Анализ на конструкциите на корпуса на акумулатора от алуминиева сплав и технологиите за свързване за нови енергийни превозни средства

Тъй като системите за захранващи батерии за нови енергийни превозни средства се развиват към по-висока енергийна плътност, олекотяване и по-голяма интеграция, корпусът на батерийния пакет се превърна от обикновен структурен щит в критичен компонент, който едновременно се справя-на носене, уплътняване, управление на топлината и системна интеграция. За захранващите батерии, докато системите от клетъчни материали и технологиите за управление на батерията продължават да се подобряват, намаляването на теглото на корпуса за повишаване на енергийната плътност на-ниво на системата представлява директен и ефективен инженерен подход.

 

Алуминиевите сплави предлагат ниска плътност, висока специфична якост, отлична устойчивост на корозия, добра топлопроводимост, благоприятна възможност за формоване и възможност за рециклиране, което ги прави изключително ценни за нови структури на батерийни пакети за превозни средства. В сравнение с традиционните стоманени корпуси, структурите от алуминиеви сплави намаляват теглото, като същевременно отговарят на изискванията за носещи-натоварвания, осигурявайки по-голяма гъвкавост на дизайна за оформление на модула на батерията, интегриране на охладителната система и оптимизиране на пробега на превозното средство.

 

Общите структурни проекти за нови енергийни акумулаторни системи за превозни средства включват екструдирани алуминиеви корпуси, щамповани алуминиеви листови конструкции и хибридни структури, съчетаващи профили и листове. Екструдираните профили, по-специално, предлагат напречни-разрези с възможност за много персонализиране; функции като много-камерни конструкции, подсилващи ребра и локализирани твърди секции позволяват повишена структурна твърдост, като същевременно оптимизират използването на материала. За призматични клетъчни системи дизайнът на корпуса трябва също да бъде координиран с разположението на клетката, охлаждащите канали и уплътнителната структура на горния капак.

 

На ниво клетка алуминиевата кутия служи за капсулиране на вътрешността на клетката и осигуряване на външна защита, докато корпусът на батерията е основно отговорен за структурното{0}}понасяне на натоварването и защитата на околната среда на цялата система от батерии; двете се различават значително по размери, дебелина на материала, методи на формоване и изисквания за свързване. Следователно изискванията за механично, електрическо и термично управление както за корпуса на клетката, така и за корпуса на батерията трябва да бъдат оценени отделно по време на процеса на структурно проектиране.

 

 

 

Типичен корпус на батерия от алуминиева сплав се състои от рамка, основна плоча, горен капак и вътрешни монтажни структури. Рамката и основната плоча поемат основните натоварвания от батерийните модули и свързаните с тях компоненти, докато горният капак основно осигурява защита и уплътнение, в допълнение към допринасянето за цялостната структурна здравина. В зависимост от конкретния модел превозно средство и оформлението на акумулаторната система могат също да бъдат интегрирани компоненти като охлаждащи канали, монтажни скоби, структурни подсилвания, стойки за кабелни снопове и зони за свързване с високо-напрежение.

 

За алуминиеви кутии за батерии в нови енергийни превозни средства структурният дизайн не може да се фокусира единствено върху намаляването на теглото; той трябва едновременно да отговаря на изискванията за якост, твърдост, устойчивост на умора, безопасност при катастрофа, уплътнение и технологичност. Зоните на свързване в корпуса често са критични зони за структурен дизайн и валидиране на надеждността, особено като се имат предвид работните условия, включващи дълготрайни-вибрации, термични цикли и удари на пътя.

 

Рамката и основната плоча обикновено използват профили от екструдирана алуминиева сплав с множество вътрешни кухини. Оптимизирането на напречното-сечение на профила позволява висок инерционен момент при относително ограничено използване на материал. Усилващи ребра или локализирани твърди секции могат да бъдат включени в зони, подложени на високи натоварвания, докато ненужният материал може да бъде отстранен от не-критичните{4}}носещи натоварване зони чрез намаляване на дебелината на стената, оптимизиране на размерите на кухината или използване на пост-екструзионна обработка.

 

В допълнение към поддържането на теглото на батерийните клетки и модули, основната плоча на батерийния пакет може да се наложи да интегрира водни или течни охлаждащи канали. Следователно дизайнът на напречното-сечение трябва да балансира товароносимост-капацитет, пространство за охлаждащи канали, осъществимост на производството и изисквания за уплътняване. За батерии, използващи течно охлаждане, непрекъснатостта на вътрешните канали и качеството на запечатване на заварените зони са от особено значение.

 

 

Екструдираните алуминиеви сплави от серия 6000--като 6061-T6, 6005A-T6 и 6063-T6 се използват обикновено за корпуси на тягови батерии. Различните сплави се различават по отношение на якост, възможност за екструдиране, сложност на напречното сечение и цена на материала; следователно, изборът на материал трябва да се определи, като се вземат предвид както изискванията за структурно натоварване, така и производствените процеси.

 

6061-T6 предлага отлични цялостни механични свойства, което го прави подходящ за рамки и-носещи компоненти, които изискват висока якост и структурна стабилност. 6005A-T6 балансира здравината с възможността за формоване чрез екструдиране, което го прави подходящ за по-големи профилни структури.

 

6063-T6 предлага превъзходна способност за формоване, което го прави по-подходящ за сложни напречни-сечения или структурни зони с по-ниски изисквания за носене. По време на процеса на проектиране по-дебелата профилна стена не е непременно по-добра. Прекомерната дебелина на стената увеличава използването на материал и теглото на конструкцията, като същевременно повишава разходите, свързани с екструдиране, заваряване и обработка надолу по веригата. Следователно дебелината на стените и разположението на усилващите ребра трябва да се определят въз основа на действителните пътища на натоварване, като се гарантира, че материалът се разпределя там, където може най-ефективно да понесе натоварвания.

 

За структури, изискващи вторична обработка, могат да се използват алуминиеви щамповани части за компоненти като локализирани скоби, монтажни пластини, защитни екрани и помощни средства за свързване в корпуса. В сравнение с простото увеличаване на дебелината на основния профил, локализираната армировка с помощта на отделни усилващи елементи понякога може да постигне превъзходен баланс между теглото и конструктивните характеристики.

 

 

 

Корпусите за батерии от алуминиева сплав могат да бъдат проектирани като интегрални екструдирани конструкции или като възли, образувани чрез заваряване на множество профили заедно. Интегралните профили предлагат превъзходна структурна непрекъснатост и намаляват броя на интерфейсите за свързване; те обаче могат да доведат до по-големи размери на профила, по-взискателни изисквания към инструментите и увеличена обработка надолу по веригата.

 

Заварените възли, обратно, намаляват сложността на производството, свързана с големи, сложни профили, и предлагат по-голяма гъвкавост на дизайна. Чрез комбиниране на профили с различни напречни-сечения, структурната конфигурация може да бъде съобразена със специфични размери на батерията и изисквания за натоварване, като същевременно потенциално намалява разходите за инструменти и обработка.

 

За специфични монтажни зони могат да бъдат създадени локализирани монтажни характеристики чрез алуминиево щамповане или машинна обработка. Конкретният подход трябва да бъде избран въз основа на размерите на детайлите, дебелината на материала, производствения обем и изискванията за точност. За големи{2}}производствени проекти обикновено се изисква цялостна оценка на комбинацията от процеси на щамповане, екструдиране и машинна обработка по време на ранните етапи на разработване на продукта.

 

 

 

Основните методи за свързване на корпуси на батерийни пакети от алуминиева сплав включват заваряване с разбъркване чрез триене (FSW), заваряване с MIG, занитване, пресоване-монтиране (само-нитване чрез занитване/клинч-нитване) и свързване с лепило. Заваряването чрез триене и разбъркване е забележителна техника за свързване в твърдо- състояние; за разлика от традиционното заваряване чрез стопяване, материалът не претърпява пълен процес на топене по време на заварката.

 

За-структурни съединения на дълги разстояния-като тези, свързващи основната плоча на батерията с рамката-заваряването чрез триене с разбъркване предлага предимства, включително минимална деформация при заваряване, стабилна микроструктура на съединението и пригодност за непрекъснати заваръчни операции. Тъй като процесът на втвърдяване на заваръчната вана, характерен за традиционното заваряване чрез стопяване, отсъства, рискът от дефекти като порьозност, включвания и горещи пукнатини е намален.

 

При практически конструктивен дизайн формата на напречното-сечение на заваръчната зона трябва да се изравни с обвивката на движението на инструмента за заваряване чрез триене и разбъркване. Вътрешните усилващи елементи, филетата и локализираните твърди секции в рамките на профилите трябва да осигуряват адекватна опора за процеса на заваряване. Ако дълбочината на заваръчния шев е значителна, структурната твърдост на съответната област трябва съответно да се увеличи; в противен случай може да възникне локализирана деформация под налягане при заваряване.

 

За връзката между основните плочи могат да бъдат избрани или конфигурации на челна-фуга, или-напречна фуга въз основа на структурния дизайн. Дву-странното заваряване подобрява структурната стабилност на областта на съединението, но увеличава пътя на обработка и времето за производство; следователно изборът зависи от структурата на продукта и изискванията на производствения цикъл.

 

 

Връзката между рамката и основната плоча е критично{0}}носещ интерфейс за корпуса на батерията, а методът на свързване влияе пряко върху цялостната здравина на конструкцията и ефективността на уплътняване. Обичайните подходи включват двустранно заваряване чрез триене с разбъркване (FSW) или комбинация от външно FSW с вътрешно MIG заваряване и уплътняващи обработки.

 

Дву{0}}странният FSW осигурява непрекъснат интерфейс на свързване и спомага за минимизиране на-предизвиканата от заваряване деформация. Структурният дизайн обаче трябва да осигури достатъчна свобода за заваръчния инструмент, което може да наложи специфични размери на напречното-сечение на рамката.

 

Друг подход включва използването на FSW отвън и MIG заваряване отвътре. Тази конфигурация предлага относително висока производствена ефективност и по-голяма гъвкавост в дизайна на профилите; въпреки това, качеството на заваръчния шев и ефективността на уплътняване във вътрешните заварени-зони изискват внимателно внимание. Ако съществуват потенциални пътища за изтичане, може да е необходима вторична защита с помощта на уплътнител.

 

За някои сложни зони на свързване могат да се използват щамповани алуминиеви ламарини като независими съединители, които впоследствие се свързват към основния корпус чрез нитове, заваряване или болтове. Тази стратегия намалява производствената сложност, свързана с производството на сложни структури като единични интегрирани единици.

 

 

Батерийните пакети за нови енергийни превозни средства обикновено се монтират в долната част на автомобила или близо до шасито, излагайки ги на фактори на околната среда като дъжд, кал, стояща вода, температурни колебания и механични вибрации в дългосрочен план. Уплътнителният дизайн на корпуса е от решаващо значение не само за дълготрайността на структурните компоненти, но и за електрическата безопасност на акумулаторната система.

 

По време на процеса на проектиране е от решаващо значение да се контролират потенциалните пътища на изтичане, като заварки на основна плоча, фуги на рамки, фланци на горния капак, монтажни отвори на крепежни елементи и интерфейси за кабелни снопове и връзки за високо-напрежение. За корпуси, използващи заварени връзки, трябва да се използва контрол на качеството на заваръчните шевове и тестване на уплътнението, за да се гарантира, че няма значителен риск от изтичане в зоните на фугите.

 

Между корпуса и горния капак обикновено се използват уплътнителни ленти, разпенени уплътнителни материали или други еластични уплътнителни структури. Дизайнът на уплътнението трябва също така да обхваща областите на крепежните елементи, за да се предотврати превръщането на дупките за болтове или нитове в пътища за навлизане на влага в корпуса.

 

В някои конфигурации електрическите компоненти-като изолирани шини-са разположени в близост до вътрешните структури на батерията; следователно трябва да се вземат предвид фактори като разстоянието между изолацията, методите на монтаж и въздействието на запечатаната среда върху дългосрочната -работа на електрическите компоненти.

 

 

Батерийните пакети от алуминиева сплав не разчитат единствено на процеси на екструдиране. Компоненти като монтажни скоби, свързващи плочи, подсилвания и локализирани структурни части могат да се произвеждат масово-с помощта на метално щамповане на алуминий. Щамповането предлага предимства като бързи производствени цикли, високо използване на материала и пригодност за масово производство.

 

За части със сложна геометрия и високи изисквания за точност на размерите може да се използва комбинация от щамповане на алуминиева ламарина и обработка с ЦПУ. Щамповането се използва за оформяне на основния профил и първичната структура, докато машинната обработка извършва прецизно завършване на отвори, монтажни повърхности и критични размери.

 

По време на фазата на разработване на проекта или за производство на малки-серии, персонализираното щамповане на алуминий може да намали инвестициите в специализирани инструменти и да улесни бързите структурни корекции въз основа на резултатите от теста на прототипа. При преминаване към масово производство инструменталната екипировка, използването на материали и производствените цикли трябва да бъдат допълнително оптимизирани, за да се контролират производствените разходи за единица.

 

За локализирани скоби, стойки и спомагателни структури за електрически връзки, щампованите алуминиеви части допълват екструдирани профили и заварени конструкции, предлагайки по-голяма гъвкавост в цялостната стратегия за производство на батерийни пакети.

 

 

Плътността на алуминия е приблизително една-от тази на стоманата; следователно замяната на някои стоманени конструкции с алуминиеви сплави предлага значителен потенциал за намаляване на теглото. Въпреки това, постигнатото действително намаление на теглото не е просто функция на разликите в плътността на материала; също така зависи от геометрията на напречното-сечение, дебелината на стената, методите на свързване и армировъчните структури.

 

Ядрото на лекия дизайн се крие в оптимизирането на пътеките на натоварване. За зони, подложени на значителни натоварвания при огъване и удар, твърдостта може да се подобри чрез увеличаване на височината на напречното-сечение, включване на подсилващи ребра или използване на много-камерни структури, вместо просто увеличаване на дебелината на целия панел.

 

За зони, които не-основно носят{1}}натоварване, използването на материал може да бъде намалено чрез локализирано изтъняване, включване на изрези и структурна оптимизация. CAE (Computer-Aided Engineering) анализ на крайните елементи позволява оценка на напрежението и деформацията в корпуса при условия като ускорение, вибрации, смачкване и други типични работни сценарии, което позволява идентифицирането на потенциални слаби места по време на фазата на проектиране.

 

Важно е да се отбележи, че олекотяването на батерията не трябва да е за сметка на безопасността. Структурният дизайн изисква постигане на разумен баланс между тегло, твърдост, здравина, издръжливост на умора, безопасност при катастрофа, производствени разходи и ефективност на уплътняване.

 

 

По време на разработването на структурата на батерийния пакет CAE симулацията се използва за валидиране на различни варианти за проектиране на материали и напречно{0}}сечение. Типичните анализи включват статична якост, модален анализ, вибрации, смачкване, удар и анализ на локално напрежение в точките на свързване.

 

Например, по отношение на конструкции, използващи сплав 6005A-T6, изчислените максимални стойности на напрежение могат да бъдат сравнени с границата на провлачване на материала, като същевременно се вземат предвид факторите на безопасност, ефективността на заваръчните съединения и дългосрочното-натоварване на умора.

 

Сценариите на смазване изискват специално внимание на безопасното разстояние между модулите на батерията и корпуса. Значителна структурна деформация, която навлиза в областта на клетката, може да увеличи риска от механично увреждане на клетките. Следователно резултатите от симулацията трябва да бъдат оценени във връзка с действителните размери на модула на батерията, безопасните разстояния и цялостната структура на автомобила.

 

В допълнение към CAE анализа, етапът на прототипиране трябва да включва тестване за валидиране за херметичност, водоустойчивост, вибрации, механична якост и устойчивост на околната среда. Докато симулацията служи за съкращаване на циклите на итерация на дизайна, физическото тестване е от съществено значение за проверка на производителността на продукта при реални-условия на работа.

 

 

 

Тъй като платформите за нови енергийни превозни средства се развиват към високо напрежение, голям капацитет и висока степен на интеграция, функционалността на корпусите на батерийните пакети продължава да се разширява. Бъдещите структурни проекти ще поставят по-голям акцент върху синергията между корпуса, охладителната система, електрическите връзки и управлението на топлината.

 

От една страна, профилите от алуминиеви сплави запазват значително предимство при леко тегло; много{0}}камерните екструдирани структури, локализираната армировка и интегрираните охлаждащи канали ще останат ключови насоки в дизайна. От друга страна, комбинираното приложение на щамповани алуминиеви листове, ляти алуминиеви конструкции и екструдирани профили ще се увеличи, за да отговори на производствените изисквания на различни модели превозни средства и платформи за батерии.

 

Що се отнася до опаковката на клетките, алуминиевите корпуси за литиево-йонни батерии трябва да балансират прецизността на формоване, устойчивостта на корозия, целостта на уплътнението и изискванията на вътрешната електрохимична среда. На ниво батериен пакет фокусът се измества към структурна здравина, уплътнение и защита, термично управление и безопасност при сблъсък.

 

За системи с призматични батерии, дизайнът на алуминиевата обвивка и структурата на пакета трябва напълно да отчитат разположението на клетките, натрупването на толеранс и методите за монтиране на модула, за да се минимизират структурните смущения по време на сглобяването.

 

Процесите на дълбоко изтегляне са подходящи за определени метални корпуси на батерии със сложна пространствена геометрия; ключовите съображения при проектирането включват удължаване на материала, контрол на дебелината на листа, радиуси на ъглите и риск от напукване по време на формоване.

 

За корпусите с алуминиев пакет бъдещите тенденции в дизайна ще дадат приоритет на интегрирането,-което позволява на структурните компоненти да изпълняват множество функции (като охлаждане,-носене на натоварване, монтаж и защита), за да се намали общият брой отделни части.

 

Като цяло няма единен, фиксиран технически път за корпуси на батерийни пакети от алуминиева сплав. Производствени процеси-като екструдиране, щамповане, механична обработка, заваряване чрез триене, MIG заваряване, занитване и залепване-трябва да се комбинират въз основа на размерите на продукта, материалните системи, производствения обем, прецизността и изискванията за производителност. Процесните маршрути, възприети от компаниите за щамповане на алуминий, могат да варират значително в зависимост от производствения обем и структурната сложност; следователно решението, определено по време на фазата на разработване на продукта, трябва да дава приоритет на структурните изисквания и осъществимостта на производството.

 

От инженерна гледна точка, олекотяването на корпуса на батерията не е просто въпрос на замяна на алуминий със стомана; по-скоро това е начинание на системно инженерство, включващо взаимодействието на материали, напречни-структури, процеси на свързване, дизайни на уплътнения, валидиране на симулация и масово производство. Само като се вземат предвид структурните показатели и производствените процеси едновременно, може да се намали теглото, като същевременно се запази здравината, целостта на уплътнението и дългосрочната-надеждност, изисквана от батерийната система.

 

Занови корпуси за акумулаторни батерии за превозни средства, инженерните екипи, участващи в разработването на продукта или обемните доставки, трябва допълнително да потвърдят специфични технически решения с производители, притежаващи необходимите способности за щамповане, екструдиране и заваряване на алуминиеви сплави, като се вземат предвид класовете на материалите, структурните размери, процесите на формоване, методите на заваряване, оценките за уплътняване и изискванията за проверка.