3Dプリントで最適化されたケースを作り、電動バイクのバッテリー寿命を延ばす方法についての考察

出典: 3Dサイエンスバレー

電動バイクのバッテリーは動作電流が大きく、発熱量も大きいうえ、バッテリーパックは比較的密閉された環境にあるため、バッテリーの温度が上昇します。バッテリーパックの放熱にはアクティブとパッシブの 2 種類があり、両者の効率には大きな違いがあります。パッシブシステムに必要なコストは比較的低く、講じられる対策も比較的単純です。アクティブシステムの構造は比較的複雑で、より大きな追加電力を必要としますが、熱管理はより効果的です。

これには、設計の拡張可能なスペースが関係します。冷却システムとバッテリー間の熱接触面積を増やして、冷却効率を向上させるにはどうすればよいでしょうか。この号では、3D Science Valley が voxeljet の事例を使用して、最適化されたケースを 3D プリントすることで電動バイクのバッテリー寿命を延ばす方法を Valley の友人と共有します。

△ボクセルジェット
製品デザインは静かに変化している

中国科学院工程熱物理研究所*によると、車両にバッテリーを搭載するスペースが限られており、正常な動作に必要なバッテリーの数が多いため、バッテリーの放電速度が異なり、発熱速度が異なり、大量の熱が発生します。さらに、時間の蓄積と空間の影響により大量の熱が蓄積され、バッテリーパックの動作環境の温度条件が複雑かつ変化しやすくなります。バッテリーパック内の温度上昇は、バッテリーパックの電気化学システムの動作、サイクル寿命、充電許容性、バッテリーパックの電力とエネルギー、安全性と信頼性などに重大な影響を及ぼします。

電気自動車のバッテリーパックが時間内に熱を放散できない場合、バッテリーパックシステムの温度が高くなりすぎたり、温度分布が不均一になったりして、バッテリーの充放電サイクル効率が低下し、バッテリーの電力とエネルギー出力に影響します。ひどい場合には熱暴走も引き起こし、システムの安全性と信頼性に影響します。さらに、発熱するバッテリー本体が密集しているため、必然的に中央領域に熱が多く蓄積され、エッジ領域に熱が少なく蓄積されるため、バッテリーパック内のユニット間の温度不均衡が増大し、バッテリーモジュールとセルのパフォーマンスが不均一になり、最終的にバッテリーパフォーマンスの一貫性とバッテリー充電状態（SOC）の推定精度に影響し、電気自動車のシステム制御に影響します。

中国科学院工程熱物理研究所によると、動力電池の液冷式放熱システムとは、冷媒が動力電池に直接または間接的に接触し、液流体の循環を通じて電池パック内で発生した熱を奪い、放熱効果を実現する放熱システムを指します。冷媒には水、水とエチレングリコールの混合物、鉱油、R134a などが使用できます。これらの冷媒は熱伝導率が高く、より優れた放熱効果が得られます。

3D Science Valley の市場調査によると、ETH チューリッヒの主要プロジェクトは、voxeljet のサポートによる新しい冷却システムの実現です。プロジェクトの研究対象である 3D プリントの助けを借りて、ethec 都市型電動バイクの新しい冷却システムは、より長いバッテリー寿命を保証します。

電気輸送は 2021 年まで進化しており、電気自動車の高速性と長距離性には、極めて重くかさばるエネルギー貯蔵システムがほぼ常に伴っています。自動車やトラックはすでに必要なスペースを提供しているかもしれませんが、電動バイクに関しては、工学技術にはまだ克服すべきハードルがいくつかあります。すでに市場に出回っている比較的パワフルな電動バイクは、バッテリー容量が不十分なため、長距離のオフロード走行よりも市街地交通に適しています。

ethec city プロジェクトの技術的アプローチはそれを変える可能性があります。 ethec は「ETH Electric Cruiser」の略で、チューリッヒのスイス連邦工科大学が開発した電動バイクのコンセプトです。このプロジェクトの発起者は、研究成果を実際の応用に応用する大学の戦略的パートナーである inspire AG です。 2017年に開始されたethecプロジェクトでは、ブレーキエネルギーの回収とバッテリー設計の改善により、電動バイクの効率を大幅に向上させることを目指しています。

限られたスペースでバッテリーの冷却効率が向上

バッテリーの動作中に発生する熱を一定レベルに保つことは、大型車両よりもオートバイでは困難です。最適な温度管理はバッテリーの耐用年数にとって重要です。

3D Science Valleyによると、電気自動車のバッテリー冷却は通常、ホースやパイプを通じてバッテリーに冷却剤を流すことで実現されます。この方法の欠点は、点接触または線接触しか実現できず、実際には浸漬直接接触が実現されないことです。オートバイのフレーム中央のスペースが限られているため、ethec プロジェクトでは最終的に、すべてのバッテリーをオイルバスに完全に埋め込むというコンセプトしか実現できませんでした。

ethec プロジェクトチームは、合計 1,269 個のリチウムイオン円形セルを 2 つのモジュールに組み立て、合計出力を 15 kWh にしました。次に、コンピューター支援フローシミュレーションを使用して、バッテリーハウジングの最適な構造を作成しました。この構造は、絶対に漏れがないようにするだけでなく、個々のセルとシリコンオイルの流れとの完全な接触を確保する必要がありました。プロトタイプから量産までの道筋を示すために、ethec プロジェクトチームは 3D プリントされた砂型と金属鋳造を組み合わせることを選択しました。具体的には、3D プリントされた砂型はアルミニウム銅合金を鋳造するためのテンプレートとして使用されました。

3D プリントされた砂型は、非常に複雑な設計を扱う場合にも大幅な時間を節約でき、複雑な砂型鋳造の製造時に前例のない時間を節約します。 voxeljet ベースの製造プロセスにより、バインダージェッティング技術と金属鋳造を組み合わせて、ほぼあらゆるサイズの部品を経済的に製造できるようになりました。 ETHEC バッテリーハウジングは、最終的にはイタリアのブレシアにある Kupral Spa アルミニウム鋳造所で鋳造されます。

△ボクセルジェット
ETHEC プロジェクトによって設計されたエネルギー効率の高い電動バイクのコンセプトは、驚くべき可能性を示しています。最高速度は 160 km/h に達し、エネルギー回生と新しいバッテリーコンセプトにより、ETHEC City は約 400 km の走行距離を達成できるはずです。

3Dサイエンスバレーの市場観察によると、ヨーロッパだけでなく、中国でも、voxeljetの蘇州中国本社は革新的な3Dプリント砂型技術を使用して、モデルから製品までの製造プロセスを3〜5日以内で実現し、革新的なプロセス、固定具、ツール、および全ライン自動化設計を通じて、主要な自動車部品の柔軟で効率的な生産も実現し、企業の変革と革新に強力なサポートを提供します。

一般的に、3D プリントで製造されたコンポーネントは、魅力的な未来的なデザインを実現できるだけでなく、トポロジー構造を最適化できるだけでなく、重量を大幅に軽減し、組み立てに必要な部品数を減らし、機能も強化できるため、コストを大幅に節約できます。おそらく近い将来、私たちが慣れ親しんでいる製品の形状が静かに変化していることに気づくことになるでしょう。

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