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Dossiers

Nouveau cas d’application du CRP Technology

Publication: 17 mars

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Utilisation de l’impression 3D pour le développement de véhicules électriques...
 

Premier constructeur de motos électriques supersportives Made in Italy, Energica Motor Company Spa se range parmi les leaders du marché toujours croissant des véhicules électriques.

En tant que constructeur unique pour FIM Enel MotoE™ World Cup, la coupe du monde de motocyclisme électrique, dont la première édition s’est disputée récemment, avec la victoire de Matteo Ferrari (équipe Gresini), le développement technologique d’Energica a connu une accélération importante, pouvant compter sur un élément de compétitivité unique représenté par la MotoE : Energica est de fait la seule entreprise au monde disposant d’un banc d’essai exclusif pour essayer de nouvelles solutions techniques avec les meilleurs pilotes du monde. Un soutien sans précédent pour le département de Recherche et Développement d’Energica, pour le secteur racing aussi bien que pour les motos en série.

Être parmi les premiers acteurs mondiaux du marché des véhicules électriques signifie s’appuyer sur des partenaires techniques en mesure de produire constamment l’innovation technologique et de nouvelles solutions de très haut niveau dans des délais très étroits : depuis sa fondation, Energica a bénéficié de la collaboration de CRP Technology, leader dans le domaine de l’impression 3D professionnelle avec les matériels Windform® depuis plus de 25 ans, née tout comme Energica de la vision d’entreprise de la famille Cevolini. Le cas d’application suivant montre comment CRP Technology a aidé Energica dans la recherche et développement de porte-cellules pour des essais sur des packs batterie prototypaux des motos Energica, de compétition et de route.

Le défi

Les motos Energica sont dotées d’une batterie au lithium polymère de haute énergie (Li-NMC).

La batterie est logée dans une coquille hermétique contenant les cellules, le Système de Gestion des Batterie (BMS - Battery Management System) et tous les dispositifs nécessaires à assurer la sécurité du véhicule.

En outre, Energica est la seule entreprise au monde ayant conçu, breveté et adopté pour ses motos un système de refroidissement de la coquille hermétique pour pallier aux risques de surchauffe des batteries. Grâce à des canaux spécifiques de ventilation, cette technologie permet de limiter les sollicitations des batteries avec un grand bénéfice en termes de prestations du véhicule et de durée des batteries.

Le maintien des très hauts standards technologiques d’Energica se base aussi sur l’étude constante des nouvelles cellules lancées sur le marché afin d’évaluer leur utilisation dans la production industrielle de la part du département de recherche et développement.

L’équipe d’experts d’Energica commence par la validation de la cellule individuelle (évaluation initiale) pour arriver à essayer sur route le pack batterie prototypal. Les essais qui sont conduits sur les cellules font partie du savoir-faire d’Energica et pour cette raison ils ne peuvent pas être diffusés dans les détails.

Dans ce cas spécifique, l’étude a été conduite sur des cellules de type pouch (« sachet » ou « enveloppe »). Il s’agit de batteries très minces qui n’ont pas un conteneur rigide.

Pour exécuter efficacement les analyses prévues par le protocole d’Energica, l’équipe d’ingénieurs a décidé de doter chaque cellule pouch d’un conteneur prismatique faisant fonction de support et renforcement. Pour essayer sur route aussi le pack batterie prototypal, les porte-cellules de chaque cellule pouch devaient être réalisés avec un matériel très performant aux excellentes performances mécaniques et par une technologie répondant aux demandes d’Energica.

Pour ces raisons, Energica s’est appuyée sur CRP Technology : grâce au savoir-faire acquis pendant de nombreuses années au service des secteurs industriels les plus compétitifs et exigeants, CRP Technology a assisté l’équipe d’ingénieurs d’Energica de la première phase d’étude jusqu’à la réalisation des porte-cellules par impression 3D professionnelle et Windform®.

La solution

Après une analyse attentive des exigences d’Energica et des fichiers 3D de l’application, CRP Technology a choisi la technologie de synthérisation laser sélective avec le matériel Windform® FR2, le nouveau composite de la famille Windform® TOP-LINE retardateur de flamme et chargé fibre de verre.

« Comme il était nécessaire de construire des prototypes fonctionnels d’étuis pour cellules de type pouch qui auraient été utilisés pour plusieurs essais, y compris des essais sur route » explique l’ingénieur Franco Cevolini, Directeur technique et Vice-président de CRP Technology« il a été évident dès le départ qu’il était nécessaire d’utiliser un matériel possédant des caractéristiques précises, soit un matériel plastique, non conducteur électriquement, rigide, résistant aux températures élevées, retardateur de flamme. »

On a choisi Windform® FR2 parce qu’il s’agit du seul matériel dans le commerce qui possède toutes ces caractéristiques.

« Plus en détail » explique l’ingénieur Cevolini « la caractéristique de retardateur de flamme est très importante, étant donné qu’elle assure l’extinction automatique en cas d’anomalies de fonctionnement qui pourraient provoquer un pic de tension temporaire, avec la conséquente fusion localisée suivie d’un début de combustion. Citons un exemple : Dans le cas d’un début de combustion d’une section localisée du conteneur de la cellule, si ce polymère est retardateur de flamme, la combustion sera étouffée. Au contraire, si le matériel n’est pas retardateur de flamme, il pourrait y avoir de graves problèmes, soit la combustion pourrait engendrer un incendie. L’utilisation de Windform® FR2 supprimerait cette menace. »

La rigidité aussi est très importante. « Le matériel » continue l’ingénieur Cevolini « devait avoir des performances mécaniques telles à assurer au pack batterie prototypal une rigidité globale pour résister à la variation volumétrique que les cellules subissent dans la phase de recharge et décharge. Il s’agit d’une variation qui engendre des pressions : le porte-cellules devait donc être en mesure de résister à ces pressions. »

Conclusions

Après l’étude attentive de technologies et matériels avec lesquels réaliser les pièces et la validation de la part d’Energica Motor Company, le département d’impression 3D de CRP Technology a procédé à la réalisation et livraison, dans de brefs délais, des porte-cellules.

L’application a permis, encore une fois, de mettre en valeur l’association parfaite de la technologie de la synthérisation laser sélective et des matériels composites Windform®.

Grâce à Windform® FR2, il a été possible d’exécuter sur le pack batterie prototypal tous les essais et les analyses prévus par le protocole d’Energica dans de très brefs délais et avec des résultats excellents et très performants en ce qui concerne les propriétés mécaniques, électriques et thermiques.

Focus : Problèmes pouvant concerner les cellules de type pouch et solution des problèmes par l’impression 3D et le matériel composite Windform® FR2

Problème 1 : augmentation du volume

L’augmentation de volume des cellules de type pouch est un enjeu très important qui ne doit pas être sous- estimé.

Pendant la phase de recharge, à l’intérieur du sachet des cellules pouch, le gaz qui se forme fait augmenter leur volume. Les cellules ont ainsi tendance à « se gonfler ».

« Pour exécuter les essais sur le pack batterie prototypal, caractérisé par un certain nombre de cellules en séquence (image 7 et 8) » explique Giampiero Testoni, Directeur technique d’Energica - chaque cellule doit rester en position et ne doit pas se déplacer. La stabilité doit être assurée par le conteneur de la cellule.

Les cellules de type pouch doivent être comprimées selon une valeur spécifique, de manière à permettre à chaque cellule de « déborder ».

Le porte-cellules joue ainsi un rôle fondamental : il doit posséder une certaine résistance pour limiter l’expansion de la cellule et empêcher sa rupture. » L’équipe d’ingénieurs d’Energica, assistée par CRP Technology, a montré comment Windform® FR2 et le procédé de synthérisation laser sélective assurent un haut niveau de précision qui permet à la cellule de rester en position à l’intérieur du pack batterie. « Le conteneur de la cellule Windform® FR2 », affirme Testoni, « laisse à la cellule même la liberté nécessaire pour augmenter et/ou réduire son volume sans se déformer, sans se déplacer de sa position ni interférer avec les autres cellules. »

Problème 2 : chaleur à dissiper

L’augmentation de volume de la cellule à sachet engendre de la chaleur qui doit être dissipée. Comme solution à ce problème, à chaque cellule et porte-cellules (unité répétitive) a été fixée une plaque de métal qui présente deux structures latérales. La fonction de la plaque consiste à refroidir : la chaleur est transférée aux structures latérales et dissipée vers l’extérieur grâce au système de refroidissement de la coquille hermétique brevetée par Energica.

Les figures 10 et 11 représentent la zone plus concernée par l’augmentation de la chaleur. Cette couche ne doit pas subir de déformations : la perte éventuelle de précharge de la vis pourrait engendrer des étincelles et amorcer un incendie.

Des contrôles et des tests ont montré que Windform® FR2 maintient la rigidité exigée et ne se déforme pas avec la chaleur.

« Quand un polymère commence à chauffer, il perd ses caractéristiques mécaniques et subit des déformations » explique l’ingénieur Cevolini « mais cela ne concerne pas Windform® FR2 car il s’agit d’un matériel chargé et maintient ses caractéristiques de rigidité. La température d’inflexion de la sous-charge de Windform® FR2 est plus élevée que les autres matériels non chargés ayant les mêmes caractéristiques de retardateurs de flamme. »

« Nous nous appuyons sur CRP Technology et sur son département d’impression 3D professionnelle parce qu’elle dispose du bon composite pour satisfaire à toutes les exigences, notamment pour soutenir un projet complexe comme celui des motos électriques Energica. Je ne parle pas d’une motocyclette commune, mais d’un véhicule électrique haute tension et puissance qui a des exigences particulières. CRP Technology est le meilleur partenaire pour aider les clients à relever leurs défis chaque jour. », Giampiero Testoni, Directeur technique, Energica Motor Company.

http://www.crptechnology.com/

http://www.windform.com/

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