Kako odabrati SMC za kućišta baterija za EV: Zahtjevi za otpornost na plamen, čvrstoću i oblikovanje

Kućišta baterija električnih vozila moraju štititi baterijske module od požara, udaraca, vibracija, vlage, otpadaka s ceste i električnih opasnosti. U isto vrijeme, proizvođači vozila su pod stalnim pritiskom da smanje težinu, konsolidiraju dijelove i poboljšaju učinkovitost proizvodnje.

Masa za oblikovanje lima, obično poznata kao SMC , nudi učinkovitu alternativu kućištima za baterije od čelika, aluminija i termoplasta. Pravilno formuliran otporan na plamen SMC  kombinira mehaničku čvrstoću, električnu izolaciju, otpornost na koroziju i fleksibilnost dizajna u komponenti lijevanoj kompresijom.

Međutim, nije svaka SMC formulacija prikladna za kućište baterija za EV. Materijal se mora odabrati u skladu s dizajnom kućišta, ciljem zaštite od požara, uvjetima opterećenja, radnom temperaturom, debljinom stijenke i postupkom oblikovanja.

Ovaj vodič objašnjava glavne čimbenike koje bi inženjeri i timovi za nabavu trebali procijeniti pri odabiru SMC-a za kućišta baterija za EV.

Zašto koristiti SMC za kućišta baterija za EV?

Kućište za EV bateriju može uključivati ​​gornji poklopac, donju ladicu, bočne zaštitne strukture, unutarnje pregrade, servisne poklopce i električne zaštitne komponente. Ovisno o dizajnu, SMC se može koristiti za kompletno kućište ili u kombinaciji s aluminijskom ili čeličnom nosivom strukturom.

U usporedbi s konvencionalnim metalima, SMC ojačan staklenim vlaknima  pruža nekoliko prednosti.

Električna izolacija

SMC je inherentno neprovodljiv kada je pravilno formuliran. Može pomoći u izolaciji visokonaponskih komponenti baterije i smanjiti rizik od električnog kontakta između ćelija, sabirnica, kućišta i karoserije vozila.

Ovo je osobito vrijedno oko konektora, servisnih prekida i visokonaponskih komponenti. ISO 6469-3 bavi se zaštitom od strujnog udara i toplinskih incidenata u krugovima naponske klase B, čineći električnu izolaciju važnim dijelom ukupne sigurnosti vozila.

Gotovo kućište, međutim, i dalje mora biti validirano kao cjeloviti sustav. Dobra dielektrična vrijednost u podatkovnoj tablici SMC ne dokazuje automatski da sklopljena baterija ispunjava zahtjeve električne sigurnosti na razini vozila.

Otpornost na koroziju i kemikalije

Za razliku od čelika, SMC ne hrđa. Može izdržati izlaganje soli s ceste, vlazi, prskanju vode i mnogim automobilskim tekućinama ako je sustav smole ispravno odabran.

To može smanjiti potrebu za sekundarnim tretmanima protiv korozije. Također pomaže u održavanju performansi kućišta tijekom vijeka trajanja vozila, osobito u obalnim regijama ili na tržištima gdje se sol za ceste često koristi.

Kemijsko ispitivanje treba uzeti u obzir stvarne tvari koje se očekuju u primjeni, kao što su:

·  Mješavine rashladnog sredstva i glikola

·  Maziva i hidraulične tekućine

·  Sredstva za čišćenje

·  Sol za ceste

·  Elektrolit akumulatora

·  Goriva i ulja za automobile

Smanjenje težine

SMC općenito ima nižu gustoću od čelika. Stvarna ušteda težine ovisi o formulaciji, sadržaju vlakana, geometriji dijela, rebrima, umetcima i o tome hoće li SMC komponenta zamjeniti metalni poklopac ili strukturnu ladicu.

Izravna usporedba gustoće materijala nije dovoljna. Inženjeri bi trebali usporediti težinu kompletnih, funkcionalno ekvivalentnih dijelova. Najveća prednost SMC-a često dolazi od kombiniranja više utisnutih ili zavarenih metalnih komponenti u jedan oblikovani dio.

Integracija dijelova

Kompresijsko oblikovanje omogućuje ugradnju rebara, izbočina, utora za brtvljenje, montažnih elemenata, kabelskih prolaza i lokalnog pojačanja u kućište.

Ovo može smanjiti:

·  Broj zasebnih komponenti

·  Radovi zavarivanja i pričvršćivanja

·  Vrijeme sastavljanja

·  Varijacija dimenzija između spojenih dijelova

·  Potencijalni putovi curenja

Integracija dijelova posebno je korisna za velike poklopce baterija i složene zaštitne ploče.

Dimenzijska stabilnost

Dobro osmišljena automobilska SMC formulacija može osigurati nisko skupljanje, stabilne dimenzije i dosljednu kvalitetu površine. Ova su svojstva važna za brtvljenje prirubnica, položaja pričvrsnih elemenata i velikih ravnih površina.

Budući da kućišta za baterije mogu biti znatno veća od standardnih električnih kućišta, deformacija i lokalne varijacije debljine moraju se procijeniti tijekom toka kalupa i razvoja alata.

1. Definirajte zahtjeve otpornosti na vatru

Učinkovitost u slučaju požara obično je prva briga pri odabiru EV kućište baterije SMC.

Nesreće s litij-ionskom baterijom mogu izložiti kućište plamenu, vrućem plinu, tlaku, rastaljenim česticama i naglo rastućim temperaturama. Materijal mora pomoći u odgađanju širenja požara i održavati zaštitnu barijeru dovoljno dugo da podrži sigurnosnu strategiju baterije.

UL 94 V-0 je klasifikacija materijala—nije potpuna zaštita baterije

UL 94 V-0 često se traži za vatrootpornu plastiku i kompozite. Prema ovom ispitivanju, materijal mora prestati goriti unutar određenih granica i ne smije ispuštati plamene kapljice koje zapale indikator ispod njega.

Za zahtjevnije primjene, kupci mogu razmotriti UL 94 5VA ili 5VB. Test od 5 V koristi jače izlaganje plamenu. U testu plaka, 5VA ne dopušta progorevanje, dok 5VB može dopustiti rupu. UL opisuje UL 94 kao skupinu malih testova koji procjenjuju tendenciju materijala da se ugasi ili proširi plamen nakon paljenja.

Dvije kvalifikacije su kritične:

1. Oznaka UL 94 povezana je s testiranom formulacijom i debljinom uzorka.

2. UL 94 ne reproducira potpuni događaj termičkog odlaska baterije EV.

SMC stupanj ocijenjen V-0 na 3 mm ne bi se trebao automatski opisati kao V-0 na 1,5 mm. Uvijek zahtijevajte izvješće o ispitivanju ili potvrdu za debljinu jednaku ili manju od proizvodne debljine stijenke.

Razmotrite cijeli scenarij požara

Proizvođač paketa baterija treba definirati mora li SMC komponenta biti otporna na:

·  Vanjski požar goriva

·  Unutarnji toplinski odvod ćelije

·  Izravni udar plamena

·  Mlazovi plina visoke temperature

·  Udar čestica

·  Zračenje topline

·  Tlak stvoren unutar pakiranja

·  Širenje vatre između modula

·  Izgorjeti tijekom određenog razdoblja

UNECE Pravilnik br. 100 uključuje sigurnosne zahtjeve za punjive sustave za pohranu električne energije, koji pokrivaju mehanička, toplinska, električna i okolišna opterećenja. Njegovi se zahtjevi odnose na REESS i sustav vozila, a ne na odobravanje usklađenosti na temelju jednog materijala kućišta. UNECE R100 pregled testiranja

SAE J2464 na sličan način pruža okvir za testiranje zlouporabe punjivih sustava za pohranu energije u uvjetima izvan njihovog normalnog radnog raspona.

Stoga se SMC specifikacija ne smije zaustaviti na 'usporivaču plamena'. Treba uključiti predviđenu metodu ispitivanja, debljinu uzorka, uvjete izloženosti i kriterije prihvatljivosti.

Ključne nekretnine povezane s požarom koje možete zatražiti

Kada uspoređujete SMC spojeve koji usporavaju plamen , zatražite dostupne podatke za:

·  UL 94 klasifikacija i ispitana debljina

·  Ograničavajući indeks kisika, ako je primjenjivo

·  Horizontalno i okomito ponašanje gorenja

·  Vrijeme paljenja

·  Ponašanje pri širenju plamena

·  Gustoća dima

·  Zahtjevi za otrovne plinove

·  Izvedba otpuštanja topline

·  Otpornost na gorenje

·  Mehaničko zadržavanje nakon izlaganja toplini

·  Toplinska vodljivost i prijenos topline

·  Maksimalno kratkotrajno izlaganje temperaturi

Potrebna kombinacija ovisi o tome koristi li se SMC kao gornji poklopac, podvozje, unutarnja barijera ili nestrukturalna električna komponenta.

2. Odredite mehaničku izvedbu prema slučaju opterećenja

Kućište za baterije nije samo kutija. Možda će trebati nositi baterijske module, oduprijeti se vibracijama vozila, zaštititi od udaraca i održavati svoju brtvenu površinu tijekom životnog vijeka vozila.

Iz tog razloga odabir SMC-a samo na temelju vlačne čvrstoće nije dovoljan.

Vlačna i savijalna izvedba

Vlačna čvrstoća pokazuje kako materijal reagira na vučna opterećenja, dok je čvrstoća na savijanje posebno važna za široke ploče izložene savijanju.

Tehnička specifikacija treba sadržavati:

·  Vlačna čvrstoća i vlačni modul

·  Čvrstoća na savijanje i modul elastičnosti na savijanje

·  Istezanje pri prekidu

·  Udarna čvrstoća s urezima i bez ureza

·  Učinak smicanja gdje je primjenjivo

Za veliki poklopac baterije, krutost može biti važnija od krajnje vlačne čvrstoće. Nedovoljna krutost može dopustiti da se ploča savije, utječući na brtvljenje brtve ili stvarajući kontakt s unutarnjim komponentama.

Otpornost na udarce

Kućišta za baterije ispod karoserije mogu biti izložena udarcima kamenja, ispuštenim predmetima, krhotinama s ceste i lokalnim opterećenjima proboja. Gornji poklopci također moraju izdržati servisna i montažna opterećenja.

SMC formulacija, duljina staklenih vlakana, sadržaj vlakana i orijentacija lijevanih vlakana utječu na ponašanje pri udaru. Ocjena s visokom vrijednošću iz jednostavnog testa s kuponom ipak može zahtijevati lokalno pojačanje u osjetljivim područjima.

Inženjeri bi trebali procijeniti oblikovanu komponentu pod reprezentativnim uvjetima udara, umjesto da se oslanjaju samo na uzorke standardnog materijala.

Vibracije i umor

EV baterije doživljavaju stalne vibracije i ponavljana mehanička opterećenja. Moguća mjesta kvara uključuju:

·  Rupe za pričvršćivanje

·  Metalni umetci

·  Oštri kutovi

·  Sjecišta rebara

·  Prijelazi s tankog na deblji

·  Montažne točke

·  Rubovi oko velikih otvora

Učinkovitost zamora ovisi o formulaciji materijala, kvaliteti kalupljenja i dizajnu komponenti. Dobavljač SMC-a trebao bi pregledati kritična područja zajedno s dizajnerom kalupa i proizvođačem baterije.

Zadržavanje puzanja i pričvršćivanja

Poklopci baterija često su pričvršćeni vijcima za metalnu ladicu. Trajna opterećenja stezanja mogu uzrokovati puzanje ili lokalno popuštanje naprezanja u materijalima na bazi polimera.

Dizajn može zahtijevati:

·  Veća područja raspodjele opterećenja

·  Metalni limiteri kompresije

·  Uliveni umeci

·  Kontrolirani moment zatezanja

·  Lokalno se povećava debljina stijenke

·  Ojačanje oko montažnih točaka

Ispitivanja izvlačenja, zakretnog momenta, opuštanja i termičkih ciklusa treba provesti na predloženom umetku i sustavu pričvršćivanja.

3. Potvrdite električne i toplinske zahtjeve

Jedna od glavnih prednosti SMC materijala za kućište baterija  je njegova ravnoteža između strukturnih performansi i električne izolacije.

Relevantna električna svojstva mogu uključivati:

·  Dielektrična čvrstoća

·  Volumni otpor

·  Površinski otpor

·  Usporedni indeks praćenja

·  Otpornost luka

·  Izolacijska otpornost nakon izlaganja vlazi

Ispitne vrijednosti treba pregledati na predviđenoj debljini i nakon uvjetovanja okoline. Vlaga, onečišćenje, povišena temperatura i starenje mogu utjecati na električne performanse.

Toplinske zahtjeve također treba pažljivo definirati. SMC obično nije odabran da odvodi toplinu od ćelija na isti način kao aluminij. Ako je kućište dio sustava za upravljanje toplinom, dizajner mora uzeti u obzir toplinsku vodljivost materijala i put prijenosa topline.

U nekim dizajnima, niska toplinska vodljivost je korisna jer usporava prijenos topline. U drugima, baterija treba kontrolirano odvođenje topline kroz namjenske rashladne ploče. Odabir SMC-a stoga mora biti usklađen s cjelokupnim dizajnom upravljanja toplinom.

4. Uskladite SMC formulaciju s postupkom kalupljenja

SMC je materijal spreman za kalupljenje koji se uglavnom sastoji od smole, nasjeckanih staklenih vlakana, mineralnih punila, aditiva i sustava za zgušnjavanje. Obično se oblikuje kompresijom pod toplinom i pritiskom.

Ispravna formulacija mora osigurati performanse gotovog dijela i stabilnu obradu.

Sustav smole

Sustavi nezasićenih poliestera i vinilester naširoko se koriste u SMC-u. Smola utječe na mehaničku izvedbu, kemijsku otpornost, skupljanje, toplinsko ponašanje i cijenu.

Standardni električni SMC ne bi se trebao automatski koristiti za EV kućište. Formulaciju će možda trebati prilagoditi za:

·  Veća otpornost na udarce

·  Poboljšana otpornost na plamen

·  Nisko skupljanje

·  Bolja otpornost na kemikalije

·  Smanjena gustoća

·  Veća otpornost na toplinu

·  Niske emisije

·  Zahtjevi za automobilsku površinu

Sadržaj staklenih vlakana i duljina vlakana

Veći udio stakla može poboljšati čvrstoću i krutost, ali također može utjecati na protok, izgled površine i punjenje kalupa.

Tijekom kompresijskog kalupljenja razvija se orijentacija vlakana dok SMC naboj teče kroz šupljinu. To može proizvesti različita svojstva u različitim smjerovima. Veličinu punjenja, položaj punjenja i udaljenost protoka stoga treba procijeniti tijekom razvoja procesa.

Za visoko opterećena područja, lokalno pojačanje ili hibridna struktura mogu biti učinkovitiji od jednostavnog povećanja sadržaja stakla kroz cijeli dio.

Tok kalupa

Veliko kućište za EV bateriju može sadržavati rebra, duboke dijelove, brtvene kanale i metalne umetke. SMC mora teći dovoljno daleko da ispuni šupljinu bez pretjeranog odvajanja vlakana, zavarenih linija ili zarobljenog zraka.

Važne varijable oblikovanja uključuju:

·  Temperatura kalupa

·  Tlak kalupljenja

·  Težina punjenja

·  Uzorak punjenja i pokrivenost

·  Brzina zatvaranja

·  Vrijeme stvrdnjavanja

·  Ventilacija

·  Debljina dijela

·  Udaljenost protoka

·  Položaj umetanja

Ocjenu treba isprobati koristeći reprezentativnu geometriju kad god je to moguće.

Kapacitet alata i preše

Veliki poklopci baterija zahtijevaju prešu s dovoljnom veličinom ploče, dnevnim svjetlom, kontrolom zatvaranja i tonažom. Potrebna sila prešanja ovisi o projektiranoj površini dijela i pritisku kalupljenja—ne samo o težini dijela.

Alati bi se trebali baviti:

·  Ujednačeno zagrijavanje

·  Evakuacija zrakom

·  Kontrola bljeskalice

·  Točne dimenzije prirubnice za brtvljenje

·  Vađenje iz kalupa

·  Pozicioniranje umetka

·  Lokalna raspodjela tlaka

Simulacija toka kalupa i rani pregled proizvodnje mogu spriječiti skupe izmjene nakon što je proizvodni alat dovršen.

Vrijeme ciklusa i stvrdnjavanje

SMC mora dosljedno otvrdnjavati i na debelim i na tankim dijelovima. Neodgovarajuće stvrdnjavanje može smanjiti otpornost na toplinu, čvrstoću i stabilnost dimenzija. Pretjerano vrijeme stvrdnjavanja, međutim, smanjuje učinkovitost proizvodnje.

Proizvodna ispitivanja trebaju potvrditi:

·  Minimalno stabilno vrijeme otvrdnjavanja

·  Stvrdnjavanje jezgre i površine

·  Ponašanje vađenja iz kalupa

·  Promjena dimenzija nakon kalupa

·  Iskrivljenost

·  Površinski nedostaci

·  Konzistentnost mehaničkih svojstava

5. Procijenite ekološku trajnost

Kućišta za baterije za EV rade pri promjenjivoj temperaturi, vlažnosti i uvjetima na cesti. Program materijalne kvalifikacije trebao bi predstavljati namjeravano tržište vozila.

Preporučene procjene mogu uključivati:

·  Izlaganje visokim i niskim temperaturama

·  Toplinski ciklus

·  Temperatura i vlažnost starenja

·  Upijanje vode

·  Izlaganje slanom spreju

·  Kemijsko uranjanje

·  Izlaganje UV zračenju vanjski vidljivih dijelova

·  Udar šljunka i kamena

·  Vibracije nakon starenja u okolišu

·  Učinak brtvljenja nakon ciklusa

Materijal također treba ocijeniti zajedno s premazima, ljepilima, brtvama, umetcima i spojnicama. Razlike u toplinskom širenju između SMC i metalnih komponenti mogu utjecati na opterećenja spojeva i učinkovitost brtvljenja.

6. Kontrolirajte debljinu, iskrivljenost i brtvene površine

Brtvljenje kućišta baterije bitno je za sprječavanje ulaska vode, prašine i onečišćenja u pakiranje. Veliki oblikovani poklopci moraju zadržati ravnost prirubnice i točnost dimenzija nakon kalupljenja i toplinskog ciklusa.

Dizajn treba izbjegavati nepotrebne varijacije debljine. Nagli prijelazi mogu stvoriti neravnomjeran protok, unutarnje naprezanje, tragove potonuća i iskrivljenje.

Korisne mjere dizajna uključuju:

·  Postupni prijelazi debljine

·  Uravnoteženi raspored rebara

·  Zaobljeni unutarnji kutovi

·  Dosljedna geometrija prirubnice

·  Odgovarajući kutovi gaza

·  Kontrolirani omjeri rebra i stijenke

·  Strateško postavljanje naboja

·  Lokalno, a ne pretjerano sveukupno pojačanje

Sustav brtvila, razmak vijaka i dopušteni otklon prirubnice trebaju se definirati prije finalizacije SMC dijela i kalupa.

Kontrolni popis za odabir SMC-a za kućišta baterija za EV

Uobičajene pogreške pri odabiru SMC

Nekoliko pogrešaka može odgoditi projekt kućišta baterija za EV:

1. Odabir materijala samo iz podataka UL 94 V-0.
V-0 ne predstavlja cijeli scenarij toplinskog bježanja ili požara vozila.

2. Zanemarujući ispitanu debljinu.
Ocjena zapaljivosti ili dielektrična vrijednost možda se ne odnosi na tanju proizvodnu stijenku.

3. Korištenje snage kupona kao potpune strukturne specifikacije.
Protok vlakana, rebra, linije zavara i umetci utječu na stvarnu izvedbu komponente.

4. Određivanje maksimalne čvrstoće bez razmatranja protoka kalupa.
Formulacija mora pouzdano ispunjavati alat, kao i ispunjavati mehaničke zahtjeve.

5. Tretiranje SMC poklopca kao kopije metalnog dijela.
Kompozitni dijelovi zahtijevaju vlastiti dizajn rebara, prirubnice, pričvršćivanja i debljine.

6. Validacija materijala, ali ne i sastavljenog kućišta.
Brtve, spojevi, umetci i sučelja često određuju konačnu izvedbu paketa.

Prilagođena SMC rješenja iz JLON-a

JLON isporučuje prilagođene SMC spojeve  za električne, automobilske i transportne primjene. Budući da baterijski sustavi za električna vozila imaju različite arhitekture kućišta i ciljeve validacije, SMC formulaciju treba uskladiti s pojedinačnim projektom, a ne odabrati iz jedne klase opće namjene.

Dostupni pravci razvoja uključuju:

·  SMC otporan na plamen 

·  Električna izolacija SMC 

·  SMC od staklenih vlakana visoke čvrstoće 

·  SMC s malim skupljanjem 

·  SMC otporan na toplinu 

·  SMC otporan na koroziju 

·  SMC za poklopce baterija za EV 

·  SMC za baterije i zaštitne ploče 

·  SMC za visokonaponska električna kućišta 

·  Automobilski SMC u boji po narudžbi 

Kako bi preporučio odgovarajuću formulaciju, JLON obično pregledava sljedeće informacije:

·  Crtež dijela ili 3D model

·  Predviđena primjena

·  Potreban požarni standard

·  Minimalna proizvodna debljina stijenke

·  Ciljevi mehaničkih svojstava

·  Zahtjevi za električne performanse

·  Radne i vršne temperature

·  Uvjeti izloženosti kemikalijama

·  Težina i dimenzije dijelova

·  Podaci o preši i kalupu

·  Godišnja potražnja

·  Potrebna izvješća o ispitivanju ili automobilska odobrenja

Izrada prototipa i reprezentativno testiranje komponenti snažno se preporučuju prije odobrenja proizvodnje.

Zaključak

Biranje SMC za kućište baterije za EV  zahtijeva više od usporedbe vlačne čvrstoće ili zahtjeva općeg stupnja otpornosti na plamen. Materijal mora funkcionirati kao dio cjelovitog sustava koji uključuje geometriju kućišta, dizajn brtvila, umetke, sustav hlađenja, baterijske module i strukturu vozila.

Najbolja SMC formulacija trebala bi osigurati praktičnu ravnotežu:

·  Otpornost na plamen i toplinu

·  Mehanička čvrstoća i krutost

·  Otpornost na udarce i vibracije

·  Električna izolacija

·  Otpornost na koroziju i kemikalije

·  Dimenzijska stabilnost

·  Pouzdan protok kalupa

·  Konkurentno vrijeme proizvodnog ciklusa

Ono što je najvažnije, protupožarne, strukturalne i električne tvrdnje treba provjeriti na predviđenoj debljini stijenke, a zatim potvrditi na gotovom kućištu.

Za novi SMC  projekt kućišta baterija za EV, kontaktirajte JLON sa svojim crtežom, zahtjevima za performansama i uvjetima oblikovanja. Naš tim može pomoći u procjeni potrebne formulacije i pripremiti prilagođeno rješenje SMC materijala.