Ces dernières années, de nombreuses entreprises se sont lancées dans le développement d’aéronefs électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL pour electric vertical take-off and landing). À mesure que de nouvelles idées de conception voient le jour, une question importante se pose : quelles sont les contraintes techniques à prendre en compte pour les batteries qui alimentent ces véhicules ?
Les exigences de performance des batteries diffèrent sensiblement entre les véhicules électriques (VE) et les eVTOL. Par exemple, les systèmes eVTOL, doivent répondre aux contraintes spécifiques des différentes phases de vol. La batterie doit ainsi avoir une masse suffisamment faible pour ne pas entraver le décollage, tout en étant capable de fournir une puissance élevée lors des phases critiques de décollage et d’atterrissage (à la verticale), ainsi que l’énergie nécessaire pendant le vol en phase de croisière (à l’horizontale). (Réf. 1). La conception d’une batterie sûre répondant à ces exigences implique de trouver le bon compromis entre puissance et énergie, de concevoir un système de gestion de batterie optimal et de réduire le risque de dégradation de cette dernière. Dans ce contexte, la simulation multiphysique est un outil particulièrement efficace qui permet de franchir ces étapes et d’effectuer des analyses approfondies à différentes échelles.
Figure 1. Un modèle à l’échelle cellulaire et à l’échelle du pack dans le logiciel COMSOL Multiphysics®. (Image : COMSOL)
Compromis entre puissance et énergie
Pour les batteries des aéronefs eVTOL, l’un des principaux défis consiste à concilier à la fois une puissance élevée pour le décollage et l’atterrissage et une énergie suffisante pour permettre le maintien du vol en croisière. Le logiciel COMSOL Multiphysics® permet d’analyser et d’optimiser la conception des batteries afin d’atteindre l’équilibre crucial entre ces deux exigences. La réalisation d’études telles que des analyses de capacité apporte des informations précieuses sur le comportement des batteries à différents taux de charge et de décharge. En ajustant des paramètres tels que l’épaisseur des électrodes, leur porosité et la composition de l’électrolyte, les ingénieurs peuvent optimiser la conception des batteries afin de trouver un équilibre entre la densité de puissance et la densité d’énergie. Cette démarche contribue également à améliorer la fiabilité, la longévité et la sécurité globales des systèmes de batteries eVTOL.
Systèmes de gestion de batterie
Toute application utilisant des batteries nécessite un système de gestion de batterie (BMS). Le BMS surveille en permanence les paramètres de performance critiques, tels que la tension, le courant, la température et l’état de charge (SOC) afin de maintenir la batterie dans des limites de fonctionnement sûres. Il permet ainsi de prévenir les risques liés à la surcharge, à la décharge excessive ou encore à la surchauffe.
Au cours de leur utilisation, les batteries subissent différents processus de dégradation, comme la dégradation mécanique, la perte de matière active et l’appauvrissement de l’électrolyte. La détection précoce de la dégradation des batteries permet de réduire les risques de défaillance, tels que les pannes en vol ou les coupures de courant, et aide les opérateurs à planifier l’utilisation et la maintenance des batteries.
COMSOL Multiphysics® permet de modéliser la dégradation électrochimique, chimique et mécanique pour différentes compositions chimiques de batteries. Grâce à ce logiciel, les concepteurs peuvent intégrer dans leurs modèles des réactions secondaires arbitraires, telles que la formation d’une interface électrolyte-solide (SEI), le placage de lithium, le dégagement d’hydrogène et d’oxygène, entre autres. Par exemple, un modèle de vieillissement intégrant la formation d’un film SEI sur l’électrode négative d’une cellule lithium-ion peut être utilisé pour prévoir la perte irréversible de lithium stocké au cours des cycles de charge-décharge (Figure 2).
Figure 2. Capacité relative par rapport au nombre de cycles d’un modèle type. (Image : COMSOL)
Le contrôle de la température d’une batterie est également essentiel pour optimiser ses performances, évaluer et prévenir sa dégradation, et garantir la sécurité. Grâce à COMSOL Multiphysics®, il est possible de réaliser une analyse thermique afin d’identifier les points chauds et de déterminer le seuil de température maximal à partir duquel les cellules risquent de surchauffer. Cela aide les concepteurs à mieux comprendre les ajustements de conception nécessaires pour éviter l’emballement thermique. Le logiciel permet également de tester virtuellement différents mécanismes de refroidissement et stratégies de gestion thermique.
La polyvalence de COMSOL Multiphysics® pour la conception de batteries
Tout comme pour les VE, les batteries lithium-ion sont largement considérées comme la technologie de référence pour les eVTOL. Toutefois, d’autres solutions sont également à l’étude, notamment les batteries solides, les batteries sodium-ion ainsi que les piles à combustible. (Réf. 1). Le module Battery Design, un produit complémentaire de COMSOL Multiphysics®, intègre des fonctionnalités dédiées pour la modélisation des batteries lithium-ion, ainsi que des fonctionnalités générales de modélisation des batteries et d’électrochimie. Ce module permet ainsi de développer un modèle de batterie adapté à différentes compositions chimiques, y compris les batteries sodium-ion et celles à l’état solide.
Selon l’objectif recherché, la modélisation des batteries dans COMSOL Multiphysics® peut être réalisée à différentes échelles, allant de modèles microscopiques avancés destinés à une compréhension détaillée du comportement des batteries, à des modèles réduits simplifiés utilisés pour simuler des packs de batteries intégrés dans des systèmes plus larges, tels que les eVTOL. Le logiciel COMSOL® offre également des fonctionnalités uniques pour réaliser des analyses multiphysiques, facilitant ainsi une étude approfondie des interactions entre les phénomènes électriques, thermiques et mécaniques à ces différentes échelles.
La simulation des batteries des eVTOL prend son envol
Les batteries destinées aux systèmes eVTOL doivent offrir un compromis satisfaisant entre puissance et énergie, et la simulation multiphysique constitue un moyen complet et rapide de répondre à l’ensemble des exigences de conception. Dans ce contexte, l’utilisation d’un logiciel de conception fiable est particulièrement importante, compte tenu de l’augmentation prévue des projets de conception d’aéronefs eVTOL dans le secteur de l’aérospatial et de la défense, ainsi que des discussions croissantes concernant l’utilisation de ces aéronefs pour les transports « grand public » (notamment les « taxis aériens »). Avant que ces appareils ne puissent prendre leur envol, il est indispensable de concevoir des batteries parfaitement adaptées.
Références
- “The Key Things to Know about eVTOL Batteries,” Asian Sky Group; 2022; https://www.asianskygroup.com/the-key-things-to-know-about-evtol-batteries/
COMSOL et COMSOL Multiphysics sont des marques déposées de COMSOL AB.
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