Sviluppo di veicoli elettrici con la stampa 3D

veicoli elettrici

Primo costruttore di moto elettriche supersportive italiano, Energica Motor Company si pone anche come attore di prima mossa nel globale mercato dei veicoli elettrici.

Con la designazione a costruttore unico per la FIM Enel MotoE™ World Cup, la coppa del mondo dedicata a moto elettriche, la cui prima edizione si è conclusa poco tempo fa con la vittoria di Matteo Ferrari del team Gresini, lo sviluppo tecnologico di Energica ha avuto un'accelerazione.

Come top player del mercato dei veicoli elettrici Energica si avvale di partner tecnici in grado di produrre innovazione tecnologica e nuove soluzioni di altissimo livello in tempi stretti.

Fin dalla sua fondazione Energica si è avvalsa della collaborazione di Crp Technology per la stampa 3D professionale con i materiali Windform.

Come nel caso della ricerca e sviluppo di porta-celle per test su pacchi batteria prototipali delle moto Energica, sia da gara che da strada.

Le moto Energica, infatti, si avvalgono di una batteria a polimeri di litio ad alta energia (Li-NMC).

La batteria è inserita in un guscio ermetico contenente le celle, il Sistema di Gestione Batterie BMS (Battery Management System) e tutti i dispositivi necessari per garantire la sicurezza del veicolo.

Inoltre, Energica ha progettato, brevettato e adottato sulle proprie moto un sistema di raffreddamento del guscio ermetico per ovviare al surriscaldamento delle batterie.

Grazie a specifici percorsi di ventilazione, questa tecnologia consente di limitare lo stress delle batterie con notevole beneficio sia in termini di prestazioni del veicolo sia della durata delle batterie stesse.

Il mantenimento degli altissimi standard tecnologici di Energica si basa anche sullo studio che il reparto di Ricerca e Sviluppo compie, di continuo, sulle nuove celle che compaiono sul mercato, al fine di valutare il loro impiego nella produzione industriale.

Il team di esperti di Energica parte dalla validazione della singola cella (screening iniziale) per arrivare a testare su strada il pacco batteria prototipale. I test che vengono condotti sulle celle fanno parte del know-how di Energica, e per questo non si possono divulgare in dettaglio.

Esploso di un porta-cella con cella e sistema di raffreddamento. Il calore viene trasferito alla piastra e portato sui lati esterni (frecce rosse) per la dissipazione (frecce blu)

In questo caso specifico, lo studio è stato condotto su celle di tipo pouch (“a sacchetto” o “a busta”). Si tratta di batterie molto sottili che non dispongono di un contenitore rigido.

Per poter svolgere in maniera

efficace le analisi previste dal protocollo di Energica, il team di ingegneri ha deciso di dotare ogni singola cella pouch di un contenitore prismatico con la funzione di sostegno e rinforzo.

Per testare anche su strada il pacco batteria prototipale, i porta-cella di ogni singola cella pouch dovevano essere realizzati in un materiale altamente performante dalle ottime prestazioni meccaniche, e attraverso una tecnologia che incontrasse le richieste di Energica.

Crp Technology ha affiancato il team di ingegneri di Energica dalla prima fase di studio fino alla realizzazione dei porta-cella in stampa 3D professionale e Windform.

Dopo un'analisi delle esigenze di Energica e dei file 3D dell’applicazione, Crp Technology ha optato per usare la tecnologia della sinterizzazione laser selettiva con il materiale Windform FR2, il nuovo composito della famiglia Windform TOP-LINE ritardante di fiamma e caricato fibra di vetro.

Franco Cevolini, Direttore Tecnico e VP di CRP Technology

Come spiega l’Ingegner Franco Cevolini, Direttore Tecnico e Vice presidente di CRP Technology “Dovendo costruire prototipi funzionali di custodie per celle di tipo pouch che sarebbero stati utilizzate in vari test, comprese prove su strada risultò fin da subito necessario utilizzare un materiale plastico, non conduttivo elettricamente, rigido, resistente in temperatura, flame retardant”.

È stato scelto il Windform FR2 perché è l’unico materiale in commercio che possiede tutte queste peculiarità.

La caratteristica flame retardant è molto importante, perché garantisce l’autoestinguenza nel caso in cui si verificassero anomalie di funzionamento che potrebbero sfociare in un picco di tensione temporaneo, con conseguente fusione localizzata seguita da un principio di combustione.

Per esempi, come spiega Cevolini, se dovesse verificarsi un inizio di combustione in una porzione localizzata del contenitore della cella, e questo polimero fosse flame retardant, allora la combustione verrebbe soffocata. Invece, se il materiale non fosse flame retardant, allora si andrebbe incontro a problemi, ovvero che la combustione degeneri in incendio.

Anche la rigidezza è importante: “Il materiale – continua Cevolini – doveva presentare prestazioni meccaniche tali da garantire al pacco batteria prototipale una rigidezza d’insieme per supportare la variazione volumetrica che le celle subiscono nella fase di carica e scarica. Si tratta di una variazione che genera pressioni: il porta-cella doveva quindi essere in grado di resistere a queste pressioni".

Il reparto di stampa 3D di CRP Technology ha proceduto con la realizzazione e consegna, in tempi brevi, dei porta-cella.

Al netto della buona riuscita del lavoro prototipale e di test, esistono possibili problematiche delle celle di tipo pouch e loro risoluzione segue sempre la strada della stampa 3D con il materiale composito Windform FR2

Problematica: aumento di volume

L’aumento di volume delle celle di tipo pouch è un argomento di estrema importanza, che non deve essere sottovalutato. Durante la fase di carica, all’interno del sacchetto delle celle pouch si forma del gas che ne fa aumentare il volume. Le celle tendono così a “gonfiarsi”.

Per svolgere i test sul pacco batteria prototipale, che è caratterizzato da un certo numero di celle in sequenza  - spiega Giampiero Testoni, Direttore Tecnico di Energica – ogni cella deve stare nella sua posizione e non si deve muovere. La stabilità deve essere garantita dal contenitore della cella. Le celle di tipo pouch devono essere compresse in una misura ben definita, in modo da permettere ad ogni cella di spanciare. Il porta-cella riveste quindi un ruolo fondamentale: deve possedere una certa resistenza per contenere l’espansione della cella senza che queste si rompano”.

Il team di ingegneri di Energica, coadiuvato da CRP Technology, ha verificato che il Windform FR2 e il processo di sinterizzazione laser selettiva garantiscono un alto livello di precisione che consente alla cella di mantenere la posizione all’interno del pacco batteria.

Il contenitore della cella in Windform FR2 – dice Testoni - lascia alla cella stessa quel grado di libertà per aumentare e/o diminuire di volume senza deformarsi, senza andare fuori posizione, senza interferire una con l’altra”.

Problematica: calore da dissipare

L’aumento di volume delle cella a sacchetto genera del calore che deve essere dissipato. Come soluzione a tale problema, a ogni singola cella e porta-cella (unità ripetitiva) è stata fissata una piastra di metallo che presenta due strutture laterali. La funzione della piastra è quella di raffreddante: il calore viene trasferito alle strutture laterali e da qui dissipato all’esterno, grazie al sistema di raffreddamento del guscio ermetico brevettato da Energica.

Verifiche e test hanno dimostrato che il Windform FR2 mantiene la rigidezza richiesta, e non si deforma con l’aumento di calore.

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