Come scegliere SMC per gli involucri di batterie per veicoli elettrici: resistenza alla fiamma, resistenza e requisiti di stampaggio

Gli involucri delle batterie dei veicoli elettrici devono proteggere i moduli batteria da fuoco, urti, vibrazioni, umidità, detriti stradali e rischi elettrici. Allo stesso tempo, i produttori di veicoli sono costantemente sotto pressione per ridurre il peso, consolidare i componenti e migliorare l’efficienza produttiva.

Composto per stampaggio di fogli, comunemente noto come SMC offre un'alternativa efficace agli alloggiamenti delle batterie in acciaio, alluminio e materiale termoplastico. Un adeguatamente formulato SMC ritardante di fiamma  combina resistenza meccanica, isolamento elettrico, resistenza alla corrosione e flessibilità di progettazione in un componente stampato a compressione.

Tuttavia, non tutte le formulazioni SMC sono adatte per un involucro di batterie per veicoli elettrici. Il materiale deve essere selezionato in base al design dell'involucro, agli obiettivi di sicurezza antincendio, alle condizioni di carico, alla temperatura operativa, allo spessore delle pareti e al processo di stampaggio.

Questa guida spiega i principali fattori che gli ingegneri e i team di acquisto dovrebbero valutare quando scelgono SMC per gli involucri di batterie per veicoli elettrici.

Perché utilizzare SMC per gli armadi per batterie dei veicoli elettrici?

Un involucro per batterie per veicoli elettrici può includere un coperchio superiore, un vassoio inferiore, strutture di protezione laterale, divisori interni, coperture di servizio e componenti di protezione elettrica. A seconda del design, SMC può essere utilizzato per l'alloggiamento completo o combinato con una struttura portante in alluminio o acciaio.

Rispetto ai metalli convenzionali, L'SMC rinforzato con fibra di vetro  offre numerosi vantaggi.

Isolamento elettrico

L'SMC è intrinsecamente non conduttivo se formulato correttamente. Può aiutare a isolare i componenti della batteria ad alta tensione e ridurre il rischio di contatto elettrico tra celle, sbarre collettrici, involucro e carrozzeria del veicolo.

Ciò è particolarmente utile in prossimità di connettori, sezionatori di servizio e componenti ad alta tensione. La norma ISO 6469-3 riguarda la protezione contro le scosse elettriche e gli incidenti termici nei circuiti di classe di tensione B, rendendo l'isolamento elettrico una parte importante della sicurezza complessiva del veicolo.

L'armadio finito, tuttavia, deve ancora essere validato come sistema completo. Un buon valore dielettrico in una scheda tecnica SMC non dimostra automaticamente che il pacco batteria assemblato soddisfi i requisiti di sicurezza elettrica a livello di veicolo.

Resistenza alla corrosione e agli agenti chimici

A differenza dell'acciaio, l'SMC non arrugginisce. Può resistere all'esposizione al sale stradale, all'umidità, agli spruzzi d'acqua e a molti fluidi automobilistici quando il sistema di resina è selezionato correttamente.

Ciò può ridurre la necessità di trattamenti anticorrosivi secondari. Aiuta inoltre a mantenere le prestazioni della copertura per tutta la vita utile del veicolo, in particolare nelle regioni costiere o nei mercati in cui il sale stradale è ampiamente utilizzato.

I test chimici dovrebbero considerare le sostanze effettive previste nell'applicazione, come ad esempio:

·  Miscele di refrigerante e glicole

·  Lubrificanti e fluidi idraulici

·  Detergenti

·  Sale stradale

·  Elettrolito della batteria

·  Carburanti e oli per autoveicoli

Riduzione del peso

L'SMC ha generalmente una densità inferiore rispetto all'acciaio. Il risparmio di peso effettivo dipende dalla formulazione, dal contenuto di fibre, dalla geometria della parte, dalle nervature, dagli inserti e dal fatto che il componente SMC sostituisca una copertura metallica o un vassoio strutturale.

Un confronto diretto della densità del materiale non è sufficiente. Gli ingegneri dovrebbero confrontare il peso di parti complete e funzionalmente equivalenti. Il vantaggio più grande di SMC spesso deriva dalla combinazione di più componenti metallici stampati o saldati in un unico pezzo stampato.

Integrazione delle parti

Lo stampaggio a compressione consente di incorporare nella custodia nervature, sporgenze, scanalature di tenuta, elementi di montaggio, passaggi dei cavi e rinforzi locali.

Ciò può ridurre:

·  Il numero di componenti separati

·  Operazioni di saldatura e fissaggio

·  Tempo di assemblaggio

·  Variazione dimensionale tra le parti unite

·  Potenziali percorsi di perdita

L'integrazione delle parti è particolarmente utile per coperchi di batterie di grandi dimensioni e pannelli protettivi complessi.

Stabilità dimensionale

Una formulazione SMC per il settore automobilistico ben progettata può fornire un basso ritiro, dimensioni stabili e una qualità superficiale costante. Queste proprietà sono importanti per sigillare flange, posizioni di elementi di fissaggio e grandi superfici piane.

Poiché gli involucri delle batterie possono essere considerevolmente più grandi degli alloggiamenti elettrici standard, la deformazione e la variazione locale dello spessore devono essere valutate durante lo sviluppo del flusso dello stampo e delle attrezzature.

1. Definire i requisiti di resistenza al fuoco

La prestazione al fuoco è solitamente la prima preoccupazione quando si seleziona un Custodia per batteria EV SMC.

Gli incidenti legati alla batteria agli ioni di litio possono esporre l'involucro a fiamme, gas caldo, pressione, particelle fuse e temperature in rapido aumento. Il materiale deve contribuire a ritardare la propagazione dell'incendio e mantenere una barriera protettiva sufficientemente a lungo da supportare la strategia di sicurezza del pacco batteria.

UL 94 V-0 è una classificazione dei materiali e non offre una protezione completa della batteria

UL 94 V-0 è spesso richiesto per plastiche e compositi ignifughi. Nell'ambito di questo test, un materiale deve smettere di infiammarsi entro limiti specificati e non deve rilasciare gocce fiammeggianti che accendano l'indicatore sottostante.

Per applicazioni più impegnative, i clienti possono prendere in considerazione UL 94 5VA o 5VB. Il test a 5 V utilizza un'esposizione alla fiamma più severa. Nel test della placca, 5VA non consente la combustione, mentre 5VB può consentire un foro. UL descrive UL 94 come un gruppo di test su piccola scala che valuta la tendenza di un materiale a estinguere o diffondere la fiamma dopo l'accensione.

Due qualifiche sono fondamentali:

1. Una classificazione UL 94 è collegata alla formulazione testata e allo spessore del campione.

2. La norma UL 94 non riproduce un evento completo di fuga termica della batteria di un veicolo elettrico.

Un grado SMC classificato V-0 a 3 mm non deve essere automaticamente descritto come V-0 a 1,5 mm. Richiedere sempre il rapporto di prova o la certificazione per uno spessore pari o inferiore allo spessore della parete di produzione.

Considera lo scenario completo dell'incendio

Il produttore del pacco batteria dovrebbe definire se il componente SMC deve resistere:

·  Incendio esterno di carburante

·  Instabilità termica della cella interna

·  Contatto diretto con la fiamma

·  Getti di gas ad alta temperatura

·  Impatto delle particelle

·  Calore radiante

·  Pressione generata all'interno del pacco

·  Propagazione dell'incendio tra moduli

·  Burn-through per un periodo specificato

Il Regolamento UNECE n. 100 comprende requisiti di sicurezza per i sistemi di accumulo di energia elettrica ricaricabili, che coprono le sollecitazioni meccaniche, termiche, elettriche e ambientali. I suoi requisiti si applicano al REESS e al sistema del veicolo anziché garantire la conformità in base a un unico materiale dell'alloggiamento. Panoramica dei test UNECE R100

SAE J2464 fornisce analogamente un quadro per i test di abuso dei sistemi di accumulo di energia ricaricabili in condizioni esterne al normale intervallo operativo.

Pertanto, le specifiche SMC non dovrebbero fermarsi al 'ritardante di fiamma'. Dovrebbero includere il metodo di prova previsto, lo spessore del provino, le condizioni di esposizione e i criteri di accettazione.

Principali proprietà relative al fuoco da richiedere

Quando si confrontano i compound SMC ritardanti di fiamma , richiedere i dati disponibili per:

·  Classificazione UL 94 e spessore testato

·  Indice limite di ossigeno, se applicabile

·  Comportamento alla combustione orizzontale e verticale

·  Tempo di accensione

·  Comportamento alla propagazione della fiamma

·  Densità dei fumi

·  Requisiti relativi ai gas tossici

·  Prestazioni di rilascio del calore

·  Resistenza alla combustione

·  Ritenzione meccanica dopo l'esposizione al calore

·  Conducibilità termica e scambio termico

·  Esposizione massima alla temperatura a breve termine

La combinazione richiesta dipende dal fatto che l'SMC venga utilizzato come copertura superiore, vasca sottoscocca, barriera interna o componente elettrico non strutturale.

2. Specificare le prestazioni meccaniche in base al caso di carico

Un contenitore per batterie non è semplicemente una scatola. Potrebbe essere necessario trasportare i moduli batteria, resistere alle vibrazioni del veicolo, proteggere dagli urti e mantenere la superficie di tenuta per tutta la vita del veicolo.

Per questo motivo, selezionare l’SMC basandosi solo sulla resistenza alla trazione non è sufficiente.

Prestazioni a trazione e flessione

La resistenza alla trazione indica come il materiale risponde ai carichi di trazione, mentre la resistenza alla flessione è particolarmente rilevante per i pannelli larghi soggetti a flessione.

La specifica tecnica dovrebbe includere:

·  Resistenza a trazione e modulo elastico

·  Resistenza a flessione e modulo a flessione

·  Allungamento a rottura

·  Resistenza agli urti con e senza intaglio

·  Prestazioni al taglio ove applicabile

Per un coperchio della batteria di grandi dimensioni, la rigidità può essere più importante della resistenza alla trazione finale. Una rigidità insufficiente può consentire al pannello di deformarsi, compromettendo la tenuta della guarnizione o creando un contatto con i componenti interni.

Resistenza agli urti

Gli involucri della batteria sottoscocca possono essere esposti all'impatto di sassi, oggetti caduti, detriti stradali e carichi di penetrazione locale. Potrebbe anche essere necessario che le coperture superiori resistano ai carichi di servizio e di assemblaggio.

La formulazione dell'SMC, la lunghezza della fibra di vetro, il contenuto di fibre e l'orientamento delle fibre stampate influiscono tutti sul comportamento all'impatto. Un voto con un valore elevato da un semplice test di cedola può comunque richiedere un rinforzo locale nelle aree vulnerabili.

Gli ingegneri dovrebbero valutare il componente stampato in condizioni di impatto rappresentative anziché fare affidamento solo su campioni di materiale standard.

Vibrazioni e fatica

I pacchi batteria dei veicoli elettrici sono soggetti a vibrazioni continue e carichi meccanici ripetuti. Le potenziali posizioni dei guasti includono:

·  Fori di fissaggio

·  Inserti metallici

·  Angoli vivi

·  Intersezioni delle nervature

·  Transizioni da sottile a spesso

·  Punti di montaggio

·  Bordi intorno a grandi aperture

Le prestazioni a fatica dipendono dalla formulazione del materiale, dalla qualità dello stampaggio e dalla progettazione dei componenti. Il fornitore di SMC dovrebbe esaminare le aree critiche insieme al progettista dello stampo e al produttore del pacco batteria.

Ritenzione di scorrimento e fissaggio

I coperchi delle batterie sono spesso imbullonati a un vassoio di metallo. I carichi di serraggio sostenuti possono causare scorrimento o rilassamento delle tensioni locali nei materiali a base polimerica.

La progettazione potrebbe richiedere:

·  Aree di distribuzione del carico più ampie

·  Limitatori di compressione in metallo

·  Inserti sagomati

·  Coppia di serraggio controllata

·  Lo spessore locale della parete aumenta

·  Rinforzo intorno ai punti di fissaggio

Sull'inserto proposto e sul sistema di fissaggio devono essere eseguiti test di estrazione, torsione, rilassamento e cicli termici.

3. Confermare i requisiti elettrici e termici

Uno dei principali vantaggi del materiale dell'alloggiamento delle batterie SMC  è il suo equilibrio tra prestazioni strutturali e isolamento elettrico.

Le proprietà elettriche rilevanti possono includere:

·  Rigidità dielettrica

·  Resistività di volume

·  Resistività superficiale

·  Indice di monitoraggio comparativo

·  Resistenza all'arco

·  Resistenza all'isolamento dopo l'esposizione all'umidità

I valori del test devono essere rivisti allo spessore previsto e dopo il condizionamento ambientale. Umidità, contaminazione, temperatura elevata e invecchiamento possono influire sulle prestazioni elettriche.

Anche i requisiti termici dovrebbero essere definiti attentamente. L'SMC non è normalmente selezionato per condurre il calore lontano dalle celle allo stesso modo dell'alluminio. Se l'involucro fa parte del sistema di gestione termica, il progettista deve considerare la conduttività termica del materiale e il percorso di trasferimento del calore.

In alcuni progetti, una bassa conduttività termica è vantaggiosa perché rallenta il trasferimento di calore. In altri, la batteria necessita di una dissipazione del calore controllata attraverso piastre di raffreddamento dedicate. La scelta dell'SMC deve pertanto essere coordinata con la progettazione completa della gestione termica.

4. Abbinare la formulazione di SMC al processo di stampaggio

L'SMC è un materiale pronto per lo stampaggio costituito principalmente da resina, fibra di vetro tritata, riempitivi minerali, additivi e un sistema addensante. Normalmente è stampato a compressione sotto calore e pressione.

La formulazione corretta deve garantire sia le prestazioni del pezzo finito che una lavorazione stabile.

Sistema in resina

I sistemi poliestere insaturi e vinilestere sono ampiamente utilizzati in SMC. La resina influisce sulle prestazioni meccaniche, sulla resistenza chimica, sul ritiro, sul comportamento termico e sui costi.

Un SMC standard di livello elettrico non dovrebbe essere utilizzato automaticamente per un involucro di veicoli elettrici. Potrebbe essere necessario modificare la formulazione per:

·  Maggiore resistenza agli urti

·  Migliore resistenza alla fiamma

·  Basso ritiro

·  Migliore resistenza chimica

·  Densità ridotta

·  Maggiore resistenza al calore

·  Basse emissioni

·  Requisiti della superficie automobilistica

Contenuto di fibra di vetro e lunghezza della fibra

Un contenuto di vetro più elevato può migliorare la resistenza e la rigidità, ma può anche influenzare il flusso, l’aspetto della superficie e il riempimento dello stampo.

Durante lo stampaggio a compressione, l'orientamento delle fibre si sviluppa mentre la carica SMC scorre attraverso la cavità. Ciò può produrre proprietà diverse in direzioni diverse. La dimensione della carica, la posizione della carica e la distanza del flusso dovrebbero pertanto essere valutate durante lo sviluppo del processo.

Per le aree ad alto carico, un rinforzo locale o una struttura ibrida possono essere più efficaci del semplice aumento del contenuto di vetro nell'intera parte.

Flusso dello stampo

Un involucro per batterie per veicoli elettrici di grandi dimensioni può contenere nervature, sezioni profonde, canali di tenuta e inserti metallici. L'SMC deve fluire abbastanza da riempire la cavità senza un'eccessiva separazione delle fibre, linee di saldatura o aria intrappolata.

Importanti variabili di stampaggio includono:

·  Temperatura dello stampo

·  Pressione di stampaggio

·  Caricare il peso

·  Schema di addebito e copertura

·  Velocità di chiusura

·  Tempo di cura

·  Ventilazione

·  Spessore della parte

·  Distanza del flusso

·  Inserisci posizione

La qualità dovrebbe essere provata utilizzando una geometria rappresentativa quando possibile.

Capacità di attrezzature e presse

I coperchi delle batterie di grandi dimensioni richiedono una pressa con dimensioni della piastra, luce diurna, controllo della chiusura e tonnellaggio sufficienti. La forza di stampa richiesta dipende dall'area prevista del pezzo e dalla pressione di stampaggio, non solo dal peso del pezzo.

Gli strumenti dovrebbero affrontare:

·  Riscaldamento uniforme

·  Evacuazione dell'aria

·  Controllo flash

·  Dimensioni precise della flangia di tenuta

·  Sformatura

·  Posizionamento degli inserti

·  Distribuzione della pressione locale

La simulazione del flusso dello stampo e la revisione anticipata della produzione possono prevenire costose modifiche una volta completato lo strumento di produzione.

Tempo di ciclo e polimerizzazione

L'SMC deve polimerizzare in modo uniforme sia sulle sezioni spesse che su quelle sottili. Una polimerizzazione inadeguata può ridurre la resistenza al calore, la resistenza e la stabilità dimensionale. Un tempo di polimerizzazione eccessivo, tuttavia, riduce l’efficienza produttiva.

Le prove di produzione dovrebbero confermare:

·  Tempo minimo di polimerizzazione stabile

·  Polimerizzazione del nucleo e della superficie

·  Comportamento sformante

·  Variazione dimensionale post-stampo

·  Deformazione

·  Difetti superficiali

·  Consistenza delle proprietà meccaniche

5. Valutare la durabilità ambientale

Gli involucri delle batterie dei veicoli elettrici funzionano in condizioni variabili di temperatura, umidità e strada. Il programma di qualificazione dei materiali dovrebbe rappresentare il mercato dei veicoli previsto.

Le valutazioni consigliate possono includere:

·  Esposizione ad alte e basse temperature

·  Cicli termici

·  Invecchiamento dovuto alla temperatura e all'umidità

·  Assorbimento d'acqua

·  Esposizione a nebbia salina

·  Immersione chimica

·  Esposizione ai raggi UV per le parti visibili esternamente

·  Impatto su ghiaia e sassi

·  Vibrazioni dopo invecchiamento ambientale

·  Prestazioni di tenuta dopo il ciclismo

Il materiale dovrebbe essere valutato anche insieme a rivestimenti, adesivi, guarnizioni, inserti e dispositivi di fissaggio. Le differenze nella dilatazione termica tra SMC e componenti metallici possono influenzare i carichi dei giunti e le prestazioni di tenuta.

6. Controllare lo spessore, la deformazione e le superfici di tenuta

La sigillatura dell'involucro della batteria è essenziale per impedire l'ingresso di acqua, polvere e contaminanti nel pacco. Le coperture stampate di grandi dimensioni devono mantenere la planarità della flangia e l'accuratezza dimensionale dopo lo stampaggio e il ciclo termico.

Il design dovrebbe evitare variazioni di spessore non necessarie. Transizioni brusche possono creare flusso irregolare, stress interno, segni di avvallamento e deformazione.

Misure di progettazione utili includono:

·  Transizioni di spessore graduali

·  Disposizione equilibrata delle costole

·  Angoli interni arrotondati

·  Geometria della flangia coerente

·  Angoli di sformo corretti

·  Rapporti controllati tra nervatura e parete

·  Posizionamento della carica strategica

·  Rinforzo generale locale anziché eccessivo

Il sistema di guarnizioni, la spaziatura dei bulloni e la deflessione consentita della flangia devono essere definiti prima che la parte e lo stampo di SMC siano finalizzati.

Lista di controllo per la selezione di SMC per involucri per batterie EV

Errori comuni nella selezione di SMC

Diversi errori possono ritardare il progetto di un contenitore per batterie per veicoli elettrici:

1. Selezione del materiale solo dai dati UL 94 V-0.
V-0 non rappresenta l'intero scenario di fuga termica o di incendio di veicoli.

2. Ignorando lo spessore testato.
Una classificazione di infiammabilità o un valore dielettrico potrebbero non essere applicabili a una parete di produzione più sottile.

3. Utilizzando la resistenza alla cedola come specifica strutturale completa.
Il flusso delle fibre, le nervature, le linee di saldatura e gli inserti influenzano le prestazioni effettive dei componenti.

4. Specificare la resistenza massima senza considerare il flusso dello stampo.
Una formulazione deve riempire lo strumento in modo affidabile e soddisfare i requisiti meccanici.

5. Trattare una copertura SMC come una copia drop-in di una parte metallica.
Le parti composite richiedono un design specifico di nervature, flange, fissaggi e spessore.

6. Convalidare il materiale ma non l'involucro assemblato.
Sigillature, giunti, inserti e interfacce spesso determinano le prestazioni finali dell'imballaggio.

Soluzioni SMC personalizzate di JLON

JLON fornisce composti SMC personalizzati  per applicazioni elettriche, automobilistiche e di trasporto. Poiché i sistemi di batterie per veicoli elettrici hanno architetture di involucri e obiettivi di convalida diversi, la formulazione SMC dovrebbe essere adattata al singolo progetto anziché essere selezionata da un unico grado per uso generale.

Le direzioni di sviluppo disponibili includono:

·  SMC ignifugo 

·  Isolamento elettrico SMC 

·  Fibra di vetro SMC ad alta resistenza 

·  SMC a basso ritiro 

·  SMC resistente al calore 

·  SMC resistente alla corrosione 

·  SMC per coperchi batteria EV 

·  SMC per vani batteria e pannelli protettivi 

·  SMC per quadri elettrici ad alta tensione 

·  SMC automobilistico con colori personalizzati 

Per consigliare una formulazione adeguata, JLON normalmente esamina le seguenti informazioni:

·  Disegno della parte o modello 3D

·  Applicazione prevista

·  Standard antincendio richiesto

·  Spessore minimo della parete di produzione

·  Obiettivi legati alle proprietà meccaniche

·  Requisiti di prestazione elettrica

·  Temperature di esercizio e di punta

·  Condizioni di esposizione chimica

·  Peso e dimensioni del pezzo

·  Informazioni su stampa e stampi

·  Domanda annuale

·  Rapporti di prova o approvazioni automobilistiche richiesti

Si consiglia vivamente lo stampaggio del prototipo e il test dei componenti rappresentativi prima dell'approvazione della produzione.

Conclusione

Scegliere L'SMC per un involucro di batteria per veicoli elettrici  richiede molto più che confrontare la resistenza alla trazione o richiedere un grado ignifugo generale. Il materiale deve funzionare come parte di un sistema completo che comprende la geometria dell'involucro, il design della tenuta, gli inserti, il sistema di raffreddamento, i moduli batteria e la struttura del veicolo.

La migliore formulazione di SMC dovrebbe fornire un equilibrio pratico tra:

·  Resistenza alla fiamma e al calore

·  Resistenza meccanica e rigidità

·  Resistenza agli urti e alle vibrazioni

·  Isolamento elettrico

·  Resistenza alla corrosione e agli agenti chimici

·  Stabilità dimensionale

·  Flusso dello stampo affidabile

·  Tempo del ciclo di produzione competitivo

Ancora più importante, le caratteristiche antincendio, strutturali ed elettriche dovrebbero essere verificate allo spessore di parete previsto e quindi convalidate sull'involucro finito.

Per un nuovo progetto SMC di custodia per batterie per veicoli elettrici  , contatta JLON comunicando il tuo disegno, i requisiti prestazionali e le condizioni di stampaggio. Il nostro team può aiutare a valutare la formulazione richiesta e a preparare una soluzione di materiale SMC personalizzata.