Hoe SMC te kiezen voor EV-batterijbehuizingen: vlambestendigheid, sterkte en vormvereisten

Batterijbehuizingen voor elektrische voertuigen moeten batterijmodules beschermen tegen brand, schokken, trillingen, vocht, wegresten en elektrische gevaren. Tegelijkertijd staan ​​autofabrikanten onder constante druk om het gewicht te verminderen, onderdelen te consolideren en de productie-efficiëntie te verbeteren.

Plaatvormmassa, beter bekend als SMC biedt een effectief alternatief voor stalen, aluminium en thermoplastische batterijbehuizingen. Een goed geformuleerde vlamvertragende SMC  combineert mechanische sterkte, elektrische isolatie, corrosieweerstand en ontwerpflexibiliteit in een compressiegegoten component.

Niet elke SMC-formulering is echter geschikt voor een EV-batterijbehuizing. Het materiaal moet worden geselecteerd op basis van het ontwerp van de behuizing, het brandveiligheidsdoel, de belastingsomstandigheden, de bedrijfstemperatuur, de wanddikte en het gietproces.

In deze gids worden de belangrijkste factoren uitgelegd die ingenieurs en inkoopteams moeten overwegen bij het selecteren van SMC voor EV-batterijbehuizingen.

Waarom SMC gebruiken voor EV-batterijbehuizingen?

Een EV-batterijbehuizing kan een bovendeksel, een onderbak, zijbeschermingsstructuren, interne scheidingswanden, serviceafdekkingen en elektrische beschermingscomponenten bevatten. Afhankelijk van de uitvoering kan SMC worden toegepast voor de complete behuizing of gecombineerd met een aluminium of stalen draagconstructie.

Vergeleken met conventionele metalen, glasvezelversterkt SMC  biedt verschillende voordelen.

Elektrische isolatie

SMC is inherent niet-geleidend als het op de juiste manier is geformuleerd. Het kan helpen bij het isoleren van hoogspanningsaccucomponenten en het verminderen van het risico op elektrisch contact tussen cellen, rails, de behuizing en de carrosserie van het voertuig.

Dit is vooral waardevol bij connectoren, serviceonderbrekingen en hoogspanningscomponenten. ISO 6469-3 behandelt de bescherming tegen elektrische schokken en thermische incidenten in circuits van spanningsklasse B, waardoor elektrische isolatie een belangrijk onderdeel wordt van de algehele voertuigveiligheid.

De voltooide behuizing moet echter nog gevalideerd worden als compleet systeem. Een goede diëlektrische waarde in een SMC-datasheet bewijst niet automatisch dat het geassembleerde accupakket voldoet aan de elektrische veiligheidseisen op voertuigniveau.

Corrosie- en chemische bestendigheid

In tegenstelling tot staal roest SMC niet. Wanneer het harssysteem correct is geselecteerd, is het bestand tegen blootstelling aan strooizout, vocht, spatwater en veel autovloeistoffen.

Dit kan de behoefte aan secundaire corrosiewerende behandelingen verminderen. Het helpt ook de prestaties van de behuizing gedurende de hele levensduur van het voertuig op peil te houden, vooral in kustgebieden of op markten waar strooizout veel wordt gebruikt.

Bij chemische tests moet rekening worden gehouden met de werkelijke stoffen die in de toepassing worden verwacht, zoals:

·  Koelvloeistof- en glycolmengsels

·  Smeermiddelen en hydraulische vloeistoffen

·  Reinigingsmiddelen

·  Strooizout

·  Accu-elektrolyt

·  Autobrandstoffen en -oliën

Gewichtsreductie

SMC heeft over het algemeen een lagere dichtheid dan staal. De werkelijke gewichtsbesparing hangt af van de formulering, het vezelgehalte, de geometrie van het onderdeel, de ribben, de inzetstukken en of het SMC-onderdeel een metalen deksel of een structurele lade vervangt.

Een directe vergelijking van de materiaaldichtheid is niet voldoende. Ingenieurs moeten het gewicht van complete, functioneel gelijkwaardige onderdelen vergelijken. Het grootste voordeel van SMC komt vaak voort uit het combineren van meerdere gestempelde of gelaste metalen componenten in één gegoten onderdeel.

Gedeeltelijke integratie

Door compressiegieten kunnen ribben, nokken, afdichtingsgroeven, montagevoorzieningen, kabeldoorgangen en plaatselijke versteviging in de behuizing worden opgenomen.

Dit kan het volgende verminderen:

·  Het aantal afzonderlijke componenten

·  Las- en bevestigingswerkzaamheden

·  Montagetijd

·  Afmetingsvariatie tussen samengevoegde onderdelen

·  Potentiële lekkagepaden

Deelintegratie is vooral handig voor grote batterijdeksels en complexe beschermpanelen.

Dimensionale stabiliteit

Een goed ontworpen SMC-formulering voor auto's kan een lage krimp, stabiele afmetingen en een consistente oppervlaktekwaliteit bieden. Deze eigenschappen zijn belangrijk voor het afdichten van flenzen, bevestigingsposities en grote vlakke oppervlakken.

Omdat batterijbehuizingen aanzienlijk groter kunnen zijn dan standaard elektrische behuizingen, moeten kromtrekken en lokale diktevariaties worden geëvalueerd tijdens de ontwikkeling van de matrijsvloeiing en het gereedschap.

1. Definieer de brandwerendheidseis

Brandprestaties zijn meestal de eerste zorg bij het selecteren van een EV-batterijbehuizing SMC.

Incidenten met lithium-ionbatterijen kunnen een behuizing blootstellen aan vlammen, heet gas, druk, gesmolten deeltjes en snel stijgende temperaturen. Het materiaal moet de verspreiding van brand helpen vertragen en een beschermende barrière lang genoeg in stand houden om de veiligheidsstrategie van het batterijpakket te ondersteunen.

UL 94 V-0 is een materiaalclassificatie, geen volledige batterijbescherming

UL 94 V-0 wordt vaak gevraagd voor vlamvertragende kunststoffen en composieten. Bij deze test moet een materiaal binnen gespecificeerde grenzen ophouden met vlammen en mag het geen vlammende druppels vrijgeven die de indicator eronder doen ontbranden.

Voor meer veeleisende toepassingen kunnen klanten UL 94 5VA of 5VB overwegen. De 5V-test maakt gebruik van een zwaardere blootstelling aan vlammen. In de plaquetest staat 5VA geen doorbranden toe, terwijl 5VB wel een gat kan toestaan. UL beschrijft UL 94 als een groep kleinschalige tests die de neiging van een materiaal beoordelen om na ontsteking te doven of vlammen te verspreiden.

Twee kwalificaties zijn van cruciaal belang:

1. Een UL 94-classificatie is gekoppeld aan de geteste formulering en de dikte van het monster.

2. UL 94 reproduceert geen volledige thermische overstroming van een EV-batterij.

Een SMC-kwaliteit met de classificatie V-0 bij 3 mm mag niet automatisch worden omschreven als V-0 bij 1,5 mm. Vraag altijd het testrapport of de certificering aan voor een dikte gelijk aan of lager dan de productiewanddikte.

Overweeg het volledige brandscenario

De fabrikant van het batterijpakket moet bepalen of het SMC-onderdeel bestand moet zijn tegen:

·  Externe brandstofbrand

·  Thermische overstroming van de interne cel

·  Directe vlaminslag

·  Gasstralen op hoge temperatuur

·  Deeltjesimpact

·  Stralingswarmte

·  Druk gegenereerd in de verpakking

·  Brandvoortplanting tussen modules

·  Doorbranden voor een bepaalde periode

VN/ECE-Reglement nr. 100 bevat veiligheidseisen voor oplaadbare opslagsystemen voor elektrische energie, die betrekking hebben op mechanische, thermische, elektrische en omgevingsbelastingen. De eisen ervan zijn van toepassing op het REESS- en voertuigsysteem en niet op het verlenen van naleving op basis van één behuizingsmateriaal. UNECE R100-testoverzicht

SAE J2464 biedt op soortgelijke wijze een raamwerk voor misbruiktests van oplaadbare energieopslagsystemen onder omstandigheden buiten hun normale werkingsbereik.

Daarom mag de SMC-specificatie niet stoppen bij 'vlamvertragend'. Ze moet de beoogde testmethode, de dikte van het monster, de blootstellingsomstandigheden en acceptatiecriteria omvatten.

Belangrijke brandgerelateerde eigendommen die u kunt aanvragen

Vraag bij het vergelijken van vlamvertragende SMC-verbindingen de beschikbare gegevens op voor:

·  UL 94-classificatie en geteste dikte

·  Beperking van de zuurstofindex, indien van toepassing

·  Horizontaal en verticaal brandgedrag

·  Ontstekingstijd

·  Vlamverspreidingsgedrag

·  Rookdichtheid

·  Vereisten voor giftige gassen

·  Warmteafgevende prestaties

·  Doorbrandweerstand

·  Mechanische retentie na blootstelling aan hitte

·  Thermische geleidbaarheid en warmteoverdracht

·  Maximale blootstelling aan temperatuur op korte termijn

De vereiste combinatie hangt af van het feit of de SMC wordt gebruikt als bovenafdekking, bodemplaat, interne barrière of niet-structureel elektrisch onderdeel.

2. Specificeer de mechanische prestaties per belastinggeval

Een batterijbehuizing is niet zomaar een doos. Mogelijk moet het de accumodules dragen, trillingen van het voertuig weerstaan, beschermen tegen schokken en het afdichtingsoppervlak gedurende de hele levensduur van het voertuig behouden.

Om deze reden is het niet voldoende om SMC uitsluitend op treksterkte te selecteren.

Trek- en buigprestaties

Treksterkte geeft aan hoe het materiaal reageert op trekbelastingen, terwijl buigsterkte vooral relevant is voor brede panelen die aan buiging worden blootgesteld.

De technische specificatie moet het volgende omvatten:

·  Treksterkte en trekmodulus

·  Buigsterkte en buigmodulus

·  Rek bij breuk

·  Gekerfde en ongekerfde slagvastheid

·  Afschuifprestaties waar van toepassing

Voor een grote batterijklep kan stijfheid belangrijker zijn dan de uiteindelijke treksterkte. Door onvoldoende stijfheid kan het paneel doorbuigen, waardoor de pakkingafdichting wordt aangetast of contact ontstaat met interne componenten.

Slagvastheid

Batterijbehuizingen aan de onderkant kunnen worden blootgesteld aan steenslag, vallende voorwerpen, wegresten en lokale penetratiebelastingen. De bovenste afdekkingen moeten mogelijk ook bestand zijn tegen service- en montagebelastingen.

SMC-formulering, glasvezellengte, vezelgehalte en gevormde vezeloriëntatie hebben allemaal invloed op het impactgedrag. Voor een kwaliteit met een hoge waarde uit een eenvoudige coupontest kan in kwetsbare gebieden nog steeds lokale versterking nodig zijn.

Ingenieurs moeten het gegoten onderdeel evalueren onder representatieve impactomstandigheden in plaats van alleen te vertrouwen op standaard materiaalmonsters.

Trillingen en vermoeidheid

EV-batterijpakketten ervaren voortdurende trillingen en herhaalde mechanische belasting. Mogelijke storingslocaties zijn onder meer:

·  Bevestigingsgaten

·  Metalen inzetstukken

·  Scherpe hoeken

·  Ribkruisingen

·  Van dun naar dik overgangen

·  Bevestigingspunten

·  Randen rond grote openingen

Vermoeiingsprestaties zijn afhankelijk van de materiaalformulering, vormkwaliteit en componentontwerp. De SMC-leverancier moet samen met de matrijsontwerper en de fabrikant van accupakketten kritische gebieden beoordelen.

Kruip- en bevestigingsretentie

Batterijdeksels worden vaak met bouten aan een metalen bak bevestigd. Aanhoudende klembelastingen kunnen kruip of plaatselijke spanningsrelaxatie veroorzaken in materialen op polymeerbasis.

Het ontwerp kan het volgende vereisen:

·  Grotere lastverdelingsgebieden

·  Metalen compressiebegrenzers

·  Ingegoten inzetstukken

·  Gecontroleerd aanhaalmoment

·  Lokale wanddikte neemt toe

·  Versteviging rond bevestigingspunten

Op het voorgestelde inzet- en bevestigingssysteem moeten uittrek-, koppel-, relaxatie- en thermische cyclitests worden uitgevoerd.

3. Bevestig de elektrische en thermische vereisten

Een van de belangrijkste voordelen van SMC-batterijbehuizingsmateriaal  is de balans tussen structurele prestaties en elektrische isolatie.

Relevante elektrische eigenschappen kunnen zijn:

·  Diëlektrische sterkte

·  Volumeweerstand

·  Oppervlakteweerstand

·  Vergelijkende trackingindex

·  Boogweerstand

·  Isolatieweerstand na blootstelling aan vocht

Testwaarden moeten worden beoordeeld bij de beoogde dikte en na conditionering in de omgeving. Vocht, vervuiling, hoge temperaturen en veroudering kunnen de elektrische prestaties beïnvloeden.

Thermische eisen moeten ook zorgvuldig worden gedefinieerd. SMC wordt normaal gesproken niet geselecteerd om warmte op dezelfde manier van de cellen weg te leiden als aluminium. Als de behuizing deel uitmaakt van het thermische beheersysteem, moet de ontwerper rekening houden met de thermische geleidbaarheid en het warmteoverdrachtspad van het materiaal.

In sommige ontwerpen is een lage thermische geleidbaarheid gunstig omdat het de warmteoverdracht vertraagt. In andere gevallen heeft de batterij een gecontroleerde warmteafvoer nodig via speciale koelplaten. De SMC-selectie moet daarom worden gecoördineerd met het volledige ontwerp voor thermisch beheer.

4. Stem de SMC-formulering af op het gietproces

SMC is een gietklaar materiaal dat voornamelijk bestaat uit hars, gehakte glasvezels, minerale vulstoffen, additieven en een verdikkingssysteem. Het wordt normaal gesproken onder druk gegoten onder hitte en druk.

De juiste formulering moet zowel de prestaties van het eindproduct als een stabiele verwerking bieden.

Hars systeem

Onverzadigde polyester- en vinylestersystemen worden veel gebruikt in SMC. De hars beïnvloedt de mechanische prestaties, chemische weerstand, krimp, thermisch gedrag en kosten.

Een standaard SMC van elektrische kwaliteit mag niet automatisch worden gebruikt voor een EV-behuizing. De formulering moet mogelijk worden aangepast voor:

·  Hogere slagvastheid

·  Verbeterde vlambestendigheid

·  Lage krimp

·  Betere chemische bestendigheid

·  Verminderde dichtheid

·  Hogere hittebestendigheid

·  Lage emissies

·  Eisen aan het automobieloppervlak

Glasvezelgehalte en vezellengte

Een hoger glasgehalte kan de sterkte en stijfheid verbeteren, maar kan ook de vloei, het uiterlijk van het oppervlak en de vormvulling beïnvloeden.

Tijdens het persgieten ontwikkelt zich de vezeloriëntatie terwijl de SMC-lading door de holte stroomt. Dit kan verschillende eigenschappen in verschillende richtingen opleveren. Ladingsgrootte, ladingspositie en stroomafstand moeten daarom tijdens de procesontwikkeling worden geëvalueerd.

Voor zwaarbelaste ruimtes kan lokale versterking of een hybride structuur effectiever zijn dan simpelweg het glasgehalte over het hele onderdeel vergroten.

Schimmelstroom

Een grote EV-batterijbehuizing kan ribben, diepe delen, afdichtingskanalen en metalen inzetstukken bevatten. De SMC moet ver genoeg stromen om de holte te vullen zonder overmatige vezelscheiding, lasnaden of ingesloten lucht.

Belangrijke vormvariabelen zijn onder meer:

·  Schimmeltemperatuur

·  Vormdruk

·  Laad gewicht

·  Laadpatroon en dekking

·  Sluitsnelheid

·  Uithardingstijd

·  Ontluchten

·  Onderdeeldikte

·  Stroomafstand

·  Insteekpositie

De kwaliteit moet waar mogelijk worden uitgeprobeerd met behulp van representatieve geometrie.

Gereedschaps- en perscapaciteit

Grote batterijdeksels vereisen een pers met voldoende degelgrootte, daglicht, sluitcontrole en tonnage. De vereiste perskracht is afhankelijk van het geprojecteerde onderdeeloppervlak en de vormdruk, en niet alleen van het gewicht van het onderdeel.

Tooling moet het volgende aanpakken:

·  Gelijkmatige verwarming

·  Luchtevacuatie

·  Flitsbediening

·  Nauwkeurige afmetingen van de afdichtingsflens

·  Ontvormen

·  Insteekpositionering

·  Lokale drukverdeling

Mold-flow-simulatie en vroege productiebeoordeling kunnen dure aanpassingen voorkomen nadat het productiegereedschap is voltooid.

Cyclustijd en uitharding

De SMC moet consistent uitharden over zowel dikke als dunne secties. Onvoldoende uitharding kan de hittebestendigheid, sterkte en maatvastheid verminderen. Een te lange uithardingstijd verlaagt echter de productie-efficiëntie.

Productieproeven moeten het volgende bevestigen:

·  Minimale stabiele uithardingstijd

·  Kern- en oppervlaktebehandeling

·  Sloopgedrag

·  Maatverandering na het vormen

·  Vervorming

·  Oppervlaktedefecten

·  Consistentie van mechanische eigenschappen

5. Evalueer de milieuduurzaamheid

EV-batterijbehuizingen werken onder veranderende temperatuur, vochtigheid en wegomstandigheden. Het materiaalkwalificatieprogramma moet de beoogde voertuigmarkt vertegenwoordigen.

Aanbevolen evaluaties kunnen zijn:

·  Blootstelling aan hoge en lage temperaturen

·  Thermisch fietsen

·  Temperatuur- en vochtigheidsveroudering

·  Waterabsorptie

·  Blootstelling aan zoutnevel

·  Chemische onderdompeling

·  UV-blootstelling voor extern zichtbare delen

·  Inslag van grind en steen

·  Trillingen na veroudering door omgevingsfactoren

·  Afdichtingsprestaties na het fietsen

Het materiaal moet ook samen met coatings, lijmen, pakkingen, inzetstukken en bevestigingsmiddelen worden beoordeeld. Verschillen in thermische uitzetting tussen SMC en metalen componenten kunnen de verbindingsbelastingen en de afdichtingsprestaties beïnvloeden.

6. Controle van dikte, kromtrekken en afdichtingsoppervlakken

Het afdichten van de batterijbehuizing is essentieel om te voorkomen dat water, stof en verontreinigingen de batterij binnendringen. Grote gegoten deksels moeten de flensvlakheid en maatnauwkeurigheid behouden na het gieten en thermische cycli.

Het ontwerp moet onnodige diktevariatie vermijden. Abrupte overgangen kunnen een ongelijkmatige stroming, interne spanning, zinksporen en kromtrekken veroorzaken.

Nuttige ontwerpmaatregelen zijn onder meer:

·  Geleidelijke dikteovergangen

·  Evenwichtige ribbenopstelling

·  Afgeronde binnenhoeken

·  Consistente flensgeometrie

·  Juiste diepgangshoeken

·  Gecontroleerde rib-wandverhoudingen

·  Strategische ladingplaatsing

·  Lokale in plaats van excessieve algemene versterking

Het pakkingsysteem, de boutafstand en de toegestane flensdoorbuiging moeten worden gedefinieerd voordat het SMC-onderdeel en de mal worden voltooid.

SMC-selectiechecklist voor EV-batterijbehuizingen

Veel voorkomende SMC-selectiefouten

Verschillende fouten kunnen een project voor een EV-batterijbehuizing vertragen:

1. Alleen materiaal selecteren uit UL 94 V-0-gegevens.
V-0 vertegenwoordigt niet het volledige scenario van thermische overstroming of voertuigbrand.

2. Het negeren van de geteste dikte.
Een ontvlambaarheidsclassificatie of diëlektrische waarde is mogelijk niet van toepassing op een dunnere productiewand.

3. Gebruik van couponsterkte als de volledige structurele specificatie.
Vezelstroom, ribben, laslijnen en inzetstukken beïnvloeden de daadwerkelijke prestaties van de componenten.

4. Het specificeren van maximale sterkte zonder rekening te houden met de vormvloeiing.
Een formulering moet het gereedschap betrouwbaar vullen en aan mechanische eisen voldoen.

5. Een SMC-omslag behandelen als een drop-in-kopie van een metalen onderdeel.
Composietonderdelen vereisen hun eigen rib-, flens-, bevestigings- en dikteontwerp.

6. Validatie van het materiaal, maar niet van de gemonteerde behuizing.
Afdichtingen, verbindingen, inzetstukken en interfaces bepalen vaak de uiteindelijke verpakkingsprestaties.

Aangepaste SMC-oplossingen van JLON

JLON levert op maat gemaakte SMC-verbindingen  voor elektrische, automobiel- en transporttoepassingen. Omdat EV-batterijsystemen verschillende behuizingsarchitecturen en validatiedoelen hebben, moet de SMC-formulering worden afgestemd op het individuele project in plaats van te worden gekozen uit één enkele algemene kwaliteit.

Beschikbare ontwikkelingsrichtingen zijn onder meer:

·  Vlamvertragend SMC 

·  Elektrische isolatie SMC 

·  Hoge sterkte glasvezel SMC 

·  Krimparme SMC 

·  Hittebestendig SMC 

·  Corrosiebestendig SMC 

·  SMC voor EV-batterijafdekkingen 

·  SMC voor batterijbakken en beschermpanelen 

·  SMC voor elektrische hoogspanningsbehuizingen 

·  Op maat gemaakte auto-SMC 

Om een ​​geschikte formulering aan te bevelen, beoordeelt JLON normaal gesproken de volgende informatie:

·  Onderdeeltekening of 3D-model

·  Beoogde toepassing

·  Vereiste brandnorm

·  Minimale productiewanddikte

·  Doelstellingen voor mechanische eigenschappen

·  Eisen aan elektrische prestaties

·  Bedrijfs- en piektemperaturen

·  Omstandigheden bij blootstelling aan chemicaliën

·  Onderdeelgewicht en afmetingen

·  Pers- en matrijsinformatie

·  Jaarlijkse vraag

·  Vereiste testrapporten of autogoedkeuringen

Het maken van prototypen en het testen van representatieve componenten worden sterk aanbevolen voordat de productie wordt goedgekeurd.

Conclusie

Kiezen SMC voor een EV-batterijbehuizing  vereist meer dan het vergelijken van de treksterkte of het aanvragen van een algemene vlamvertragende kwaliteit. Het materiaal moet werken als onderdeel van een compleet systeem dat de behuizingsgeometrie, het afdichtingsontwerp, inzetstukken, koelsysteem, batterijmodules en voertuigstructuur omvat.

De beste SMC-formulering moet een praktisch evenwicht bieden tussen:

·  Vlam- en hittebestendigheid

·  Mechanische sterkte en stijfheid

·  Duurzaamheid tegen schokken en trillingen

·  Elektrische isolatie

·  Corrosie- en chemische bestendigheid

·  Dimensionale stabiliteit

·  Betrouwbare matrijsstroom

·  Concurrerende productiecyclustijd

Het allerbelangrijkste is dat brand-, structurele en elektrische claims moeten worden geverifieerd bij de beoogde wanddikte en vervolgens gevalideerd op de voltooide behuizing.

Neem voor een nieuw SMC-project voor EV-batterijbehuizingen  contact op met JLON met uw tekening, prestatie-eisen en vormomstandigheden. Ons team kan helpen bij het beoordelen van de vereiste formulering en het voorbereiden van een op maat gemaakte SMC-materiaaloplossing.