O impacto de estradas irregulares: como garantir que a bateria do seu veículo elétrico resista a estradas acidentadas
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Introdução
Os veículos elétricos estão no centro dos desenvolvimentos atuais da indústria automotiva e, como coração de um veículo elétrico, a bateria desempenha um papel fundamental na sua alimentação. É um componente crucial e valioso. No entanto, sua importância vai além da funcionalidade – o peso, o custo e a vulnerabilidade a danos da bateria a tornam uma área de preocupação para os proprietários de veículos elétricos.
Ao contrário dos veículos com motores de combustão interna, os veículos elétricos geralmente têm a bateria integrada em plataformas tipo skate, populares na indústria automotiva por incorporarem o conjunto de baterias ao assoalho do veículo. Esse design oferece diversas vantagens, mas também apresenta riscos significativos para os proprietários de veículos elétricos. Com a crescente presença de lombadas nas ruas, há uma preocupação cada vez maior com os danos que esses obstáculos podem causar ao conjunto de baterias localizado sob o veículo. Atravessar uma lombada em alta velocidade sem cuidado pode resultar em reparos caros ou até mesmo na necessidade de substituir todo o veículo.
A bateria de um veículo elétrico pegou fogo após ser danificada em um acidente (fonte).
Em um artigo de imprensa publicado pela Reuters Information em março de 2023, Christoph Lauterwasser, diretor-geral do Centro de Tecnologia da Allianz, enfatizou o crescente número de casos de danos em baterias e ressaltou a importância de manuseá-las com o máximo cuidado. A reparabilidade das baterias tornou-se uma consideração crítica para as montadoras, com algumas, como a Ford Motor Co. e a General Motors Co., focando em facilitar os reparos. No entanto, a Tesla Inc. adotou uma abordagem diferente, introduzindo uma nova estrutura de bateria em seu Modelo Y, fabricado no Texas, que especialistas consideraram "zero reparabilidade".
O impacto dos danos às baterias vai além dos proprietários individuais de veículos. Mesmo grandes empresas de aluguel de carros, como a SIXT e a HERTZ, têm observado uma queda no número de veículos elétricos em suas frotas devido aos altos custos de reparo associados a danos nas baterias, principalmente aqueles resultantes de colisões. Essa informação, divulgada pela Reuters em janeiro de 2024, destaca a importância de proteger as baterias de veículos elétricos para garantir sua longevidade e minimizar as despesas com reparos.
Neste blog, vamos analisar mais de perto os desafios e soluções relacionados à proteção da bateria do seu veículo elétrico. Usando o Simcenter Amesim, será demonstrado como você pode entender melhor os riscos representados por colisões e estradas irregulares e explorar estratégias para proteger esse componente crítico.
Modelagem de baterias no Simcenter Amesim
O Simcenter Amesim oferece recursos muito valiosos para o desenvolvimento e integração de componentes em veículos elétricos. Ele permite avaliar características de desempenho essenciais, como autonomia, desempenho do veículo, desempenho térmico e vida útil da bateria. Neste blog, mostraremos modelos de demonstração desenvolvidos no Simcenter Amesim que ajudam a analisar o impacto da bateria de um veículo elétrico em uma lombada, dependendo da velocidade do carro e da altura e formato da lombada.
Campo de provas virtual
A pista de testes foi gerada usando a ferramenta Ground Designer e a bateria da plataforma do skate foi modelada usando submodelos de contato de malha-esfera. Lombadas são cada vez mais usados para garantir velocidades baixas em áreas urbanas. Dependendo do país, elas têm diversos formatos, alturas e larguras; existem vários padrões que são mais ou menos respeitados. A pista de testes usada nesta demonstração inclui 3 tipos de lombadas:
Lombadas semicirculares
Lombadas sinusoidais
Lombadas trapezoidais
Para cada tipo de lombada, são testadas 5 alturas diferentes: h1 = 5 cm, h2 = 7,5 cm, h3 = 10 cm, h4 = 12,5 cm e h5 = 15 cm. Essa área de teste é então criada no Simcenter Amesim usando o aplicativo integrado de projeto de terreno.
Sequência com uma infinidade de obstáculos
Diversos parâmetros são expostos no aplicativo de projeto do campo de provas, possibilitando a modificação de certos parâmetros dessa pista de testes.
Criação de pista de testes no aplicativo Ground Designer
Parametrização da pista de provas no aplicativo Ground Designer
Modelo do veículo
O sistema de propulsão elétrica é modelado usando a biblioteca IFP Drive e o modelo do chassi utiliza principalmente os componentes da biblioteca de dinâmica veicular.
Modelo do powertrain
Este modelo inclui uma VCU (Unidade de Controle de Velocidade), o motor elétrico, o sistema de baterias, um carregador e um modelo térmico simplificado da bateria e seu sistema de refrigeração. O sistema de frenagem inclui um sistema hidráulico simplificado e um modelo térmico básico. O coeficiente de atrito é calculado em função da temperatura do disco utilizando a seguinte tabela:
Coeficiente de atrito em função da temperatura
O esboço final do modelo inclui um modelo detalhado do chassi com 15 graus de liberdade (DoF) do chassi da Tesla e modelos de pneus Pacejka. O novo modelo de direção autônoma ajustada seguirá a trajetória no terreno irregular definido.
Modelo final completo do veículo
Pacote de baterias integrado
A bateria é interligada por meio de 12 contatos esféricos. Esses contatos formam uma grade muito simples para interligar a bateria, conforme mostrado abaixo.
Malha da bateria
A detecção de contato utiliza a abordagem da Hierarquia de Volumes Delimitadores (BVH). A primeira detecção de contato ocorre no nível do Volume Delimitador (BV) . Se um contato for detectado entre o BV da esfera e o BV final da BVH, uma detecção de contato é calculada entre a esfera e o triângulo dentro do BV final. A próxima imagem mostra 3 esferas em contato com um ou mais triângulos.
A esfera 1 tem apenas 1 ponto de contato com o triângulo 1.
A esfera 2 possui 5 pontos de contato com os triângulos 1, 2, 3, 4 e 5.
A esfera 3 possui 2 segmentos de contato com os triângulos 3 e 4.
Cada esfera possui apenas uma força de reação.
Detecção de contato de malha esférica
Resultados
Em seguida, o Tesla é conduzido na pista de testes em cinco velocidades diferentes:
baixa velocidade: 5 m/s (aproximadamente 18 km/h ou 11 mph)
velocidade normal: 10 m/s (aproximadamente 36 km/h ou 22 mph)
alta velocidade: 15 m/s (aproximadamente 54 km/h ou 34 mph)
velocidade muito alta: 20 m/s (aproximadamente 72 km/h ou 45 mph)
Os três primeiros perfis de velocidade não são totalmente constantes para definir com mais precisão o comportamento de um motorista humano ao se aproximar de uma lombada. Se o veículo se desloca a 5, 10 e 15 m/s sobre as lombadas, ele acelera nos trechos planos, freia antes de passar pela lombada e acelera logo em seguida (veja as curvas abaixo).
Sem contato em velocidades baixas e normais do carro
Sem contato em velocidades baixas e normais do carro
Diversos gráficos são criados para estudar o comportamento do veículo. Os submodelos de contato de malha-esfera incluem uma variável de "número de pontos de contato" que pode ser usada para monitorar a ocorrência de um contato. Somando essa variável para todos os contatos, é fácil detectar se a bateria atingiu o solo, pois a soma será maior que 0. Para velocidades baixas e normais, observa-se que a bateria não toca o solo. Por outro lado, quando a velocidade excede 50 km/h ou 30 mph, ou seja, os limites de velocidade usuais em áreas urbanas de muitos países, observa-se que alguns contatos são detectados ao passar por lombadas mais altas.
Vários contatos são encontrados em altas velocidades.
Outros diagramas podem ser usados para localizar esses contatos. É possível observar claramente que a área mais afetada é a parte frontal da bateria. Esse tipo de estudo pode ajudar a identificar os pontos mais frágeis da bateria e a posicionar as placas de reforço.
Localização dos pontos de contato
Por fim, o submodelo de contato malha-esfera permite estimar a força de contato e a penetração durante o impacto, a fim de determinar se a bateria sofreria danos severos, bem como dimensionar as placas de reforço. Como exemplo, segue uma comparação da penetração e da força na parte frontal da bateria entre 15 m/s (em azul) e 20 m/s (em vermelho).
Comparação de penetração e forças – pontos de contato frontais
Uma animação 3D ajuda o usuário a visualizar onde ocorrem os pontos de contato na bateria.
Conclusão
Este blog demonstra como os recursos de simulação multifísica do Simcenter Amesim podem ajudar os engenheiros automotivos a analisar os possíveis impactos causados pelo contato com a bateria, dependendo do projeto do chassi. O acoplamento entre o chassi, o trem de força e a geometria da bateria em um mesmo esboço de simulação permite uma análise virtual precisa dos danos causados. É possível definir módulos de bateria modulares e bipartidos, com paredes reforçadas em algumas partes, utilizando este modelo de simulação. Como próximo passo, os engenheiros podem considerar o projeto de sistemas de suspensão ativa, utilizando sensores e controladores ADAS para alterar a rigidez da suspensão. Após a detecção do obstáculo (lombadas, buracos, etc.) por câmeras ou lidars, os controladores ADAS interagem com o subsistema de suspensão ativa para aumentar a rigidez imediatamente antes do impacto, evitando danos à bateria. Tudo isso é possível com o Simcenter Amesim.
Proteja um dos componentes mais críticos dos veículos elétricos com o poder da simulação avançada. A CAEXPERTS pode ajudar sua equipe a utilizar o Simcenter Amesim para analisar impactos, otimizar o projeto do chassi e reduzir riscos de danos às baterias ainda na fase de desenvolvimento. Agende uma reunião com nossos especialistas e descubra como aplicar essas soluções de engenharia para tornar seus projetos de veículos elétricos mais seguros, eficientes e econômicos.
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