Смолоотвод для корпусов аккумуляторов электромобилей: соображения дизайна

Стратегическая роль формования смолы в производстве аккумуляторов для электромобилей

Аккумуляторный блок в электромобиле с аккумулятором (BEV) представляет собой единственный крупнейший центр затрат и самую тяжелую подсистему. Снижение его массы без ущерба для структурной жесткости, аварийности или тепловой безопасности является основной инженерной целью. Литье под давлением (RTM) превратилось из малообъемного аэрокосмического и автоспортивного процесса в высокопроизводительный производственный метод, подходящий для крупных автомобильных конструктивных компонентов. Для корпусов батарей RTM позволяет создавать большие однокомпонентные конструкции ванн или многокомпонентные сборки с оптимизированным размещением волокна, интегрированными металлическими вставками и сложной кривизной - все это достижимо в цикле времени, которые согласуются с темпами производства автомобилей.

RTM представляет собой процесс закрытой формы, в котором сухая форма волокна помещается в полости с подогревом, а жидкая смола вводится под давлением для пропитки арматуры. После отверждения деталь отливается с размерами нетто-формы и высоким качеством поверхности. Этот процесс устраняет разрыв между экстремальными механическими свойствами предварительно отвержденных автоклавом препрегов и высокообъемными, низкопроизводительными характеристиками компрессионного формованного листового формовочного соединения (SMC). Полученный корпус обеспечивает исключительные соотношения жесткости к весу, присущую коррозионную стойкость и отличный срок службы усталости, что делает его сильным кандидатом для конструкций батарей следующего поколения.

RTM против альтернативных производственных процессов

Инженеры, оценивающие методы производства корпуса, должны взвешивать компромиссы во времени цикла, капитальных вложениях, сложности деталей и механических характеристиках. Сжатие формования SMC обеспечивает быстрое время цикла и низкие затраты на материал, но страдает от ограниченной длины волокна и меньшей удельной прочности. Обработка препрегов Autoclave обеспечивает самые высокие механические свойства, но накладывает длительные времена цикла, высокое потребление энергии и ограниченную гибкость геометрии из-за ограничений упаковки. Мокрое формование сжатия и лимфатическое формование сжатия жидкости (LCM) предлагают промежуточные решения, но часто не имеют точного контроля объема волокна RTM.

Высокое давление RTM (HP-RTM), используя давление впрыска 80-120 бар, позволяет быстро пропитывать смолу толстых сложных преформ при сохранении фракции объема волокна 55-60%. Этот процесс минимизирует содержание пустоты и образование сухих пятен, производя детали с последовательным механическим поведением. Для корпусов батарей, которые должны выдерживать высокие механические нагрузки во время аварийных событий и поддерживать структурную целостность в течение длительного срока службы, HP-RTM представляет собой убедительный выбор.

Критические системы материалов для корпусов батарей

Выбор правильной комбинации армирующей архитектуры, химии смолы и основных материалов является наиболее последовательным дизайнерским решением для корпуса батареи RTM. Система материалов должна учитывать структурные нагрузки, управление температурой, пожарную безопасность, электромагнитную совместимость (EMC) и долгосрочную долговечность в суровых автомобильных условиях.

Архитектура усилителей волокон

Предформа волокна служит структурным хребтом корпуса. Некремниевые ткани (НКФ), изготовленные из углеродного волокна, являются стандартным выбором для высокопроизводительных корпусов из-за их высокого соотношения прочности к весу и способности быть адаптированными для конкретных путей нагрузки. НКФ состоят из нескольких слоев однонаправленных волокон, сшитых вместе, что позволяет инженерам ориентировать волокна в направлениях 0°, ±45° и 90°, чтобы противостоять изгибу, кручению и ударным нагрузкам. Для чувствительных к затратам применений гибридные архитектуры, сочетающие углеродное волокно с E-стекло или S-стеклоусиление, могут снизить затраты материала при сохранении адекватной жесткости в менее критических областях.

Тканые ткани обеспечивают превосходную драпируемость для сложных изогнутых поверхностей, таких как углы и переходы аккумуляторной ванны, но они вводят креветки из волокна, которые снижают растяжение и прочность на сжатие на 10-20% по сравнению с NCF с эквивалентным весом в области заднего прохода. Ткани с биндерным покрытием или печатные связующие порошки используются для стабилизации формы перед впрыском, гарантируя, что армирование не смещается во время закрытия формы или инъекции смолы. Автоматизированные технологии предварительного формирования, включая 3D-ткань и роботизированные системы выбора и размещения, уменьшают рабочую силу и улучшают повторяемость для объемных производственных пробегов.

Химия смолы: балансировка потока, жесткость и огнестойкость

Система смолы должна легко поступать в полость плесени, полностью промокать волокно и быстро вылечиваться, не вызывая чрезмерного экзотермического тепла, которое может деградировать материал или создавать остаточные напряжения. Для корпусов автомобильных батарей эпоксидные смолы доминируют в ландшафте из-за их превосходного баланса механических свойств, клейких характеристик и перерабатываемости. Однако появляются новые составы для удовлетворения конкретных требований безопасности батареи.

Эпоксидные системы, модифицированные огнезащитными добавками, такими как тригидроксид алюминия (ATH), гидроксид магния (MDH) или соединения на основе фосфора, могут значительно снизить скорость выделения тепла и генерацию дыма во время теплового события. Для корпусов, требующих более высоких рабочих температур или внутренней огнестойкости, фенольные или бензоксазиновые смолы обеспечивают отличное образование угля и низкую теплопроводность. Смолы RTM на основе полиуретана обеспечивают более быстрое время цикла и улучшенную прочность, хотя они требуют тщательной обработки чувствительности к влаге.

Термическое управление является еще одной важной функцией смолы. Добавляя теплопроводящие наполнители, такие как нитрид бора, глинозем или графит, матрица может помочь рассеивать тепло, генерируемое аккумуляторными ячейками во время нормальной работы и во время быстрой зарядки. Этот проактивный тепловой путь дополняет активные системы охлаждения и помогает поддерживать однородность температуры ячейки, замедляя прогрессирование теплового бегства.

Основные материалы для сэндвич-структур

Для достижения высокой жесткости изгиба, необходимой для больших неподдерживаемых пролетов корпуса при минимизации веса, сэндвич-структуры с пенопластовыми или сотыными ядрами часто интегрируются в укладку RTM. Полимеры с закрытыми ячейками, изготовленные из полиэфиримида (PEI), полиметакрилимида (PMI) или полиэтилентерефталата (PET), обеспечивают отличную прочность на сжатие и утомляемость при плотности от 60 до 200 кг/м3. Эти ядра обрабатываются или формовываются до формы сетки и помещаются в преформу перед инъекцией. Смола пропитывает поверхностные ячейки ядра, создавая механическую связь, которая сопротивляется коррозии и сдвиговым напряжениям.

Деревянные керны Balsa, хотя и тяжелее и более восприимчивы к поглощению влаги, обладают превосходной огнестойкостью и используются в некоторых конструкциях корпуса для удовлетворения строгих стандартов воспламеняемости. Ядра Honeycomb, изготовленные из алюминия или арамидной бумаги, обеспечивают самое высокое соотношение жесткости к весу, но представляют проблемы в RTM из-за риска объединения смолы в клетках, что добавляет нежелательную массу.

Структурный дизайн и многофизическое моделирование

Конструкция корпуса батареи RTM требует одновременной оптимизации структурных характеристик, теплового поведения и производственной осуществимости. Инструменты анализа конечных элементов (FEA) и моделирования потока необходимы для прогнозирования поведения деталей, прежде чем переходить на дорогостоящую оснастку.

Crashworthiness и Load Paths

Ограждение аккумулятора — это не просто ящик для удержания; это конструктивный элемент, который участвует в системе управления столкновением транспортного средства. Он должен противостоять вторжению спереди, сбоку и сзади, защищать клетки от наземного мусора и поддерживать его целостность во время опрокидывания. Инженеры должны проектировать пути нагрузки, которые распределяют энергию падения через прочные непрерывные оптоволоконные пути, соединяющие точки крепления, поперечные элементы и периметр корпуса. Высокое удельное поглощение энергии углеродного волокна (SEA) делает его эффективным при рассеивании кинетической энергии, при условии, что конструкция ламината учитывает прогрессирующее дробление, а не катастрофический перелом.

Интерфейс между корпусом и кузовом транспортного средства должен быть спроектирован с металлическими вставками или фланцы, которые могут выдерживать высокие усилия зажима и переносить нагрузки сдвига. Совместное формование этих металлических фитингов во время процесса RTM устраняет вторичные операции склеивания и создает защищенный от утечки интерфейс. Модели конечных элементов, которые включают подробные ориентации наклона, эффекты последовательностей укладки и поведение клеевой связи, позволяют инженерам имитировать производительность вторжения и оптимизировать распределение толщины стенки.

Управление тепловым расширением и остаточными стрессами

Композитные материалы демонстрируют коэффициент теплового расширения (CTE), который часто на порядок ниже, чем алюминий или сталь. Когда композиционный корпус прикреплен к металлическим модулям батареи, температурные циклы - от экстремального холода до условий вождения с высокой нагрузкой - приводят к дифференциальному расширению, которое может генерировать большие внутренние напряжения, что потенциально приводит к расшатыванию болта, растрескиванию фланга или отказу уплотнения.

Проектные решения включают использование гибких интерфейсных скобок, выборочное усиление волокнами, ориентированными на ±45°, для размещения деформации сдвига, и применение эластомерных прокладок, которые могут поглощать относительное движение. Программное обеспечение моделирования излечения, которое моделирует экзотермическую реакцию и последующую фазу охлаждения, позволяет проектировщикам прогнозировать остаточное распределение напряжения и оптимизировать цикл лечения, чтобы минимизировать деформацию части. Этот подход, основанный на моделировании, уменьшает количество физических прототипов и ускоряет сроки разработки.

Электромагнитная совместимость щит

Композиты из углеродного волокна являются электропроводящими, предлагая степень присущей электромагнитной интерференции (EMI) экранирования. Однако проводимость ламината из углеродного волокна обычно ниже, чем у корпуса из твердого металла, и зазоры на швах, вставках или крепежах могут создавать пути утечки. Для обеспечения совместимости с чувствительной системой управления батареями (BMS) электроника и предотвращения помех бортовым системам связи должны быть включены специальные стратегии защиты EMI.

Общие подходы включают совместное формование металлической сетки или расширенной фольги в внутреннюю поверхность корпуса, нанесение проводящей краски или распыляющего покрытия во время вторичных операций или использование отдельного предварительно сформированного слоя никель-покрытого углеродного волокна или медной сетки. Выбор метода экранирования зависит от требуемой эффективности экранирования (SE) в децибелах, рабочего диапазона частот электроники транспортного средства и целевых показателей. Запечатывание корпуса проводящими прокладками на фланцевых интерфейсах обеспечивает электрическую непрерывность по всему экранированному объему.

Дизайн плесени и процессная инженерия

Успешный RTM для больших корпусов аккумуляторов требует тщательно спроектированной оснастки, которая поддерживает быстрый впрыск смолы, равномерное нагревание и эффективное демольдинг деталей. Дизайн инструмента напрямую влияет на время цикла, качество деталей и стоимость производства.

Инъекционные и вентиляционные стратегии

Компоновка затворов и вентиляционных портов определяет путь потока смолы и способность полностью пропитывать преформу без улавливания воздуха. Для геометрий корпуса, которые часто тонкостенные (< 5 мм) с большими плоскими поверхностями, распространена центральная точка впрыска в сочетании с периферийным вентиляционным отверстием. Программное обеспечение моделирования потока, такое как PAM-RTM или RTM-Worx, помогает инженерам моделировать прогрессию фронта потока, прогнозировать сухие пятна и оптимизировать расположение затвора перед резкой стали.

Для очень больших корпусов могут потребоваться множественные затворы для заливки, чтобы сократить время заполнения и предотвратить преждевременное гелирование. Последовательная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная затворная

Слишком много материалов и стратегии нагрева

Производственная оснастка для HP-RTM обычно обрабатывается из инструментальной стали P20, 4140 или H13, которая может выдерживать высокие давления впрыска и тепловой цикл без деформации. Для низкообъемного производства или прототипных прогонов алюминиевые или никельные оболочки предлагают более быстрые скорости нагрева и охлаждения из-за их более высокой теплопроводности, сокращая время цикла за счет срока службы инструмента. Плесень должна быть оснащена конформными нагревательными каналами, которые поддерживают однородную температуру по всей полости, избегая горячих точек, которые могут инициировать преждевременное отверждение или холодные пятна, которые создают градиенты вязкости.

Демодификация крупных, отвержденных составных частей без повреждения нежных поверхностей или улавливания воздуха на границе между частью и формой требует надежных систем высвобождения. Полупостоянные агенты высвобождения пресс-формы применяются перед каждым циклом, но для производства в больших объемах постоянные покрытия высвобождения или обработка поверхности инструмента (например, покрытия TiN или DLC) могут расширять интервалы между повторным применением агента высвобождения.

Сокращение времени цикла для автомобильных объемов

Для производства автомобилей требуется время цикла, измеряемое в минутах, а не часах. Для достижения быстрых циклов RTM для больших корпусов аккумуляторов требуется сочетание систем быстрой отверждающей смолы, агрессивного контроля температуры пресс-формы и оборудования для быстрого впрыска. Системы быстрого лечения эпоксидной или полиуретановой формы могут достигать времени демольдинга 3-7 минут, когда пресс-форма поддерживается при 120-150 ° C. Предварительный нагрев сухой формы перед загрузкой в форму снижает тепловую нагрузку на оснастку и сокращает общий цикл.

Автоматизированные системы учета, смешивания и впрыска с размерами выстрела, превышающими 10 кг, и скоростями потока до 200 г/с, являются коммерчески доступными, способными заполнять большую форму корпуса менее чем за 30 секунд. Роботы выполняют обработку перед формой, загрузку вставок и демольдинг, устраняя изменчивость оператора и повышая безопасность. Интеграция этих этапов процесса в единую производственную ячейку с замкнутым контуром управления давлением, температурой и потоком смолы обеспечивает повторяемость, необходимую для производства большого объема.

Стандарты безопасности и сертификация

В корпусах аккумуляторов должны соблюдаться строгие стандарты безопасности, в том числе установленные Международным стандартом SAE (например, SAE J2464 для испытаний на злоупотребление батареями), стандартом ЕЭК ООН R100 и стандартом Underwriters Laboratories UL 2590 для крупных стационарных батарей. Эти стандарты предписывают механические испытания на злоупотребление (распад, падение, вибрация), испытания на тепловое злоупотребление (воздействие огня, распространение теплового излучения) и испытания на электрическое злоупотребление (короткая схема, перегрузка).

Сертификация корпуса композитной батареи требует демонстрации того, что часть RTM поддерживает структурную целостность и огнестойкость после инициирования отказа ячейки. Испытания огнестойкости, такие как воздействие на корпус пожара в бензиновом бассейне или заданной температуры пламени 590°C в течение двух минут, являются стандартными требованиями. Система смолы, материал сердцевины и любые объемные покрытия должны коллективно предотвращать проникновение пламени и ограничивать передачу тепла в соседние ячейки в течение определенного периода времени.

Европейский альянс по аккумуляторам подчеркивает необходимость стандартизированных протоколов испытаний для ускорения внедрения передовых материалов. Поскольку производители работают над сертификацией композиционных корпусов, тесное сотрудничество с испытательными лабораториями и регулирующими органами гарантирует, что конструкция соответствует всем применимым требованиям до запуска производства.

Будущие направления: Термопластичный RTM и интеграция сотовой связи в пакет

Следующим рубежом в производстве корпусов батарей является термопластичное литье для переноса смолы (T-RTM). Используя мономеры с низкой вязкостью, такие как капролактам для полиамида 6 (PA6) или анионные полиамидные системы, T-RTM обеспечивает полимеризацию внутри формы, производя полностью термопластичную матрицу. Термопластичные корпуса предлагают несколько преимуществ по сравнению с термореактивными: они могут быть сварными или вибрационными для сборки, они проявляют более высокую прочность и ударопрочность, и, что наиболее важно, они могут быть переработаны в конце жизни путем плавления и реформирования материала матрицы.

Архитектура Cell-to-pack (CTP) и Cell-to-chassis (CTC), которая устраняет необходимость в модулях и непосредственно интегрирует аккумуляторные элементы в структуру транспортного средства, предъявляет еще большие требования к корпусу. Ограждение должно служить в качестве основного структурного элемента, обеспечивая точную нагрузку на сжатие ячеек и аккомодирующее тепловое расширение. RTM и T-RTM хорошо подходят для производства этих интегрированных структур, с такими функциями, как интегральные охлаждающие каналы, шинные опоры и ребра, удерживающие ячейки, формованные непосредственно в деталь.

Устойчивость также стимулирует развитие процесса. Эпоксидные смолы на основе биоэпоксидных соединений, полученные из лигнина или растительных масел, в сочетании с армированием из переработанного углеродного волокна, предлагают путь к снижению углеродного следа корпуса. Повышение эффективности процесса, включая сокращение отходов на стадии предварительного образования и ограничение потребления энергии во время отверждения, дальнейшее улучшение экологического профиля корпусов RTM. Сеть FLT:0 Композиты World регулярно показывает достижения в этих устойчивых производственных процессах, обеспечивая богатый ресурс для инженеров, преследующих более экологичные производственные маршруты.

Заключение

Литье под давлением смолы обеспечивает производственную основу, которая непосредственно отвечает противоречивым требованиям, предъявляемым к корпусам аккумуляторов: необходимость в экстремальном облегчении, надежных конструктивных характеристиках, тепловой и пожарной безопасности и масштабируемом производстве.Тщательно выбирая архитектуру армирования, химию смолы и основные материалы, а также оптимизируя параметры конструкции и процесса форм посредством моделирования, инженеры могут доставлять корпуса, которые отвечают строгим автомобильным стандартам, при одновременном снижении массы на 30-50% по сравнению с эквивалентными металлическими конструкциями.

Переход к интеграции сотовой связи в упаковку, термопластичные материалы и устойчивое сырье расширяет границы того, что возможно с RTM. Компании, которые инвестируют в понимание взаимодействия между дизайном, материалами и технологической инженерией сегодня будут позиционироваться для обеспечения более безопасных, легких и более экономически эффективных систем аккумуляторов, поскольку рынок электромобилей продолжает расти. Всесторонний обзор вариантов материалов и недавних тематических исследований доступен через Toray Advanced Composites , а подробные ресурсы моделирования процессов можно найти на AZoM - Композитные материалы для дальнейшего справки.