensemble du véhicule électrique.
L’objectif est de produire des batteries de haute qualité à grande échelle sans compromettre les objectifs de livraison, de débit, de coût et de durabilité. Une exécution sans faille et la flexibilité sont des besoins importants et concurrents.
Le logiciel intégré de Siemens aide les entreprises à accélérer la production de cellules de batteries et à :
- Gérer les compositions chimiques pour créer une recette précise
- Renforcer la collaboration avec les fournisseurs de machines
- Réduire les modifications tardives de la conception
- Éviter les retards de lancement non planifiés
- Améliorer l’utilisation des équipements et réduire les coûts d’investissement
Systèmes de gestion des batteries
Le cerveau d’une batterie, le système de gestion de la batterie (SGB), est le système de surveillance électronique chargé de veiller à ce que la batterie fonctionne de manière sûre et efficace.
Le SGB joue un rôle essentiel dans la surveillance des performances globales du bloc-batterie, en veillant à ce que les cellules de la batterie restent dans des limites de fonctionnement sécuritaire.
Pour développer et valider un SGB sûr et sans défaut :
- Utilisez des prototypes virtuels pour tester en amont les stratégies de surveillance et valider en boucle fermée
- Optimisez le SGB pour des cas d’utilisation précis
- Assurez une stabilité, une sécurité et une durée de vie optimales de la batterie
- Vérifiez rapidement que le SGB peut gérer l’utilisation efficace de la batterie et assurer un fonctionnement sûr
Production de masse de batteries
Pour les fabricants, la capacité à développer rapidement de meilleures batteries est un enjeu majeur. Prendre du retard sur la concurrence, c’est perdre des parts de marché.
La pression est forte et les défis sont importants :
- Incapacité à fournir des services à l’échelle et dans les délais impartis
- Développement lent et coûteux des batteries
- Taux de rebut, problèmes de qualité et consommation d’énergie
- Réglementations et objectifs de durabilité
La solution consiste à mettre en place une collaboration en temps réel et à synchroniser les équipes d’ingénieurs à l’aide d’une base de données interdomaines axée sur la qualité dans un environnement spécifique aux batteries.
Dans un environnement de production intégré de bout en bout, un jumeau numérique complet de l’ensemble du processus de développement des batteries offre les possibilités suivantes :
- Explorer les compromis en matière de performances
- Accélérer le processus de développement
- Obtenir une représentation virtuelle précise
- Obtenir des informations qui accélèrent le processus de prise de décision
Fabrication sans ouvriers
Certains fabricants ont décidé d’adopter un mode de fabrication « sans ouvriers » ou de se transformer en « usine presse-bouton ». Il s’agit d’une approche où une usine fonctionne de manière autonome et ne nécessite que peu d’intervention humaine, voire aucune.
La promesse est celle de l’efficacité, de la productivité et de l’élimination de l’erreur humaine. Pour y parvenir, il faut un niveau exceptionnel d’automatisation et un investissement dans les bons outils numériques.
Découvrez les solutions logicielles et l’expertise industrielle dont vous avez besoin pour passer à l’étape suivante de la fabrication de batteries.