Jak si vybrat SMC pro kryty baterií EV: Požadavky na odolnost proti ohni, pevnost a tvarování

Kryty baterií elektrických vozidel musí chránit bateriové moduly před požárem, nárazem, vibracemi, vlhkostí, úlomky vozovky a elektrickými nebezpečími. Výrobci vozidel jsou zároveň pod neustálým tlakem na snižování hmotnosti, konsolidaci dílů a zvyšování efektivity výroby.

Formovací hmota na plech, běžně známá jako SMC nabízí efektivní alternativu k ocelovým, hliníkovým a termoplastovým pouzdrům baterií. Správně formulovaný nehořlavý SMC  spojuje mechanickou pevnost, elektrickou izolaci, odolnost proti korozi a designovou flexibilitu v lisované součásti.

Ne každé složení SMC je však vhodné pro kryt baterie EV. Materiál musí být zvolen podle konstrukce skříně, požárně bezpečnostního cíle, podmínek zatížení, provozní teploty, tloušťky stěny a procesu lisování.

Tato příručka vysvětluje hlavní faktory, které by měli inženýři a nákupní týmy zvážit při výběru SMC pro kryty baterií pro elektromobily.

Proč používat SMC pro kryty baterií EV?

Kryt baterie EV může obsahovat horní kryt, spodní přihrádku, boční ochranné konstrukce, vnitřní přepážky, servisní kryty a komponenty elektrické ochrany. V závislosti na provedení lze SMC použít pro kompletní pouzdro nebo kombinovat s hliníkovou nebo ocelovou nosnou konstrukcí.

Ve srovnání s konvenčními kovy SMC vyztužený skelnými vlákny  poskytuje několik výhod.

Elektrická izolace

SMC je ze své podstaty nevodivý, když je správně formulován. Může pomoci izolovat součásti vysokonapěťové baterie a snížit riziko elektrického kontaktu mezi články, přípojnicemi, krytem a karoserií vozidla.

To je zvláště cenné u konektorů, servisních odpojovačů a vysokonapěťových komponent. ISO 6469-3 řeší ochranu před úrazem elektrickým proudem a tepelnými událostmi v obvodech napěťové třídy B, díky čemuž je elektrická izolace důležitou součástí celkové bezpečnosti vozidla.

Hotový kryt však musí být ještě validován jako kompletní systém. Dobrá dielektrická hodnota v datovém listu SMC automaticky neprokazuje, že sestavená baterie splňuje požadavky na elektrickou bezpečnost na úrovni vozidla.

Odolnost proti korozi a chemikáliím

Na rozdíl od oceli SMC nerezaví. Při správném výběru pryskyřičného systému může odolat silniční soli, vlhkosti, stříkající vodě a mnoha automobilovým kapalinám.

To může snížit potřebu sekundárních antikorozních úprav. Pomáhá také udržovat výkon skříně po celou dobu životnosti vozidla, zejména v pobřežních oblastech nebo na trzích, kde se široce používá silniční sůl.

Chemické testování by mělo vzít v úvahu skutečné látky očekávané v aplikaci, jako jsou:

·  Směsi chladicí kapaliny a glykolu

·  Maziva a hydraulické kapaliny

·  Čisticí prostředky

·  Silniční sůl

·  Elektrolyt baterie

·  Automobilová paliva a oleje

Redukce hmotnosti

SMC má obecně nižší hustotu než ocel. Skutečná úspora hmotnosti závisí na složení, obsahu vláken, geometrii dílu, žebrech, vložkách a na tom, zda komponenta SMC nahrazuje kovový kryt nebo konstrukční vanu.

Přímé srovnání materiálové hustoty nestačí. Inženýři by měli porovnat hmotnost kompletních, funkčně ekvivalentních dílů. Největší výhoda SMC často pochází z kombinace více lisovaných nebo svařovaných kovových součástí do jednoho lisovaného dílu.

Integrace součástí

Lisování umožňuje zabudování žeber, výstupků, těsnících drážek, montážních prvků, kabelových průchodů a místní výztuže do krytu.

To může snížit:

·  Počet samostatných součástí

·  Svařovací a upevňovací operace

·  Doba montáže

·  Rozměrová odchylka mezi spojenými díly

·  Potenciální únikové cesty

Integrace dílů je zvláště užitečná pro velké kryty baterií a složité ochranné panely.

Rozměrová stabilita

Dobře navržené automobilové složení SMC může zajistit nízké smrštění, stabilní rozměry a konzistentní kvalitu povrchu. Tyto vlastnosti jsou důležité pro těsnění přírub, polohy upevňovacích prvků a velkých plochých ploch.

Vzhledem k tomu, že kryty baterií mohou být podstatně větší než standardní elektrické kryty, musí být během vývoje toku formy a nástrojů vyhodnoceny deformace a místní odchylky tloušťky.

1. Definujte požadavek na požární odolnost

Požární výkon je obvykle prvním problémem při výběru Kryt baterie EV SMC.

Lithium-iontové baterie mohou vystavit kryt plameni, horkému plynu, tlaku, roztaveným částicím a rychle rostoucím teplotám. Materiál musí pomoci zpomalit šíření požáru a udržet ochrannou bariéru dostatečně dlouho, aby podpořila bezpečnostní strategii baterie.

UL 94 V-0 je klasifikace materiálů – nejedná se o úplnou ochranu baterie

UL 94 V-0 je často požadován pro plasty a kompozity zpomalující hoření. Při tomto testu musí materiál přestat hořet v rámci specifikovaných limitů a nesmí uvolňovat hořící kapky, které zapálí indikátor pod ním.

Pro náročnější aplikace mohou zákazníci zvážit UL 94 5VA nebo 5VB. Zkouška 5V používá silnější plamen. V testu plaku 5 VA neumožňuje propálení, zatímco 5 VB umožňuje díru. UL popisuje UL 94 jako skupinu testů v malém měřítku, které hodnotí tendenci materiálu uhasit nebo šířit plamen po zapálení.

Rozhodující jsou dvě kvalifikace:

1. Hodnocení UL 94 je spojeno s testovaným složením a tloušťkou vzorku.

2. UL 94 nereprodukuje kompletní událost tepelného úniku baterie EV.

Třída SMC s hodnocením V-0 při 3 mm by neměla být automaticky popsána jako V-0 při 1,5 mm. Protokol o zkoušce nebo certifikaci si vždy vyžádejte pro tloušťku rovnající se nebo menší tloušťce stěny.

Zvažte kompletní scénář požáru

Výrobce bateriového bloku by měl definovat, zda musí součást SMC odolávat:

·  Vnější požár paliva

·  Vnitřní tepelný únik článku

·  Přímé působení plamene

·  Vysokoteplotní trysky plynu

·  Vliv částic

·  Sálavé teplo

·  Tlak generovaný uvnitř balení

·  Šíření požáru mezi moduly

·  Vypálení po určitou dobu

Předpis EHK OSN č. 100 obsahuje bezpečnostní požadavky na dobíjecí systémy skladování elektrické energie, které se týkají mechanického, tepelného, ​​elektrického a environmentálního namáhání. Její požadavky se vztahují spíše na systém REESS a vozidlo, než na zajištění shody na základě jednoho materiálu pouzdra. Přehled testování UNECE R100

SAE J2464 podobně poskytuje rámec pro testování zneužití dobíjecích systémů skladování energie za podmínek mimo jejich normální provozní rozsah.

Proto by specifikace SMC neměla končit na 'zpomalovač hoření'. Měla by zahrnovat zamýšlenou zkušební metodu, tloušťku vzorku, podmínky expozice a kritéria přijatelnosti.

Klíčové vlastnosti související s požárem na vyžádání

Při porovnávání sloučenin SMC zpomalujících hoření si vyžádejte dostupné údaje pro:

·  Klasifikace UL 94 a testovaná tloušťka

·  Limitní kyslíkový index, pokud je to možné

·  Horizontální a vertikální chování při hoření

·  Doba vznícení

·  Chování při šíření plamene

·  Hustota kouře

·  Požadavky na toxické plyny

·  Výkon uvolňující teplo

·  Odolnost proti propálení

·  Mechanická retence po vystavení teplu

·  Tepelná vodivost a přenos tepla

·  Maximální krátkodobé vystavení teplotám

Požadovaná kombinace závisí na tom, zda je SMC použit jako horní kryt, spodní vana, vnitřní bariéra nebo nekonstrukční elektrická součást.

2. Zadejte Mechanický výkon podle zatěžovacího stavu

Bateriový kryt není jen krabice. Může být nutné nést bateriové moduly, odolávat vibracím vozidla, chránit před nárazem a udržovat svůj těsnící povrch po celou dobu životnosti vozidla.

Z tohoto důvodu není výběr SMC pouze na základě pevnosti v tahu dostatečný.

Výkon v tahu a ohybu

Pevnost v tahu udává, jak materiál reaguje na tahové zatížení, zatímco pevnost v ohybu je zvláště důležitá pro široké panely vystavené ohybu.

Technická specifikace by měla obsahovat:

·  Pevnost v tahu a modul v tahu

·  Pevnost v ohybu a modul pružnosti v ohybu

·  Prodloužení při přetržení

·  Vrubová a bezvrubová rázová houževnatost

·  Smykové vlastnosti tam, kde je to vhodné

U velkého krytu baterie může být tuhost důležitější než konečná pevnost v tahu. Nedostatečná tuhost může umožnit vychýlení panelu, což ovlivňuje těsnění těsnění nebo vytváří kontakt s vnitřními součástmi.

Odolnost proti nárazu

Bateriové kryty pod karoserií mohou být vystaveny nárazům kamenů, upuštěným předmětům, úlomkům vozovky a místním průrazům. Horní kryty mohou také muset vydržet provozní a montážní zatížení.

Složení SMC, délka skelných vláken, obsah vláken a orientace tvarovaných vláken ovlivňují chování při nárazu. Stupeň s vysokou hodnotou z jednoduchého kuponového testu může stále vyžadovat místní vyztužení ve zranitelných oblastech.

Inženýři by měli hodnotit lisovanou součást za reprezentativních podmínek nárazu, spíše než se spoléhat pouze na standardní vzorky materiálu.

Vibrace a únava

Akumulátory EV jsou vystaveny neustálým vibracím a opakovanému mechanickému zatížení. Mezi možná místa selhání patří:

·  Otvory pro upevňovací prvky

·  Kovové vložky

·  Ostré rohy

·  Průsečíky žeber

·  Přechody z tenké na tlusté

·  Montážní body

·  Hrany kolem velkých otvorů

Únavový výkon závisí na složení materiálu, kvalitě výlisku a designu součástí. Dodavatel SMC by měl zkontrolovat kritické oblasti společně s konstruktérem forem a výrobcem bateriových sad.

Tečení a retence upevnění

Kryty baterií jsou často přišroubovány ke kovové přihrádce. Trvalé zatížení svorkami může způsobit tečení nebo lokální relaxaci napětí u materiálů na bázi polymerů.

Návrh může vyžadovat:

·  Větší plochy pro rozložení nákladu

·  Kovové omezovače komprese

·  Zalisované vložky

·  Kontrolovaný utahovací moment

·  Místní tloušťka stěny se zvyšuje

·  Vyztužení kolem montážních bodů

Na navržené vložce a upevňovacím systému by měly být provedeny testy vytažení, točivý moment, relaxace a tepelné cyklování.

3. Potvrďte elektrické a tepelné požadavky

Jednou z hlavních výhod materiálu krytu baterie SMC  je jeho rovnováha mezi konstrukčním výkonem a elektrickou izolací.

Relevantní elektrické vlastnosti mohou zahrnovat:

·  Dielektrická pevnost

·  Objemový odpor

·  Povrchový odpor

·  Srovnávací index sledování

·  Odolnost proti oblouku

·  Izolační odolnost po vystavení vlhkosti

Zkušební hodnoty by měly být přezkoumány při zamýšlené tloušťce a po úpravě prostředí. Vlhkost, znečištění, zvýšená teplota a stárnutí mohou ovlivnit elektrický výkon.

Tepelné požadavky by měly být také pečlivě definovány. SMC se běžně nevybírá tak, aby odvádělo teplo z článků stejným způsobem jako hliník. Pokud je skříň součástí systému tepelného managementu, musí projektant zvážit tepelnou vodivost materiálu a cestu přenosu tepla.

U některých konstrukcí je výhodná nízká tepelná vodivost, protože zpomaluje přenos tepla. V jiných případech baterie potřebuje řízený odvod tepla prostřednictvím vyhrazených chladicích desek. Výběr SMC proto musí být koordinován s kompletním návrhem tepelného managementu.

4. Přiřaďte recepturu SMC k procesu lisování

SMC je materiál připravený k lisování, který se skládá převážně z pryskyřice, sekaného skelného vlákna, minerálních plniv, přísad a zahušťovacího systému. Obvykle se lisuje za tepla a tlaku.

Správné složení musí zajistit jak výkon hotového dílu, tak stabilní zpracování.

Pryskyřičný systém

Nenasycené polyesterové a vinylesterové systémy jsou široce používány v SMC. Pryskyřice ovlivňuje mechanické vlastnosti, chemickou odolnost, smršťování, tepelné chování a cenu.

Standardní elektrické SMC by nemělo být automaticky použito pro skříň EV. Složení může být nutné upravit pro:

·  Vyšší odolnost proti nárazu

·  Zlepšená odolnost proti plameni

·  Nízké smrštění

·  Lepší chemická odolnost

·  Snížená hustota

·  Vyšší tepelná odolnost

·  Nízké emise

·  Požadavky na automobilový povrch

Obsah skelného vlákna a délka vlákna

Vyšší obsah skla může zlepšit pevnost a tuhost, ale může také ovlivnit tok, vzhled povrchu a plnění formy.

Během lisování se orientace vláken vyvíjí, jak náboj SMC proudí dutinou. To může vytvářet různé vlastnosti v různých směrech. Velikost náplně, poloha náplně a vzdálenost toku by proto měly být vyhodnoceny během vývoje procesu.

Pro vysoce zatížené oblasti může být efektivnější lokální vyztužení nebo hybridní struktura než pouhé zvýšení obsahu skla v celém dílu.

Tok plísní

Velký kryt baterie EV může obsahovat žebra, hluboké části, těsnicí kanály a kovové vložky. SMC musí proudit dostatečně daleko, aby vyplnil dutinu bez nadměrného oddělování vláken, svarů nebo zachyceného vzduchu.

Mezi důležité proměnné tvarování patří:

·  Teplota formy

·  Lisovací tlak

·  Hmotnost nabití

·  Schéma nabíjení a pokrytí

·  Rychlost zavírání

·  Doba léčení

·  Odvzdušnění

·  Tloušťka dílu

·  Průtoková vzdálenost

·  Pozice vložení

Třída by měla být zkoušena s použitím reprezentativní geometrie, kdykoli je to možné.

Kapacita nástrojů a lisu

Velké kryty baterií vyžadují lis s dostatečnou velikostí desky, denním světlem, ovládáním zavírání a tonáží. Požadovaná lisovací síla závisí na projektované ploše součásti a lisovacím tlaku – nejen na hmotnosti součásti.

Nástroj by měl řešit:

·  Rovnoměrné vytápění

·  Evakuace vzduchu

·  Ovládání blesku

·  Přesné rozměry těsnicí příruby

·  Odformování

·  Umístění vložky

·  Místní rozvod tlaku

Simulace toku formy a včasná kontrola výroby mohou zabránit nákladným úpravám po dokončení výrobního nástroje.

Doba cyklu a vytvrzování

SMC musí vytvrzovat konzistentně v tlustých i tenkých částech. Nedostatečné vytvrzení může snížit tepelnou odolnost, pevnost a rozměrovou stálost. Příliš dlouhá doba vytvrzování však snižuje efektivitu výroby.

Výrobní zkoušky by měly potvrdit:

·  Minimální doba stabilního vytvrzení

·  Vytvrzení jádra a povrchu

·  Deformační chování

·  Změna rozměrů po vylisování

·  Warpage

·  Povrchové vady

·  Mechanická konzistence vlastností

5. Vyhodnoťte odolnost vůči životnímu prostředí

Kryty baterií EV fungují při měnící se teplotě, vlhkosti a podmínkách vozovky. Program materiálové kvalifikace by měl představovat zamýšlený trh vozidel.

Doporučená hodnocení mohou zahrnovat:

·  Vystavení vysokým a nízkým teplotám

·  Tepelné cyklování

·  Stárnutí vlivem teploty a vlhkosti

·  Absorpce vody

·  Expozice solným sprejem

·  Chemické ponoření

·  Vystavení vně viditelných částí UV záření

·  Dopad štěrku a kamene

·  Vibrace po stárnutí vlivem prostředí

·  Výkon těsnění po cyklování

Materiál by měl být také hodnocen společně s nátěry, lepidly, těsněními, vložkami a spojovacími prvky. Rozdíly v tepelné roztažnosti mezi SMC a kovovými součástmi mohou ovlivnit zatížení spoje a těsnicí výkon.

6. Kontrola tloušťky, deformace a těsnicích povrchů

Utěsnění krytu baterie je nezbytné pro zabránění vniknutí vody, prachu a nečistot do balení. Velké lisované kryty musí zachovat rovinnost příruby a rozměrovou přesnost po lisování a tepelném cyklování.

Konstrukce by se měla vyhnout zbytečným změnám tloušťky. Náhlé přechody mohou způsobit nerovnoměrné proudění, vnitřní napětí, propady a deformace.

Mezi užitečná konstrukční opatření patří:

·  Postupné přechody tloušťky

·  Vyvážené uspořádání žeber

·  Zaoblené vnitřní rohy

·  Konzistentní geometrie příruby

·  Správné úhly úkosu

·  Kontrolovaný poměr žebra ke stěně

·  Strategické umístění náboje

·  Spíše lokální než nadměrné celkové zesílení

Systém těsnění, rozteč šroubů a povolené vychýlení příruby by měly být definovány před dokončením dílu SMC a formy.

Kontrolní seznam pro výběr SMC pro kryty baterií EV

Běžné chyby při výběru SMC

Několik chyb může zpozdit projekt krytu baterie EV:

1. Výběr materiálu pouze z údajů UL 94 V-0.
V-0 nepředstavuje celý scénář tepelného úniku nebo požáru vozidla.

2. Ignorování testované tloušťky.
Třída hořlavosti nebo dielektrická hodnota nemusí platit pro tenčí výrobní stěnu.

3. Použití kuponové pevnosti jako úplné strukturální specifikace.
Tok vláken, žebra, svarové linie a vložky ovlivňují skutečný výkon součásti.

4. Určení maximální pevnosti bez ohledu na tok formy.
Receptura musí nástroj spolehlivě plnit a také splňovat mechanické požadavky.

5. Zacházení s krytem SMC jako s kopií kovového dílu.
Kompozitní díly vyžadují vlastní návrh žebra, příruby, upevnění a tloušťky.

6. Ověřování materiálu, ale ne sestaveného krytu.
Těsnění, spoje, vložky a rozhraní často určují konečný výkon balení.

Vlastní řešení SMC od společnosti JLON

JLON dodává zakázkové SMC směsi  pro elektrické, automobilové a dopravní aplikace. Vzhledem k tomu, že bateriové systémy elektromobilů mají různé architektury krytu a cíle ověřování, složení SMC by mělo být přizpůsobeno individuálnímu projektu a nikoli vybráno z jediné třídy pro všeobecné použití.

Dostupné směry vývoje zahrnují:

·  Nehořlavý SMC 

·  Elektrická izolace SMC 

·  Vysoce pevné skleněné vlákno SMC 

·  Nízké smrštění SMC 

·  Tepelně odolný SMC 

·  Odolný proti korozi SMC 

·  SMC pro kryty baterií EV 

·  SMC pro bateriové přihrádky a ochranné panely 

·  SMC pro vysokonapěťové elektrické skříně 

·  Automobilový SMC v zakázkové barvě 

Pro doporučení vhodného složení JLON obvykle kontroluje následující informace:

·  Výkres součásti nebo 3D model

·  Zamýšlená aplikace

·  Požadovaný požární standard

·  Minimální výrobní tloušťka stěny

·  Mechanicko-majetkové cíle

·  Požadavky na elektrický výkon

·  Provozní a špičkové teploty

·  Podmínky vystavení chemikáliím

·  Hmotnost dílu a rozměry

·  Informace o lisu a formě

·  Roční poptávka

·  Požadované zkušební protokoly nebo automobilová schválení

Před schválením výroby se důrazně doporučuje tvarování prototypu a testování reprezentativních součástí.

Závěr

Výběr SMC pro kryt baterie EV  vyžaduje více než jen porovnávání pevnosti v tahu nebo požadavek na obecnou třídu zpomalující hoření. Materiál musí fungovat jako součást kompletního systému, který zahrnuje geometrii krytu, design těsnění, vložky, chladicí systém, bateriové moduly a konstrukci vozidla.

Nejlepší formulace SMC by měla poskytovat praktickou rovnováhu:

·  Odolnost vůči ohni a teplu

·  Mechanická pevnost a tuhost

·  Odolnost proti nárazům a vibracím

·  Elektrická izolace

·  Odolnost proti korozi a chemikáliím

·  Rozměrová stabilita

·  Spolehlivý tok formy

·  Konkurenční doba výrobního cyklu

Nejdůležitější je, že požární, strukturální a elektrické požadavky by měly být ověřeny při zamýšlené tloušťce stěny a poté validovány na hotovém krytu.

Chcete-li nový projekt krytu baterie EV SMC  , kontaktujte společnost JLON s vaším výkresem, požadavky na výkon a podmínkami lisování. Náš tým může pomoci posoudit požadované složení a připravit materiálové řešení SMC na míru.