Comment choisir SMC pour les boîtiers de batterie EV : exigences en matière de résistance aux flammes, de résistance et de moulage

Les boîtiers de batterie des véhicules électriques doivent protéger les modules de batterie contre le feu, les chocs, les vibrations, l'humidité, les débris routiers et les risques électriques. Dans le même temps, les constructeurs automobiles sont soumis à une pression constante pour réduire le poids, consolider les pièces et améliorer l’efficacité de la production.

Composé de moulage en feuille, communément appelé SMC , offre une alternative efficace aux boîtiers de batterie en acier, aluminium et thermoplastique. Un correctement formulé SMC ignifuge  combine résistance mécanique, isolation électrique, résistance à la corrosion et flexibilité de conception dans un composant moulé par compression.

Cependant, toutes les formulations SMC ne conviennent pas à un boîtier de batterie EV. Le matériau doit être sélectionné en fonction de la conception de l'enceinte, de l'objectif de sécurité incendie, des conditions de charge, de la température de fonctionnement, de l'épaisseur de la paroi et du processus de moulage.

Ce guide explique les principaux facteurs que les ingénieurs et les équipes d'achat doivent évaluer lors de la sélection de SMC pour les boîtiers de batterie EV..

Pourquoi utiliser SMC pour les boîtiers de batterie EV ?

Un boîtier de batterie EV peut comprendre un couvercle supérieur, un plateau inférieur, des structures de protection latérales, des cloisons internes, des couvercles de service et des composants de protection électrique. Selon la conception, SMC peut être utilisé pour le boîtier complet ou combiné avec une structure porteuse en aluminium ou en acier.

Par rapport aux métaux conventionnels, Le SMC renforcé de fibre de verre  offre plusieurs avantages.

Isolation électrique

Le SMC est intrinsèquement non conducteur lorsqu’il est correctement formulé. Il peut aider à isoler les composants de la batterie haute tension et à réduire le risque de contact électrique entre les cellules, les jeux de barres, le boîtier et la carrosserie du véhicule.

Ceci est particulièrement utile pour les connecteurs, les sectionneurs de service et les composants haute tension. La norme ISO 6469-3 traite de la protection contre les chocs électriques et les incidents thermiques dans les circuits de classe de tension B, faisant de l'isolation électrique un élément important de la sécurité globale du véhicule.

Cependant, l'enceinte finie doit encore être validée en tant que système complet. Une bonne valeur diélectrique dans une fiche technique SMC ne prouve pas automatiquement que la batterie assemblée répond aux exigences de sécurité électrique du véhicule.

Corrosion et résistance chimique

Contrairement à l'acier, le SMC ne rouille pas. Il peut résister à l'exposition au sel de déneigement, à l'humidité, aux éclaboussures d'eau et à de nombreux fluides automobiles lorsque le système de résine est correctement sélectionné.

Cela peut réduire le besoin de traitements anticorrosion secondaires. Il contribue également à maintenir les performances du boîtier tout au long de la durée de vie du véhicule, en particulier dans les régions côtières ou sur les marchés où le sel de déneigement est largement utilisé.

Les tests chimiques doivent prendre en compte les substances réelles attendues dans l'application, telles que :

·  Mélanges de liquide de refroidissement et de glycol

·  Lubrifiants et fluides hydrauliques

·  Agents de nettoyage

·  Sel de déneigement

·  Électrolyte de batterie

·  Carburants et huiles automobiles

Réduction de poids

Le SMC a généralement une densité inférieure à celle de l’acier. Le gain de poids réel dépend de la formulation, de la teneur en fibres, de la géométrie de la pièce, des nervures, des inserts et du fait que le composant SMC remplace un couvercle métallique ou un plateau structurel.

Une comparaison directe de la densité des matériaux ne suffit pas. Les ingénieurs doivent comparer le poids de pièces complètes et fonctionnellement équivalentes. Le plus grand avantage de SMC réside souvent dans la combinaison de plusieurs composants métalliques estampés ou soudés en une seule pièce moulée.

Intégration de pièces

Le moulage par compression permet d'incorporer des nervures, des bossages, des rainures d'étanchéité, des éléments de montage, des passages de câbles et des renforts locaux dans le boîtier.

Cela peut réduire :

·  Le nombre de composants séparés

·  Opérations de soudage et de fixation

·  Temps de montage

·  Variation dimensionnelle entre les pièces jointes

·  Chemins de fuite potentiels

L'intégration de pièces est particulièrement utile pour les grands couvercles de batterie et les panneaux de protection complexes.

Stabilité dimensionnelle

Une formulation SMC automobile bien conçue peut fournir un faible retrait, des dimensions stables et une qualité de surface constante. Ces propriétés sont importantes pour sceller les brides, les positions des fixations et les grandes surfaces planes.

Étant donné que les boîtiers de batterie peuvent être considérablement plus grands que les boîtiers électriques standard, la déformation et la variation locale de l'épaisseur doivent être évaluées lors du développement du flux de moule et de l'outillage.

1. Définir l'exigence de résistance au feu

La performance au feu est généralement la première préoccupation lors de la sélection d'un Boîtier de batterie EV SMC.

Les incidents liés aux batteries lithium-ion peuvent exposer un boîtier à des flammes, des gaz chauds, de la pression, des particules fondues et une augmentation rapide des températures. Le matériau doit contribuer à retarder la propagation du feu et à maintenir une barrière de protection suffisamment longtemps pour soutenir la stratégie de sécurité du bloc-batterie.

UL 94 V-0 est une classification des matériaux et non une protection complète de la batterie.

La norme UL 94 V-0 est fréquemment demandée pour les plastiques et composites ignifuges. Dans le cadre de ce test, un matériau doit cesser de s'enflammer dans les limites spécifiées et ne doit pas libérer de gouttes enflammées qui enflamment l'indicateur situé en dessous.

Pour les applications plus exigeantes, les clients peuvent envisager la norme UL 94 5VA ou 5VB. Le test 5V utilise une exposition aux flammes plus sévère. Dans le test de plaque, le 5VA ne permet pas de brûlure, tandis que le 5VB peut permettre un trou. UL décrit UL 94 comme un groupe de tests à petite échelle qui évaluent la tendance d'un matériau à s'éteindre ou à propager une flamme après une inflammation.

Deux qualifications sont essentielles :

1. Une classification UL 94 est liée à la formulation testée et à l'épaisseur de l'échantillon.

2. UL 94 ne reproduit pas un événement complet d’emballement thermique de la batterie d’un véhicule électrique.

Une qualité SMC classée V-0 à 3 mm ne doit pas automatiquement être décrite comme V-0 à 1,5 mm. Demandez toujours le rapport d’essai ou la certification pour une épaisseur égale ou inférieure à l’épaisseur de paroi de production.

Considérez le scénario d'incendie complet

Le fabricant du pack batterie doit définir si le composant SMC doit résister :

·  Feu de combustible externe

·  Emballement thermique des cellules internes

·  Impact direct de la flamme

·  Jets de gaz à haute température

·  Impact des particules

·  Chaleur rayonnante

·  Pression générée à l'intérieur du pack

·  Propagation du feu entre modules

·  Burn-through pour une période déterminée

Le règlement n° 100 de la CEE-ONU comprend des exigences de sécurité pour les systèmes de stockage d'énergie électrique rechargeable, couvrant les contraintes mécaniques, thermiques, électriques et environnementales. Ses exigences s'appliquent au SRSE et au système du véhicule plutôt que d'accorder une conformité basée sur un seul matériau de boîtier. Aperçu des tests UNECE R100

SAE J2464 fournit également un cadre pour les tests d'abus des systèmes de stockage d'énergie rechargeables dans des conditions en dehors de leur plage de fonctionnement normale.

Par conséquent, la spécification SMC ne doit pas s'arrêter au « ignifugeant ». Elle doit inclure la méthode d'essai prévue, l'épaisseur de l'éprouvette, les conditions d'exposition et les critères d'acceptation.

Principales propriétés liées au feu à demander

Lorsque vous comparez des composés SMC ignifuges , demandez les données disponibles pour :

·  Classification UL 94 et épaisseur testée

·  Indice limite d'oxygène, le cas échéant

·  Comportement de combustion horizontal et vertical

·  Temps d'allumage

·  Comportement de propagation de la flamme

·  Densité de la fumée

·  Exigences en matière de gaz toxiques

·  Performance de dégagement de chaleur

·  Résistance aux brûlures

·  Rétention mécanique après exposition à la chaleur

·  Conductivité thermique et transfert de chaleur

·  Exposition maximale à la température à court terme

La combinaison requise dépend de si le SMC est utilisé comme capot supérieur, plateau de soubassement, barrière interne ou composant électrique non structurel.

2. Spécifier les performances mécaniques par cas de charge

Un boîtier de batterie n’est pas simplement un boîtier. Il peut être nécessaire de transporter les modules de batterie, de résister aux vibrations du véhicule, de protéger contre les chocs et de maintenir sa surface d'étanchéité tout au long de la durée de vie du véhicule.

Pour cette raison, la sélection du SMC basée uniquement sur la résistance à la traction n'est pas suffisante.

Performances en traction et en flexion

La résistance à la traction indique la manière dont le matériau réagit aux charges de traction, tandis que la résistance à la flexion est particulièrement pertinente pour les panneaux larges soumis à la flexion.

La spécification technique doit inclure :

·  Résistance à la traction et module de traction

·  Résistance à la flexion et module de flexion

·  Allongement à la rupture

·  Résistance aux chocs crantés et non crantés

·  Performances en cisaillement, le cas échéant

Pour un grand couvercle de batterie, la rigidité peut être plus importante que la résistance à la traction ultime. Une rigidité insuffisante peut permettre au panneau de fléchir, affectant l'étanchéité du joint ou créant un contact avec les composants internes.

Résistance aux chocs

Les boîtiers de batterie sous le châssis peuvent être exposés à des impacts de pierres, à des chutes d'objets, à des débris routiers et à des charges de pénétration locales. Les couvercles supérieurs peuvent également devoir résister aux charges de service et d’assemblage.

La formulation SMC, la longueur des fibres de verre, la teneur en fibres et l'orientation des fibres moulées affectent toutes le comportement aux chocs. Une note avec une valeur élevée issue d'un simple test de coupon peut néanmoins nécessiter un renforcement local dans les zones vulnérables.

Les ingénieurs doivent évaluer le composant moulé dans des conditions d'impact représentatives plutôt que de se fier uniquement à des échantillons de matériaux standard.

Vibrations et fatigue

Les batteries EV subissent des vibrations continues et des charges mécaniques répétées. Les emplacements de défaillance potentiels comprennent :

·  Trous de fixation

·  Inserts métalliques

·  Coins pointus

·  Intersections de côtes

·  Transitions fines à épaisses

·  Points de montage

·  Bords autour des grandes ouvertures

Les performances en fatigue dépendent de la formulation du matériau, de la qualité du moulage et de la conception des composants. Le fournisseur SMC doit examiner les zones critiques en collaboration avec le concepteur du moule et le fabricant de la batterie.

Fluage et rétention de fixation

Les couvercles de batterie sont fréquemment boulonnés sur un plateau métallique. Des charges de serrage soutenues peuvent provoquer un fluage ou une relaxation locale des contraintes dans les matériaux à base de polymères.

La conception peut nécessiter :

·  Zones de répartition des charges plus grandes

·  Limiteurs de compression métalliques

·  Inserts moulés

·  Couple de serrage contrôlé

·  L'épaisseur de paroi locale augmente

·  Renfort autour des points de montage

Des tests d'arrachement, de couple, de relaxation et de cyclage thermique doivent être effectués sur l'insert et le système de fixation proposés.

3. Confirmer les exigences électriques et thermiques

L'un des principaux avantages du matériau du boîtier de batterie SMC  est son équilibre entre performances structurelles et isolation électrique.

Les propriétés électriques pertinentes peuvent inclure :

·  Rigidité diélectrique

·  Résistivité volumique

·  Résistivité superficielle

·  Indice de suivi comparatif

·  Résistance aux arcs

·  Résistance d'isolation après exposition à l'humidité

Les valeurs des tests doivent être révisées à l’épaisseur prévue et après conditionnement environnemental. L'humidité, la contamination, les températures élevées et le vieillissement peuvent affecter les performances électriques.

Les exigences thermiques doivent également être définies avec soin. Le SMC n'est normalement pas sélectionné pour évacuer la chaleur des cellules de la même manière que l'aluminium. Si l'enceinte fait partie du système de gestion thermique, le concepteur doit prendre en compte la conductivité thermique et le chemin de transfert de chaleur du matériau.

Dans certaines conceptions, une faible conductivité thermique est bénéfique car elle ralentit le transfert de chaleur. Dans d’autres, la batterie a besoin d’une dissipation thermique contrôlée via des plaques de refroidissement dédiées. La sélection du SMC doit donc être coordonnée avec la conception complète de la gestion thermique.

4. Faites correspondre la formulation SMC au processus de moulage

Le SMC est un matériau prêt à mouler composé principalement de résine, de fibre de verre hachée, de charges minérales, d'additifs et d'un système épaississant. Il est normalement moulé par compression sous chaleur et pression.

La formulation correcte doit garantir à la fois des performances de pièce finie et un traitement stable.

Système de résine

Les systèmes polyester insaturé et ester vinylique sont largement utilisés dans les SMC. La résine affecte les performances mécaniques, la résistance chimique, le retrait, le comportement thermique et le coût.

Un SMC standard de qualité électrique ne doit pas automatiquement être utilisé pour un boîtier EV. La formulation devra peut-être être ajustée pour :

·  Résistance aux chocs plus élevée

·  Résistance aux flammes améliorée

·  Faible retrait

·  Meilleure résistance chimique

·  Densité réduite

·  Résistance thermique plus élevée

·  Faibles émissions

·  Exigences relatives aux surfaces automobiles

Teneur en fibre de verre et longueur des fibres

Une teneur plus élevée en verre peut améliorer la résistance et la rigidité, mais elle peut également affecter l'écoulement, l'apparence de la surface et le remplissage du moule.

Lors du moulage par compression, l'orientation des fibres se développe à mesure que la charge SMC traverse la cavité. Cela peut produire différentes propriétés dans différentes directions. La taille de la charge, la position de la charge et la distance d'écoulement doivent donc être évaluées lors du développement du procédé.

Pour les zones fortement chargées, un renforcement local ou une structure hybride peut être plus efficace que la simple augmentation de la teneur en verre sur toute la pièce.

Flux de moule

Un grand boîtier de batterie EV peut contenir des nervures, des sections profondes, des canaux d'étanchéité et des inserts métalliques. Le SMC doit s'écouler suffisamment loin pour remplir la cavité sans séparation excessive des fibres, sans lignes de soudure ni emprisonnement d'air.

Les variables de moulage importantes comprennent :

·  Température du moule

·  Pression de moulage

·  Chargez le poids

·  Modèle de facturation et couverture

·  Vitesse de fermeture

·  Temps de durcissement

·  Ventilation

·  Épaisseur de la pièce

·  Distance d'écoulement

·  Position d'insertion

La qualité doit être testée en utilisant une géométrie représentative autant que possible.

Capacité d’outillage et de presse

Les grands couvercles de batterie nécessitent une presse avec une taille de plateau, une lumière naturelle, une commande de fermeture et un tonnage suffisants. La force de presse requise dépend de la surface projetée de la pièce et de la pression de moulage, et pas seulement du poids de la pièce.

L’outillage doit répondre :

·  Chauffage uniforme

·  Évacuation de l'air

·  Contrôle du flash

·  Dimensions précises des brides d'étanchéité

·  Démoulage

·  Insérer le positionnement

·  Répartition locale de la pression

La simulation du flux de moule et l'examen précoce de la fabrication peuvent éviter des modifications coûteuses une fois l'outil de production terminé.

Temps de cycle et durcissement

Le SMC doit durcir de manière constante sur les sections épaisses et minces. Un durcissement inadéquat peut réduire la résistance à la chaleur, la résistance et la stabilité dimensionnelle. Un temps de durcissement excessif diminue toutefois l’efficacité de la production.

Les essais de production devraient confirmer :

·  Temps de durcissement stable minimum

·  Durcissement du noyau et de la surface

·  Comportement au démoulage

·  Changement dimensionnel après moulage

·  Déformation

·  Défauts de surface

·  Cohérence des propriétés mécaniques

5. Évaluer la durabilité environnementale

Les boîtiers de batterie EV fonctionnent dans des conditions changeantes de température, d’humidité et de route. Le programme de qualification des matériaux doit représenter le marché automobile visé.

Les évaluations recommandées peuvent inclure :

·  Exposition à des températures élevées et basses

·  Cyclisme thermique

·  Vieillissement en température et en humidité

·  Absorption d'eau

·  Exposition aux brouillards salins

·  Immersion chimique

·  Exposition aux UV pour les parties visibles de l'extérieur

·  Impact de gravier et de pierre

·  Vibration après vieillissement environnemental

·  Performance du joint après le cyclisme

Le matériau doit également être évalué avec les revêtements, les adhésifs, les joints, les inserts et les fixations. Les différences de dilatation thermique entre le SMC et les composants métalliques peuvent influencer les charges des joints et les performances d'étanchéité.

6. Contrôler l’épaisseur, le gauchissement et les surfaces d’étanchéité

L’étanchéité du boîtier de batterie est essentielle pour empêcher l’eau, la poussière et les contaminants de pénétrer dans le pack. Les grands couvercles moulés doivent conserver la planéité des brides et la précision dimensionnelle après le moulage et le cycle thermique.

La conception doit éviter les variations inutiles d’épaisseur. Des transitions brusques peuvent créer un écoulement irrégulier, des contraintes internes, des marques d'enfoncement et des déformations.

Les mesures de conception utiles comprennent :

·  Transitions d'épaisseur progressives

·  Dispositions de côtes équilibrées

·  Coins internes arrondis

·  Géométrie de bride cohérente

·  Angles de dépouille appropriés

·  Rapports nervure/paroi contrôlés

·  Placement stratégique des charges

·  Renforcement global local plutôt qu'excessif

Le système de joint, l'espacement des boulons et la déflexion autorisée de la bride doivent être définis avant la finalisation de la pièce SMC et du moule.

Liste de contrôle de sélection SMC pour les boîtiers de batterie EV

Erreurs courantes de sélection SMC

Plusieurs erreurs peuvent retarder un projet de boîtier de batterie pour VE :

1. Sélection du matériau uniquement à partir des données UL 94 V-0.
V-0 ne représente pas l’intégralité du scénario d’emballement thermique ou d’incendie de véhicule.

2. Ignorer l'épaisseur testée.
Un indice d'inflammabilité ou une valeur diélectrique peut ne pas s'appliquer à un mur de production plus mince.

3. Utilisation de la résistance des coupons comme spécification structurelle complète.
Le flux des fibres, les nervures, les lignes de soudure et les inserts influencent les performances réelles des composants.

4. Spécifier une résistance maximale sans tenir compte du flux de moulage.
Une formulation doit remplir l'outil de manière fiable et répondre aux exigences mécaniques.

5. Traiter un capot SMC comme une copie directe d'une pièce métallique.
Les pièces composites nécessitent leur propre conception de nervures, de brides, de fixations et d'épaisseur.

6. Valider le matériel mais pas le coffret assemblé.
Les joints, joints, inserts et interfaces déterminent souvent les performances finales du pack.

Solutions SMC personnalisées de JLON

JLON fournit des composés SMC personnalisés  pour les applications électriques, automobiles et de transport. Étant donné que les systèmes de batteries de véhicules électriques ont des architectures de boîtier et des objectifs de validation différents, la formulation SMC doit être adaptée à chaque projet individuel plutôt que sélectionnée parmi une seule qualité à usage général.

Les directions de développement disponibles incluent :

·  SMC ignifuge 

·  Isolation électrique SMC 

·  Fibre de verre SMC haute résistance 

·  SMC à faible retrait 

·  SMC résistant à la chaleur 

·  SMC résistant à la corrosion 

·  SMC pour couvercles de batterie EV 

·  SMC pour bacs de batterie et panneaux de protection 

·  SMC pour coffrets électriques haute tension 

·  SMC automobile de couleur personnalisée 

Pour recommander une formulation appropriée, JLON examine normalement les informations suivantes :

·  Dessin de pièce ou modèle 3D

·  Application prévue

·  Norme incendie requise

·  Épaisseur minimale de paroi de production

·  Cibles de propriétés mécaniques

·  Exigences de performances électriques

·  Températures de fonctionnement et de pointe

·  Conditions d'exposition chimique

·  Poids et dimensions des pièces

·  Informations sur la presse et le moule

·  Demande annuelle

·  Rapports d'essais ou approbations automobiles requis

Le moulage de prototypes et les tests de composants représentatifs sont fortement recommandés avant l'approbation de la production.

Conclusion

Choisir Le SMC pour un boîtier de batterie EV  nécessite plus que de comparer la résistance à la traction ou de demander un grade ignifuge général. Le matériau doit fonctionner dans le cadre d'un système complet comprenant la géométrie du boîtier, la conception des joints, les inserts, le système de refroidissement, les modules de batterie et la structure du véhicule.

La meilleure formulation SMC doit fournir un équilibre pratique entre :

·  Résistance aux flammes et à la chaleur

·  Résistance mécanique et rigidité

·  Durabilité aux chocs et aux vibrations

·  Isolation électrique

·  Corrosion et résistance chimique

·  Stabilité dimensionnelle

·  Flux de moule fiable

·  Temps de cycle de production compétitif

Plus important encore, les réclamations en matière d'incendie, structurelles et électriques doivent être vérifiées pour l'épaisseur de paroi prévue, puis validées sur l'enceinte finie.

Pour un nouveau projet SMC de boîtier de batterie EV  , contactez JLON avec votre dessin, vos exigences de performances et vos conditions de moulage. Notre équipe peut vous aider à évaluer la formulation requise et à préparer une solution de matériau SMC personnalisée.