洞悉如何通過(guò)3D打印優(yōu)化的外殼，讓電動(dòng)摩托車(chē)電池壽命更長(zhǎng)
魔猴君 行業(yè)資訊 1182天前
電動(dòng)摩托車(chē)中電池工作電流大，產(chǎn)熱量大，同時(shí)電池包處于一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，就會(huì)導(dǎo)致電池的溫度上升。電池包散熱有主動(dòng)和被動(dòng)兩種，兩者之間在效率上有很大的差別。被動(dòng)系統(tǒng)所要求的成本比較低，采取的措施也較簡(jiǎn)單。主動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些，且需要更大的附加功率，但它的熱管理更加有效。
那么這里面就涉及到了一個(gè)設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展空間：如何增加散熱系統(tǒng)與電池的熱接觸面積，提高散熱效率？本期，通過(guò)維捷-voxeljet的案例，與大家一起來(lái)洞悉如何通過(guò)3D打印優(yōu)化的外殼，讓電動(dòng)摩托車(chē)電池壽命更長(zhǎng)。
△voxeljet-維捷
悄悄發(fā)生改變的產(chǎn)品設(shè)計(jì)
根據(jù)中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究院*，由于車(chē)輛上裝載電池的空間有限，正常運(yùn)行所需的電池?cái)?shù)目也較大，電池會(huì)以不同倍率放電，并以不同生熱速率產(chǎn)生大量熱量，再加上時(shí)間累積以及空間影響將會(huì)聚集大量熱量，從而導(dǎo)致電池組運(yùn)行環(huán)境溫度情況復(fù)雜多變。電池包內(nèi)溫度上升嚴(yán)重影響電池組的電化學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行、循環(huán)壽命、充電可接受性、電池包功率和能量、安全性和可靠性等。如果電動(dòng)汽車(chē)電池組不能及時(shí)散熱，將導(dǎo)致電池組系統(tǒng)的溫度過(guò)高或分布不均勻，其結(jié)果將降低電池充放電循環(huán)效率，影響電池的功率和能量發(fā)揮，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致熱失控，影響系統(tǒng)安全性與可靠性；另外，由于發(fā)熱電池體的密集擺放，中間區(qū)域必然熱量聚集較多，邊緣區(qū)域較少則增加了電池包中各單元之間的溫度不均衡，這將造成各電池模塊、單體性能的不均衡，最終影響電池性能的一致性及電池荷電狀態(tài)（SOC）估計(jì)的準(zhǔn)確性，影響到電動(dòng)汽車(chē)的系統(tǒng)控制。
根據(jù)中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究院，動(dòng)力電池的液冷式散熱系統(tǒng)是指制冷劑直接或間接地接觸動(dòng)力電池，然后通過(guò)液態(tài)流體的循環(huán)流動(dòng)把電池包內(nèi)產(chǎn)生的熱量帶走達(dá)到散熱效果的一種散熱系統(tǒng)。其制冷劑可以是水、水和乙二醇的混合物、礦物質(zhì)油和R134a等，這些制冷劑擁有較高的導(dǎo)熱率，可以達(dá)到較好的散熱效果。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的一個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目正在維捷- voxeljet 的支持下實(shí)現(xiàn)一種新型冷卻系統(tǒng)，借助3D打印，其項(xiàng)目中的研究對(duì)象：ethec 城市電動(dòng)摩托車(chē)中的新型冷卻系統(tǒng)可確保電池的使用壽命更長(zhǎng)。
電動(dòng)交通工具發(fā)展到 2021 年，其中電動(dòng)汽車(chē)的高速和遠(yuǎn)距離實(shí)際上總是與極其沉重和龐大的儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)。汽車(chē)和卡車(chē)可能已經(jīng)提供了必要的空間，但在電動(dòng)摩托車(chē)上，工程藝術(shù)仍有一些障礙需要克服。由于電池容量不足，市場(chǎng)上已有的相對(duì)強(qiáng)大的電動(dòng)摩托車(chē)更適合城市交通，而不是長(zhǎng)途越野旅行。ethec 城市項(xiàng)目的技術(shù)方法可能會(huì)改變這一點(diǎn)。ethec 代表“ETH Electric Cruiser”，是由蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的電動(dòng)摩托車(chē)概念。項(xiàng)目發(fā)起人是inspire AG，是該大學(xué)的戰(zhàn)略合作伙伴，將研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。在 2017 年啟動(dòng)的 ethec 項(xiàng)目中，其目的是通過(guò)回收制動(dòng)能量和改進(jìn)電池設(shè)計(jì)來(lái)顯著提高電動(dòng)摩托車(chē)的效率。
有限的空間使電池冷卻高效化
與大型車(chē)輛相比，在摩托車(chē)上將電池運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量保持在恒定水平更困難。而最佳溫度管理對(duì)于電池的使用壽命至關(guān)重要。電動(dòng)汽車(chē)中的電池冷卻通常是通過(guò)冷卻劑通過(guò)軟管或管道流過(guò)電池來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種方法的缺點(diǎn)是只能進(jìn)行點(diǎn)或線接觸，實(shí)際上并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)沉浸式直接接觸。鑒于摩托車(chē)車(chē)架中間的空間有限，ethec項(xiàng)目最終只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)概念：將所有電池完全嵌入油浴中。ethec項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)分成兩個(gè)模塊，總共組裝了 1,269 個(gè)鋰離子圓形電池，總輸出功率為 15 kWh。然后使用計(jì)算機(jī)輔助流動(dòng)模擬來(lái)創(chuàng)建電池外殼的最佳結(jié)構(gòu)，不僅必須絕對(duì)防漏，而且必須確保單個(gè)電池與硅油流動(dòng)之間的完美接觸。為了展示從原型到批量生產(chǎn)的方式，ethec項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選擇落在了3D打印砂型與金屬鑄造的結(jié)合上，具體來(lái)說(shuō)，3D 打印的砂模被用作鑄造鋁銅合金的模板。
在應(yīng)對(duì)十分復(fù)雜的設(shè)計(jì)的時(shí)候，3D打印砂型還可以顯著節(jié)省時(shí)間，在制造復(fù)雜砂型鑄造模具時(shí)可以節(jié)省前所未有的時(shí)間。包括voxeljet-維捷為主的制造工藝，現(xiàn)在可以使用粘結(jié)劑噴射技術(shù)與金屬鑄造相結(jié)合的方式經(jīng)濟(jì)地構(gòu)建幾乎任何尺寸的零件。ETHEC 電池外殼最終在位于意大利布雷西亞的 Kupral Spa 鋁鑄造廠鑄造。
△voxeljet-維捷
ethec項(xiàng)目設(shè)計(jì)的節(jié)能電動(dòng)摩托車(chē)的概念顯示出驚人的潛力：最高時(shí)速應(yīng)達(dá)到 160 公里/小時(shí)，并且由于能量回收和新穎的電池概念，ethec city 可以實(shí)現(xiàn)約 400 公里的續(xù)航里程。不僅僅在歐洲，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，在國(guó)內(nèi)，voxeljet-維捷蘇州中國(guó)總部還通過(guò)創(chuàng)新的3D打印砂型模具技術(shù)在3-5天內(nèi)實(shí)現(xiàn)從模型到產(chǎn)品的制造過(guò)程，并且還可以通過(guò)創(chuàng)新的工藝、夾具、刀具以及整線自動(dòng)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)關(guān)鍵零部件的柔性、高效生產(chǎn)，為企業(yè)的轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新提供有力的支持。
總體來(lái)說(shuō)3D打印方式生產(chǎn)的組件不僅可以實(shí)現(xiàn)激動(dòng)人心的未來(lái)派設(shè)計(jì)，還可以節(jié)省大量成本，因?yàn)樗鼈儾粌H可以具有優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還可以大幅減少重量，并且需要更少的零件來(lái)組裝，而從功能上來(lái)說(shuō)還可以獲得增強(qiáng)?；蛟S，很快，我們將覺(jué)察到，我們所熟悉的產(chǎn)品形狀在悄悄的發(fā)生變化。
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