Utilizzando un’app di simulazione per la saldatura laser, Volvo Trucks ha accelerato la progettazione di batterie ad alte prestazioni e lunga durata per i suoi camion elettrici. L’app è stata sviluppata insieme a partner accademici e industriali, tra cui la società di consulenza ingegneristica Resolvent
Al giorno d’oggi, nessuno si stupisce più quando i pacchi vengono consegnati in due giorni, in un giorno o persino in giornata. Nonostante la miriade di centri di smistamento e distribuzione locali sorti per soddisfare la domanda, i camion delle consegne devono comunque compiere viaggi piuttosto lunghi, spesso in autostrada. Per ridurre i costi di carburante e manutenzione, oltre alle emissioni di CO2, le aziende stanno investendo in camion elettrici per le loro flotte di consegna. Sebbene il passaggio ai camion elettrici sia una soluzione promettente, i pacchi batteria integrati in questi veicoli spesso non garantiscono la durata necessaria per rendere fattibili i viaggi autostradali a lunga distanza.
Per contribuire a risolvere il problema della durata delle batterie, un consorzio di università e partner industriali ha integrato nel processo di produzione delle batterie la simulazione multiscala e un’app di simulazione personalizzata. Le organizzazioni coinvolte in questo progetto sono Aurobay, Resolvent, la Commissione europea, la Technical University of Denmark (DTU), Vinnova (l’Agenzia svedese per i sistemi di innovazione), Innovation Fund Denmark e Volvo Group Trucks Operations.
L’app di simulazione, sviluppata da Resolvent, una società di consulenza ingegneristica con sede in Danimarca specializzata in energia verde, consente al reparto Ricerca e Sviluppo di Volvo di testare facilmente le prestazioni relative alla durata delle batterie.
LaserWho?
Il progetto “Multiscale Simulation of Laser Welding for Optimal Battery Pack Manufacturing” (“Simulazione multiscala della saldatura laser per la produzione ottimale di pacchi batteria”), battezzato “LaserBATMAN”, è stato avviato nel maggio 2022 e si è concluso nel maggio 2025 (Rif. 1). Sebbene in questo contesto BATMAN si riferisca alla produzione di batterie e non al famoso supereroe mascherato, anche gli obiettivi del progetto puntavano a risultati straordinari.
Il progetto LaserBATMAN mirava a ottimizzare due parametri chiave delle prestazione dei pacchi batteria: la robustezza e la durata (Rif. 1). Un elemento del processo di produzione delle batterie che influisce su entrambi questi parametri è la saldatura laser utilizzata nei processi di giunzione dei componenti (ad esempio, per collegare le celle di una batteria in un pacco tramite una busbar). Se eseguita correttamente, la saldatura laser può influire positivamente sulla durata della batteria, ma se eseguita in modo errato può aumentare il rischio di degrado della batteria. La modellazione computazionale può essere utilizzata per analizzare e prevedere gli effetti dei processi di saldatura e giunzione nelle diverse fasi del processo di produzione.
Martin Refslund Nielsen, ex chief commercial officer e socio di Resolvent, spiega che, per questo tipo di problemi multifisici e multiscala, “COMSOL Multiphysics® è proprio lo strumento giusto”.
Il flusso di lavoro R&D per modelli multiscala e app
Il team di Resolvent ha utilizzato il software COMSOL Multiphysics per studiare in che modo la saldatura laser influisca sull’elettrochimica e sul degrado delle celle delle batterie. O almeno, questo è stato il progetto iniziale.
“Le ambizioni sono cresciute”, racconta Nielsen, spiegando che il team ha finito per modellare le prestazioni dell’intera batteria, dal livello delle celle a quello del pacco, e che alla fine ha persino “trasformato [il modello] in uno strumento di progettazione”, cioè in una app.
In primo luogo, il team ha costruito il modello elettrochimico di una cella di batteria inserendo le formule relative alla cinetica delle reazioni chimiche (Figura 2). Il modello a strati della cella così ottenuto è stato poi alimentato con dati di input, e i dati di output sono stati utilizzati per addestrare una rete neurale profonda (DNN). Grazie a questo modello a ordine ridotto, il team è riuscito a comprendere rapidamente il comportamento della cella.
Dopo aver addestrato la DNN del modello della batteria, il team ha sviluppato un’app di simulazione personalizzata per ottimizzare in modo efficiente le linguette delle busbar nella configurazione di un pacco batterie.
Uno “strumento nello strumento” per progettare la saldatura delle busbar
Le diverse funzionalità dell’app di simulazione, descritte da Nielsen, includono le opzioni per l’input delle dimensioni della geometria del pacco (Figura 3), del numero di celle e delle condizioni operative, come la temperatura ambiente e i profili di corrente di carica e scarica. L’app consente inoltre di applicare una corrente di carica semplice e di caricare cicli personalizzati. Gli utenti possono quindi osservare le prestazioni della batteria per ogni serie di parametri specifici.
Un altro aspetto importante dell’app di Resolvent è il pulsante “Busbar Weld Design Tool”, che Nielsen descrive come “uno strumento nello strumento”. Questo pulsante può essere utilizzato per calcolare in modo efficiente le prestazioni della saldatura delle busbar dopo un determinato numero di cicli. Dopo aver cliccato sul pulsante, si apre una finestra con le opzioni per impostare diversi parametri, tra cui la forma della saldatura, lo spessore delle busbar e la profondità di penetrazione del laser (Figura 4).
“[Questo pulsante] è interessante dal punto di vista della robustezza”, osserva Nielsen. Gli utenti possono applicare una variante ai parametri di input per vedere cosa succede in produzione se la saldatura non penetra abbastanza in profondità nella busbar.
“In questo modo otteniamo sicuramente una visione tecnica approfondita e possiamo identificare le dimensioni ideali del progetto. Una visione tecnica approfondita è fondamentale anche per ottimizzare le prestazioni del prodotto”, sottolinea Nielsen. Ad esempio, se i risultati suggeriscono di migliorare il raffreddamento, il team potrebbe potenzialmente ridurre il progetto di due celle della batteria e mantenere le stesse prestazioni, quantificando facilmente il compromesso tra raffreddamento e configurazione.
Prevedere le prestazioni del pacco batteria
L’interfaccia utente dell’app include anche un pulsante “Calcola batteria”, che può essere utilizzato per visualizzare la temperatura della saldatura in un determinato stato, lo stato di carica e lo spessore dello strato dell’interfaccia solido-elettrolita (SEI) (Figura 5). I risultati possono aiutare il team a determinare se vi sia ulteriore margine di ottimizzazione per il progetto. Ad esempio, si può aggiungere un flusso di raffreddamento nell’app e osservare se si verificano turbolenze o ristagni d’aria.
Come spiega Nielsen, le app di simulazione offrono analisi e reportistica più coerenti, e l’intuitività delle app personalizzate facilita la condivisione delle conoscenze. “Siamo in una posizione decisamente migliore per ottimizzare le prestazioni e aumentare la robustezza”, conclude Nielsen.
L’app di simulazione personalizzata sviluppata dal consorzio LaserBATMAN può contribuire alla realizzazione di batterie più affidabili, con un’autonomia in grado di supportare viaggi in autostrada su distanze più lunghe con un minor numero di guasti, promuovendo inoltre l’uso di energia verde. Un progetto davvero degno di un supereroe!
Riferimenti
- “LaserBATMAN,” University of Skovde, accessed 08/21/2025, https://www.his.se/en/research/virtual-engineering/virtual-manufacturing-processes/LaserBatman/.
- R. Nielsen, “Keynote: Optimizing Lifetime and Robustness of Electric Truck Batteries with Simulation Apps,” COMSOL Conference 2024 Florence, October 2024.
Volvo è un marchio registrato di Volvo Trademark Holding AB.
