洞悉如何通過3D打印優(yōu)化的外殼，讓電動摩托車電池壽命更長

來源：3D科學(xué)谷

電動摩托車中電池工作電流大，產(chǎn)熱量大，同時電池包處于一個相對封閉的環(huán)境，就會導(dǎo)致電池的溫度上升。電池包散熱有主動和被動兩種，兩者之間在效率上有很大的差別。被動系統(tǒng)所要求的成本比較低，采取的措施也較簡單。主動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(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設(shè)計的可擴展空間：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，3D科學(xué)谷通過維捷-voxeljet的案例，與谷友一起來洞悉如何通過3D打印優(yōu)化的外殼，讓電動摩托車電池壽命更長。

△voxeljet-維捷

悄悄發(fā)生改變的產(chǎn)品設(shè)計

根據(jù)中國科學(xué)院工程熱物理研究院*，由于車輛上裝載電池的空間有限，正常運行所需的電池數(shù)目也較大，電池會以不同倍率放電，并以不同生熱速率產(chǎn)生大量熱量，再加上時間累積以及空間影響將會聚集大量熱量，從而導(dǎo)致電池組運行環(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。

如果電動汽車電池組不能及時散熱，將導(dǎo)致電池組系統(tǒng)的溫度過高或分布不均勻，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）估計的準(zhǔn)確性，影響到電動汽車的系統(tǒng)控制。

根據(jù)中國科學(xué)院工程熱物理研究院，動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力電池，然后通過液態(tài)流體的循環(huán)流動把電池包內(nèi)產(chǎn)生的熱量帶走達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，可以達到較好的散熱效果。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的一個重點項目正在維捷- voxeljet 的支持下實現(xiàn)一種新型冷卻系統(tǒng)，借助3D打印，其項目中的研究對象：ethec 城市電動摩托車中的新型冷卻系統(tǒng)可確保電池的使用壽命更長。

電動交通工具發(fā)展到 2021 年，其中電動汽車的高速和遠距離實際上總是與極其沉重和龐大的儲能系統(tǒng)相關(guān)。汽車和卡車可能已經(jīng)提供了必要的空間，但在電動摩托車上，工程藝術(shù)仍有一些障礙需要克服。由于電池容量不足，市場上已有的相對強大的電動摩托車更適合城市交通，而不是長途越野旅行。

ethec 城市項目的技術(shù)方法可能會改變這一點。ethec 代表“ETH Electric Cruiser”，是由蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)的電動摩托車概念。項目發(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)化為實際應(yīng)用。在 2017 年啟動的 ethec 項目中，其目的是通過回收制動能量和改進電池設(shè)計來顯著提高電動摩托車的效率。

有限的空間使電池冷卻高效化

與大型車輛相比，在摩托車上將電池運行期間產(chǎn)生的熱量保持在恒定水平更困難。而最佳溫度管理對于電池的使用壽命至關(guān)重要。

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，電動汽車中的電池冷卻通常是通過冷卻劑通過軟管或管道流過電池來實現(xiàn)的，這種方法的缺點是只能進行點或線接觸，實際上并沒有實現(xiàn)沉浸式直接接觸。鑒于摩托車車架中間的空間有限，ethec項目最終只能實現(xiàn)一個概念：將所有電池完全嵌入油浴中。

ethec項目團隊分成兩個模塊，總共組裝了 1,269 個鋰離子圓形電池，總輸出功率為 15 kWh。然后使用計算機輔助流動模擬來創(chuàng)建電池外殼的最佳結(jié)構(gòu)，不僅必須絕對防漏，而且必須確保單個電池與硅油流動之間的完美接觸。為了展示從原型到批量生產(chǎn)的方式，ethec項目團隊選擇落在了3D打印砂型與金屬鑄造的結(jié)合上，具體來說，3D 打印的砂模被用作鑄造鋁銅合金的模板。

在應(yīng)對十分復(fù)雜的設(shè)計的時候，3D打印砂型還可以顯著節(jié)省時間，在制造復(fù)雜砂型鑄造模具時可以節(jié)省前所未有的時間。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項目設(shè)計的節(jié)能電動摩托車的概念顯示出驚人的潛力：最高時速應(yīng)達到 160 公里/小時，并且由于能量回收和新穎的電池概念，ethec city 可以實現(xiàn)約 400 公里的續(xù)航里程。

不僅僅在歐洲，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，在國內(nèi)，voxeljet-維捷蘇州中國總部還通過創(chuàng)新的3D打印砂型模具技術(shù)在3-5天內(nèi)實現(xiàn)從模型到產(chǎn)品的制造過程，并且還可以通過創(chuàng)新的工藝、夾具、刀具以及整線自動化設(shè)計，實現(xiàn)汽車關(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。

總體來說3D打印方式生產(chǎn)的組件不僅可以實現(xiàn)激動人心的未來派設(shè)計，還可以節(jié)省大量成本，因為它們不僅可以具有優(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組裝，而從功能上來說還可以獲得增強?；蛟S，很快，我們將覺察到，我們所熟悉的產(chǎn)品形狀在悄悄的發(fā)生變化。