DHBW Engineering Stuttgart

System chłodzenia dla samochodów wyścigowych Formula Student wyprodukowany metodą drukowania przestrzennego

„Złożony i niezwykle lekki komponent służący do odprowadzania ciepła przyczynił się do redukcji maksymalnej temperatury w obrębie obudowy akumulatorów z 80°C do zaledwie 50°C. Przełożyło się to na zwiększenie wydajności chłodzenia o ponad 100%”.

DHBW Engineering Stuttgart

Enzo Ferrari, Ferry Porsche, Ferruccio Lamborghini – oni wszyscy skonstruowali swoje sportowe samochody sami, ponieważ nie znaleźli żadnego modelu auta, który spełniałby wszystkie ich oczekiwania. Każdego roku marzenie ujrzenia własnego samochodu wyścigowego na linii startu dla uczestników serii wyścigów Formula Student staje się rzeczywistością. Zgodnie z aktualnymi trendami ochrony środowiska w centrum zainteresowania pozostaje silnik elektryczny. Należący do zespołu DHBW Engineering Stuttgart, pojazd eSleek14 posiada dwa silniki elektryczne, każdy o mocy 60 KM. Źródłem energii elektrycznej napędzającej maszynę jest bateria, umieszczona z boku wewnątrz pojazdu. Proces konstrukcji systemu chłodzenia powietrza wspierała firma EOS, jako ekspert w dziedzinie drukowania przestrzennego.

WYZWANIE

Napęd samochodu z silnikiem elektrycznym to skomplikowana konstrukcja. Aktualny układ przeniesienia napędu jest prostszy niż w przypadku tradycyjnych silników spalinowych, w przeciwieństwie do skomplikowanego sposobu integracji modułów magazynowania energii elektrycznej. W przypadku pojazdu eSleek14 są to baterie litowo-polimerowe – 24 moduły o łącznej mocy 6,7 kWh. Źródło energii znajduje się w obudowie baterii wykonanej z plastiku wzmocnionego włóknem szklanym o konstrukcji typu „sandwich”, podczas gdy zintegrowany system zarządzania baterią (BMS) kontroluje poziom naładowania i rozładowania poszczególnych baterii.

Ze względu na zastosowaną technologię chemiczną ogniw, baterie litowo-jonowe są palne. Fizyczne zabezpieczenie pakietów ogniw jest równie istotne co niezawodna wentylacja systemu jako całości. W przeciwnym razie przegrzanie może skutkować uszkodzeniem a nawet pożarem. Dlatego w połączeniu z BMS tak bardzo istotna jest kontrola procesu powstawania ciepła. Jednocześnie optymalny system odprowadzania ciepła gwarantuje najlepszą możliwą wydajność systemu dostarczania energii i zapewnia dystrybucję mocy do silnika elektrycznego.

Innym czynnikiem, będącym stale na uwadze projektantów, jest waga każdego komponentu. Bateria musi być tak mała i tak ciasno umieszczona jak to tylko możliwe, aby zapewnić maksymalną wydajność przy wykorzystaniu minimalnej przestrzeni. Przed takim wyzwaniem zostali postawieni projektanci pojazdu eSleek14. Ich odpowiedź musiała również spełniać wymogi wyścigów Formuły dotyczące bezpieczeństwa przy zderzeniach.

ROZWIĄZANIE

Cały system baterii został skonstruowany w sposób zapewniający bezpieczeństwo zarówno pod względem mechanicznym, jak i elektrycznym, przy jednoczesnej optymalizacji chłodzenia. Trzy ciągłe kanały gwarantują dopływ powietrza oraz wentylację modułu magazynującego energię elektryczną dzięki zastosowaniu wpływającego i wypływającego strumienia powietrza. Powietrze chłodzące jest wprowadzane z przodu, następnie rozprowadzane wzdłuż ogniw dzięki trzem kanałom, po czym gromadzone jest z powrotem w kolektorze i na koniec jest odciągane w celu usunięcia go za pośrednictwem wentylatora promieniowego – techniczny majstersztyk konstruktorów. Nie są to jednak komponenty ogólnodostępne. Proces drukowania przestrzennego oferuje wyjątkowo korzystne możliwości w tym zakresie.

David Köhler, człowiek odpowiedzialny zarówno za konstrukcję baterii dla samochodów z rocznika 2013/2014, jak i za koncepcję chłodzenia dla urządzeń wysokiego napięcia potwierdza: “Zdecydowaliśmy się na produkcję przewodu chłodzącego metodą drukowania przestrzennego i dzięki technologii firmy EOS mieliśmy całkowitą swobodę projektowania. Przy tak niewielkiej produkcji metoda formowania wtryskowego nie była opłacalna, tym bardziej że i tak musielibyśmy wprowadzić zmiany w konstrukcji projektu.” W sezonie 2013/2014, podobnie jak i w ubiegłych latach, firma EOS przeszkoliła zespół w zakresie metod najlepszego wykorzystania korzyści płynących z drukowania przestrzennego.

Podczas opracowywania obudowy akumulatorów udało się wykonać nie tylko kanały chłodzące pomiędzy pojedynczymi modułami, ale również kanał chłodzący odprowadzający powietrze z powrotem na zewnątrz w najbardziej wydajny sposób, z tyłu obudowy. W celu spełnienia surowych wymogów dotyczących wagi komponentu zespół zdecydował się na wybór wysokiej jakości lekkiego poliamidu PA2200 do konstrukcji. Materiał ten wyróżnia się wysoką sztywnością i dobrą przewodnością termiczną – idealne właściwości do zastosowania w sportach motorowych.

WYNIKI

Przewód powietrzny został wyprodukowany przy użyciu systemu EOS P396, pracującego w technologii SLS, która polega na selektywnym spiekaniu sproszkowanego materiału warstwa po warstwie aż do ukształtowania ostatecznej formy komponentu. Intensywne testy komponentów wykazały, że konstrukcja to jest zgodna ze wszystkimi standardami bezpieczeństwa.

Kolejnym krokiem będzie sukcesywna integracja komponentów z pojazdem. Waga również spełniła oczekiwane kryteria: przewód chłodzący waży zaledwie 77 g. Znaczenie każdego grama odzwierciedla fakt, że łączna waga eSleek14 wynosząca dokładnie 180 kg przekłada się na stosunek mocy/wagi wynoszący dokładnie 1,5 kg/KM. Dla porównania, każdy KM w wersji drogowej Porsche 911 GT2 przekłada się na 3 kg wagi. Zespołowi udało się zwiększyć wydajność chłodzenia o ponad 100%. W sumie temperatura w obudowie akumulatora zmniejszyła się z 80°C do zaledwie 50°C. System dystrybucji również został w znacznym stopniu ujednolicony. Wyniki zespołu na torze w Hockenheim pokazują wyraźnie, że podczas procesu odprowadzania ciepła nie dochodzi do spalania. Po szokującej dyskwalifikacji za nadmierne osiągnięcia (!) w testach przyspieszania, zespół pokazał swoje mocne strony w zawodach wytrzymałości i wydajności, finiszując na 4 miejscu w obu kategoriach.

Pomimo dyskwalifikacji w testach przyspieszenia zespół zdołał uplasować się na 7 miejscu w klasyfikacji ogólnej. Rajd w Barcelonie ostatecznie potwierdził, że samochód jest nie tylko szybki ale również niezawodny i wydajny. “Dotrzymaliśmy tempa najlepszym zespołom na świecie. Po Barcelonie i Hockenheim zajmujemy miejsce wśród dziesięciu najlepszych w globalnych rankingach”, podsumowuje Köhler z dumą. Warto uważnie obserwować długofalowe wyniki w najbliższych latach. W swej roli wyścigów szkoleniowych dla nowej generacji inżynierów, Formula Student posiada wartość którą trudno zmierzyć. „Dzisiaj budujemy fundamenty pod innowacje, które nadejdą jutro.” Nikolai Zaepernick, Dyrektor Działu Rozwoju Strategii i Biznesu w EOS jest tego pewien. „Dla nas to był świadomy wybór. Ten rodzaj zastosowania ma ogromny potencjał jeśli chodzi o wykorzystanie w samochodach elektrycznych w najbliższych latach”.