Jak predikovat chování baterie při nárazu elektromobilu: Simulace baterií při nárazových zkouškách

Co elektromobilita obnáší a jaké jsou její výhody?

Virtuální nárazové zkoušky jsou v dnešní době neodmyslitelnou součástí vývoje nových automobilů. Virtuální simulace baterií nabízí hluboký vhled do toho, co se s bateriemi stane při různých druzích nárazů a jak mohou výrobci zvýšit jejich bezpečnost. V tomto článku se zaměříme na některé z klíčových aspektů simulačních procesů, které přispívají k bezpečnějšímu a spolehlivějšímu vývoji baterií pro elektromobily.

Při výrobě automobilů je nutné splnit přísné požadavky, které jsou na ně kladeny z pohledu bezpečnosti vozidel, u celé řady předepsaných nárazových zkoušek (NHTSA, Euro NCAP, ECE atd.). Během nich se řeší bezpečnost při čelních a bočních nárazech, nárazy na plochou překážku, nárazy na kůl, ale také bezpečnost cestujících i chodců. V posledních letech však do hry čím dál zásadněji vstupuje elektromobilita – a s ní spojená rizika. V rámci nárazových zkoušek se totiž elektromobil od běžného vozidla liší řadou aspektů. Zásadní je především přítomnost objemné a těžké baterie, která výrazně ovlivňuje chování vozu při jízdě, ale i při případné havárii. Bateriové packy vozidel v sobě ukrývají ohromné množství energie (např. Tesla model S až 100 kWh), která v případě havárie může uniknout nekontrolovaným způsobem a způsobit požár či výbuch.

Ansys LS-DYNA jako cesta k zabezpečení baterií

Výrobci proto dělají vše, co je v jejich silách, aby svoje baterie maximálně zabezpečili. Z tohoto důvodu například výrobce trakčních baterií firma nano power a.s. ve spolupráci s UCEEB ČVUT, certifikační a vývojovou institucí TÜV SÜD Czech a naší společností SVS FEM s.r.o. pracují na návrhu nových bezpečnostních prvků, které by před takovými haváriemi jejich baterie ochránily. Ani v tomto uvedeném příkladě se bez virtuálních nárazových zkoušek nelze obejít. S úspěchem se při tom využívá prostředí software Ansys LS-DYNA, který si za svou více než 40letou historii získal důvěru u drtivé většiny světových výrobců automobilů, jako je Mercedes, Volvo, Ford nebo Toyota. Významnou výhodou využití programu Ansys LS-DYNA při řešení virtuálních simulací baterií a jejich nárazů je možnost řešit vše v jedné kombinované, tzv. multifyzikální úloze. Současně probíhá výpočet deformace a poškozování struktur baterie i výpočet teplotních a také elektrických vlastností baterie. Všechny tyto aspekty jsou při nárazu podstatné a vzájemně se ovlivňují.

Význam relevantních dat ve virtuálních simulačních procesech

Možnosti výpočetních simulačních programů by byly k ničemu, kdyby nebyly naplněny relevantními daty. Pro správné nastavení virtuálního modelu baterie je proto nutné provést řadu elektrických, mechanických a teplotních zkoušek. U těchto zkoušek je bateriový článek cíleně vystaven extrémnímu zatížení, aby bylo dosaženo jeho poškození (zkrat, zahoření, výbuch). Při zkouškách jsou sledovány veličiny jako působící síla, posuv, teploty a elektrické napětí na článku.

Tyto druhy destruktivních zkoušek si pro svou podstatu žádají zvláštní bezpečnostní opatření, které pro účely našeho projektu zaručil Technický ústav požární ochrany HZS ČR.

Ještě nejsme u konce

I když náš projekt probíhá hladce, ještě nejsme u konce. V blízké době bude následovat další krok – kalibrace modelu a ověření, že chování modelu článku baterie odpovídá chování skutečného článku při různých podmínkách zatěžování. Virtuální model článku baterie pak bude hrát klíčovou roli při posuzování bezpečnosti vyvíjeného bateriového packu při různých scénářích nárazu.

Vývoj našeho projektu i další informace o simulaci baterií budete moci sledovat na našem blogu.