Pour réduire les coûts de carburant et de maintenance ainsi que les émissions de carbone, les entreprises investissent dans des camions électriques pour leurs flottes de livraison. Bien que le recours aux camions électriques soit une solution prometteuse, les batteries intégrées dans ces conceptions automobiles n’ont souvent pas la durée de vie nécessaire pour rendre réalisables les déplacements sur autoroute sur de longues distances.
Pour aider à résoudre le problème de la durée de vie des batteries, un consortium d’universités et de partenaires industriels ont intégré une simulation multi-échelle et une application de simulation personnalisée dans le processus de fabrication des batteries. Les organisations impliquées dans ce projet étaient Aurobay, Resolvent, la Commission européenne, l’Université technique du Danemark (DTU), Vinnova (l’Agence suédoise pour les systèmes d’innovation), l’Innovation Fund Denmark et Volvo Group Trucks Operations.
L’application de simulation, conçue par Resolvent, un cabinet de conseil en ingénierie basé au Danemark et spécialisé dans l’énergie verte, permet au département R&D de Volvo de tester facilement les performances de la durée de vie de la batterie.
Figure 1. Un camion électrique Volvo®.
LaserQui ?
Le projet de simulation multi-échelle du soudage laser pour une fabrication optimale de batteries – appelé « LaserBATMAN » – a été lancé en mai 2022 et terminé en mai 2025. Bien que BATMAN fasse ici référence à la fabrication de batteries et non au célèbre super-héros masqué, les objectifs du projet visaient également la grandeur.
Le projet LaserBATMAN visait à optimiser deux indicateurs de performances clés pour les batteries : la robustesse et la durée de vie. Un élément du processus de fabrication des batteries qui affecte ces deux paramètres est le soudage au laser utilisé dans les processus d’assemblage des composants. S’il est effectué correctement, le soudage au laser peut avoir un impact positif sur la durée de vie de la batterie, mais s’il est mal effectué, le soudage au laser peut augmenter le risque de dégradation de la batterie. La modélisation informatique peut être utilisée pour analyser et prédire les effets des processus de soudage et d’assemblage à différentes étapes du processus de fabrication.
Martin Refslund Nielsen, ancien directeur commercial et associé chez Resolvent, a expliqué que pour ce type de problème multiphysique et multi-échelle, « COMSOL Multiphysics est exactement le bon outil ».
Flux de travail R&D pour modèle et application multi-échelles
L’équipe Resolvent a utilisé le logiciel COMSOL Multiphysics® pour étudier l’impact du soudage laser sur l’électrochimie et la dégradation des cellules de batterie. C’est du moins ainsi que le projet a démarré.
« Les ambitions ont grandi », a déclaré Nielsen, expliquant que l’équipe a finalement modélisé les performances de l’ensemble de la batterie, de la cellule au niveau du pack. Ils ont même « finalement transformé (le modèle) en un outil de conception », a-t-il ajouté en faisant référence à l’application (Figure 2).
Tout d’abord, l’équipe a construit un modèle électrochimique d’une cellule de batterie. Le modèle électrochimique résultant de la cellule a été alimenté en données d’entrée et les données de sortie ont été utilisées pour former un réseau neuronal profond (DNN). Grâce à ce modèle de substitution, l’équipe a pu rapidement obtenir un aperçu du comportement cellulaire.
Après avoir formé le DNN du modèle de batterie, l’équipe a créé une application de simulation personnalisée pour optimiser les languettes des jeux de barres dans la configuration d’un bloc de batterie.
Figure 2. Le modèle de batterie Resolvent.
Les fonctionnalités de l’application de simulation incluent des options permettant de saisir les dimensions de la géométrie du pack, le nombre de cellules et les conditions de fonctionnement telles que la température ambiante et les profils de courant de charge-décharge. Les utilisateurs peuvent voir les performances de la batterie avec chaque ensemble d’entrées.
Un autre aspect important de l’application est le bouton Outil de conception de soudure de barres omnibus, qui peut être utilisé pour calculer efficacement les performances de soudure des barres omnibus après un certain nombre de cycles.
Prédire les performances du pack
L’application comprend également un bouton Calculer la batterie, qui peut être utilisé pour voir la température de la soudure dans un état donné, l’état de charge et l’épaisseur de la couche d’interface solide-électrolyte (SEI) (Figure 3). Les résultats peuvent aider l’équipe à déterminer s’il existe une marge d’optimisation dans la conception. Par exemple, un utilisateur peut appliquer un flux de refroidissement dans l’application et voir si des turbulences se produisent.
Comme l’explique Nielsen, les applications offrent des analyses et des rapports plus cohérents et le caractère intuitif des applications personnalisées facilite le partage des connaissances. « Nous sommes dans une bien meilleure position pour optimiser les performances et accroître la robustesse », a déclaré Nielsen.
Figure 3. Température dans l’état donné (à gauche), état de charge (au milieu) et épaisseur de la couche SEI (à droite) dans la batterie.
L’application de simulation personnalisée développée par le consortium LaserBATMAN peut être utilisée pour aider à produire des conceptions de batteries plus robustes avec des autonomies capables de prendre en charge les déplacements sur autoroute sur de plus longues distances avec moins de pannes, tout en favorisant l’utilisation d’énergie verte. Un projet héroïque en effet.
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