洞悉如何通过3D打印优化的外壳,让电动摩托车电池寿命更长

3D打印资讯
2021
07/29
10:56
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来源:3D科学谷

电动摩托车中电池工作电流大,产热量大,同时电池包处于一个相对封闭的环境,就会导致电池的温度上升。电池包散热有主动和被动两种,两者之间在效率上有很大的差别。被动系统所要求的成本比较低,采取的措施也较简单。主动系统结构相对复杂一些,且需要更大的附加功率,但它的热管理更加有效。

那么这里面就涉及到了一个设计的可扩展空间:如何增加散热系统与电池的热接触面积,提高散热效率?本期,3D科学谷通过维捷-voxeljet的案例,与谷友一起来洞悉如何通过3D打印优化的外壳,让电动摩托车电池寿命更长。

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△voxeljet-维捷

悄悄发生改变的产品设计

根据中国科学院工程热物理研究院*,由于车辆上装载电池的空间有限,正常运行所需的电池数目也较大,电池会以不同倍率放电,并以不同生热速率产生大量热量,再加上时间累积以及空间影响将会聚集大量热量,从而导致电池组运行环境温度情况复杂多变。电池包内温度上升严重影响电池组的电化学系统的运行、循环寿命、充电可接受性、电池包功率和能量、安全性和可靠性等。

如果电动汽车电池组不能及时散热,将导致电池组系统的温度过高或分布不均匀,其结果将降低电池充放电循环效率,影响电池的功率和能量发挥,严重时还将导致热失控,影响系统安全性与可靠性;另外,由于发热电池体的密集摆放,中间区域必然热量聚集较多,边缘区域较少则增加了电池包中各单元之间的温度不均衡,这将造成各电池模块、单体性能的不均衡,最终影响电池性能的一致性及电池荷电状态(SOC)估计的准确性,影响到电动汽车的系统控制。

根据中国科学院工程热物理研究院,动力电池的液冷式散热系统是指制冷剂直接或间接地接触动力电池,然后通过液态流体的循环流动把电池包内产生的热量带走达到散热效果的一种散热系统。其制冷剂可以是水、水和乙二醇的混合物、矿物质油和R134a等,这些制冷剂拥有较高的导热率,可以达到较好的散热效果。

根据3D科学谷的市场观察,苏黎世联邦理工学院的一个重点项目正在维捷- voxeljet 的支持下实现一种新型冷却系统,借助3D打印,其项目中的研究对象:ethec 城市电动摩托车中的新型冷却系统可确保电池的使用寿命更长。

电动交通工具发展到 2021 年,其中电动汽车的高速和远距离实际上总是与极其沉重和庞大的储能系统相关。汽车和卡车可能已经提供了必要的空间,但在电动摩托车上,工程艺术仍有一些障碍需要克服。由于电池容量不足,市场上已有的相对强大的电动摩托车更适合城市交通,而不是长途越野旅行。

ethec 城市项目的技术方法可能会改变这一点。ethec 代表“ETH Electric Cruiser”,是由苏黎世瑞士联邦理工学院开发的电动摩托车概念。项目发起人是inspire AG,是该大学的战略合作伙伴,将研究成果转化为实际应用。在 2017 年启动的 ethec 项目中,其目的是通过回收制动能量和改进电池设计来显着提高电动摩托车的效率。

有限的空间使电池冷却高效化

与大型车辆相比,在摩托车上将电池运行期间产生的热量保持在恒定水平更困难。而最佳温度管理对于电池的使用寿命至关重要。

根据3D科学谷的了解,电动汽车中的电池冷却通常是通过冷却剂通过软管或管道流过电池来实现的,这种方法的缺点是只能进行点或线接触,实际上并没有实现沉浸式直接接触。鉴于摩托车车架中间的空间有限,ethec项目最终只能实现一个概念:将所有电池完全嵌入油浴中。

ethec项目团队分成两个模块,总共组装了 1,269 个锂离子圆形电池,总输出功率为 15 kWh。然后使用计算机辅助流动模拟来创建电池外壳的最佳结构,不仅必须绝对防漏,而且必须确保单个电池与硅油流动之间的完美接触。为了展示从原型到批量生产的方式,ethec项目团队选择落在了3D打印砂型与金属铸造的结合上,具体来说,3D 打印的砂模被用作铸造铝铜合金的模板。

在应对十分复杂的设计的时候,3D打印砂型还可以显著节省时间,在制造复杂砂型铸造模具时可以节省前所未有的时间。包括voxeljet-维捷为主的制造工艺,现在可以使用粘结剂喷射技术与金属铸造相结合的方式经济地构建几乎任何尺寸的零件。ETHEC 电池外壳最终在位于意大利布雷西亚的 Kupral Spa 铝铸造厂铸造。

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△voxeljet-维捷

ethec项目设计的节能电动摩托车的概念显示出惊人的潜力:最高时速应达到 160 公里/小时,并且由于能量回收和新颖的电池概念,ethec city 可以实现约 400 公里的续航里程。

不仅仅在欧洲,根据3D科学谷的市场观察,在国内,voxeljet-维捷苏州中国总部还通过创新的3D打印砂型模具技术在3-5天内实现从模型到产品的制造过程,并且还可以通过创新的工艺、夹具、刀具以及整线自动化设计,实现汽车关键零部件的柔性、高效生产,为企业的转型和创新提供有力的支持。

总体来说3D打印方式生产的组件不仅可以实现激动人心的未来派设计,还可以节省大量成本,因为它们不仅可以具有优化的拓扑结构,还可以大幅减少重量,并且需要更少的零件来组装,而从功能上来说还可以获得增强。或许,很快,我们将觉察到,我们所熟悉的产品形状在悄悄的发生变化。




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