Neuartiges Kühlsystem per 3D-Druck
Studentisches Fokusprojekt der ETH Zürich
Ein neuartiges Kühlsystem sorgt im Elektromotorrad ethec city für eine längere Lebensdauer der Batteriezellen. Um Studenten auch Fertigungsverfahren näher zu bringen, die abseits des Prototypenbaus für die Serienproduktion eingesetzt werden können, fertigte voxeljet die Gussform für das innovative Batteriegehäuse des Prototypen im Binder Jetting-Verfahren an.
Mit dem E-Motorrad rasend schnell und nahezu lautlos die Weite der Landschaft durchqueren: Was in Science-Fiction-Filmen selbstverständlich ist, wird in der Gegenwart durch die Tücken der Batterietechnologie kräftig ausgebremst. Hohe Geschwindigkeit und große Reichweite sind in der E-Mobilität anno 2021 praktisch immer mit extrem schweren und voluminösen Energiespeichern verbunden. PKW und LKW mögen den dafür nötigen Platz bereits bieten; auf dem Weg zum klimafreundlich angetriebenen Feuerstuhl muss die Ingenieurskunst aber erst noch einige Hürden überwinden. Was es an vergleichsweise leistungsstarken E-Motorrädern am Markt bereits gibt, eignet sich mangels Akkukapazität bislang eher für den Stadtverkehr als für ausgedehnte Überlandfahrten.
Der technologische Ansatz des ethec könnte das ändern. ETHEC steht für „ETH Electric Cruiser“, das Konzept eines Elektromotorrades von Studenten der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich. Im Rahmen von „Fokusprojekten“ bekommen Studierende der ETH die Möglichkeit, ihre theoretisch erworbenen Kenntnisse in reale Technologien umzusetzen. Als Projektträger fungiert die inspire AG, die als strategischer Partner der Hochschule den Technologietransfer von Forschungsergebnissen in praktische Anwendungen begleitet.
Im 2017 gestarteten Projekt ethec sollte es darum gehen, die Effizienz von E-Motorrädern über die Rückgewinnung von Bremsenergie und eine veränderte Konstruktion der Batterie deutlich zu steigern. Zugleich musste das Team aus Maschinenbau-Studenten, angehenden Elektroingenieuren und künftigen Industriedesignern von der ETH Zürich, der Fachhochschule Nordwestschweiz und der Züricher Hochschule der Künste entscheiden, welche Verfahren zur Herstellung der benötigten Bauteile jeweils am besten geeignet wären. Da es zunächst um einen Prototyp ging, galt die Aufmerksamkeit vor allem dem 3D-Druck.
Begrenzter Raum erschwert Batteriekühlung
Die Rekuperation, also die Rückgewinnung von Bremsenergie, realisierten die Schweizer Tüftler über den Einbau eines Radnabenmotors ins Vorderrad der Maschine. Deutlich schwieriger gestaltete sich die Frage, wie der zusätzlich verfügbare Strom am besten zur Steigerung der Reichweite gespeichert werden könne. Auf geringstem Raum eine hohe Energiedichte zu schaffen, ist eine Sache. Die im Batteriebetrieb entstehende Wärme auf einem konstanten Niveau zu halten, gestaltet sich am Motorrad hingegen schwieriger als in einem größeren Fahrzeug. Für die Lebensdauer des Akkus ist optimales Temperaturmanagement jedoch von entscheidender Bedeutung.
„Die Batteriekühlung von E-Fahrzeugen erfolgt normalerweise mit einem Kühlmittel, das durch einen Schlauch oder ein Rohr an den Zellen vorbeifließt“, erklärt Dr. Josef Mayr, Gruppenleiter Thermische Simulation bei der inspire AG und Koordinator des ETHEC-Projektes. „Der Nachteil dieser Methode liegt darin, dass lediglich Punkt- oder Linienberührungen stattfinden und ein direkter Kontakt mit den Zellen eigentlich gar nicht erreicht wird.“ Mit Blick auf den knapp bemessenen Raum in der Mitte des Motorradrahmens kam damit letztlich nur ein Konzept infrage: die komplette Einbettung aller Batteriezellen in ein Bad aus Öl.
Als Vorbild diente dem ethec-Team das Kühlsystem von Transformatoren in den Umspannwerken der großen Stromnetze. Das Silikonöl hat eine ähnlich gute dielektrische Eigenschaft wie Luft, wodurch ein Kurzschluss in der Batterie verhindert wird, gleichzeitig ist die Wärmekapazität aber um ein Vielfaches höher.
Sandform im 3D-Druck als Einstieg in die Serienfertigung
Verteilt auf zwei Module, montierten die ETH-Studierenden insgesamt 1.260 Lithium-Ionen-Rundzellen mit einer Gesamtleistung von etwa 15 kWh. Auf Basis computergestützter Strömungssimulationen entstand dann die optimale Struktur des Batteriegehäuses, das nicht nur absolut dicht sein musste, sondern auch den perfekten Kontakt zwischen den einzelnen Zellen und dem Fluss aus Silikonöl sicherstellen sollte. Ein Objekt von der Größe des ethec-Batteriegehäuses überstieg aber die Kapazitäten der verfügbaren Direkt Metalllasersinter- (DMLS)-Anlagen. Und um den Studierenden, so Josef Mayr, „die Richtung vom Prototyp zur Serie aufzuzeigen“, fiel die Wahl auf den Metallguss. Konkret: Auf eine im 3D-Druck angefertigte Sandform als Vorlage für den Abguss einer Aluminium-Kupfer-Legierung – kurz Printed Casting.
Die vom ethec-Team bereitgestellten, digitalen CAD-Daten des Batteriegehäuses bildeten für voxeljet die Basis zur Herstellung einer Sandgussform im Binder Jetting 3D-Druck. Dabei werden abwechselnd eine wenige Mikrometer dünne Schicht aus Quarzsand und ein darauf gejettetes Bindemittel aufeinandergeschichtet, bis die vorgegebene Geometrie des späteren Bauteils mit höchster Präzision abgebildet ist. Die Fertigstellung des ETHEC-Batteriegehäuses erfolgte schließlich in der Aluminiumgießerei von Kupral Spa mit Sitz im italienischen Brescia.
Eine vollumfängliche praktische Erprobung des ethec-Prototyps steht derzeit noch aus. Doch das von Studenten erdachte Konzept eines energieeffizienten E-Motorrads zeigt ein beeindruckendes Potenzial: Die Höchstgeschwindigkeit soll maximal 160 km/h betragen und dank Rekuperation und dem neuartigen Batteriekonzept könnte ethec city eine Reichweite von rund 400 Kilometern erreichen. Ob das Konzept auch potenzielle Käufer überzeugt, bleibt für den Moment offen – die Suche nach einem Partner für die industrielle Serienfertigung von ethec city dauert noch an.
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