Hvordan velge SMC for EV-batterikabinetter: Flammemotstand, styrke og støpekrav

Batterikabinetter til elektriske kjøretøyer må beskytte batterimoduler mot brann, støt, vibrasjoner, fuktighet, veiavfall og elektriske farer. Samtidig er kjøretøyprodusenter under konstant press for å redusere vekten, konsolidere deler og forbedre produksjonseffektiviteten.

Arkstøpemasse, ofte kjent som SMC , tilbyr et effektivt alternativ til batterihus i stål, aluminium og termoplast. En riktig formulert flammehemmende SMC  kombinerer mekanisk styrke, elektrisk isolasjon, korrosjonsmotstand og designfleksibilitet i en kompresjonsstøpt komponent.

Imidlertid er ikke alle SMC-formuleringer egnet for et EV-batterikabinett. Materialet må velges i henhold til kapslingsdesign, brannsikkerhetsmål, belastningsforhold, driftstemperatur, veggtykkelse og støpeprosess.

Denne veiledningen forklarer hovedfaktorene ingeniører og innkjøpsteam bør vurdere når de velger SMC for EV-batterikabinetter.

Hvorfor bruke SMC for EV-batteriskap?

Et EV-batterikabinett kan inkludere et øvre deksel, nedre brett, sidebeskyttelsesstrukturer, interne skillevegger, servicedeksler og elektriske beskyttelseskomponenter. Avhengig av design kan SMC brukes til hele huset eller kombineres med en bærekonstruksjon av aluminium eller stål.

Sammenlignet med konvensjonelle metaller, glassfiberarmert SMC  gir flere fordeler.

Elektrisk isolasjon

SMC er iboende ikke-ledende når den er riktig formulert. Det kan bidra til å isolere høyspentbatterikomponenter og redusere risikoen for elektrisk kontakt mellom celler, samleskinner, kabinettet og kjøretøyets karosseri.

Dette er spesielt verdifullt rundt kontakter, servicefrakoblinger og høyspentkomponenter. ISO 6469-3 tar for seg beskyttelse mot elektrisk støt og termiske hendelser i spenningsklasse-B-kretser, noe som gjør elektrisk isolasjon til en viktig del av den generelle kjøretøysikkerheten.

Den ferdige kapslingen må imidlertid fortsatt valideres som et komplett system. En god dielektrisk verdi i et SMC-datablad beviser ikke automatisk at den sammensatte batteripakken oppfyller kravene til elektrisk sikkerhet på kjøretøynivå.

Korrosjons- og kjemikaliebestandighet

I motsetning til stål ruster ikke SMC. Den tåler eksponering for veisalt, fuktighet, sprutvann og mange bilvæsker når harpikssystemet er valgt riktig.

Dette kan redusere behovet for sekundære antikorrosjonsbehandlinger. Det bidrar også til å opprettholde kabinettets ytelse gjennom kjøretøyets levetid, spesielt i kystområder eller markeder der veisalt er mye brukt.

Kjemisk testing bør vurdere de faktiske stoffene som forventes i søknaden, for eksempel:

·  Kjølevæske- og glykolblandinger

·  Smøremidler og hydraulikkvæsker

·  Rengjøringsmidler

·  Veisalt

·  Batterielektrolytt

·  Bildrivstoff og -oljer

Vektreduksjon

SMC har generelt lavere tetthet enn stål. Den faktiske vektbesparelsen avhenger av formuleringen, fiberinnholdet, delens geometri, ribber, innsatser og om SMC-komponenten erstatter et metalldeksel eller et strukturelt brett.

En direkte materialtetthetssammenlikning er ikke nok. Ingeniører bør sammenligne vekten av komplette, funksjonelt likeverdige deler. SMCs største fordel kommer ofte fra å kombinere flere stemplede eller sveisede metallkomponenter til en støpt del.

Delintegrasjon

Kompresjonsstøping gjør at ribber, bosser, tetningsspor, monteringsfunksjoner, kabelpassasjer og lokal forsterkning kan innlemmes i kabinettet.

Dette kan redusere:

·  Antall separate komponenter

·  Sveise- og festeoperasjoner

·  Monteringstid

·  Dimensjonsvariasjon mellom sammenføyde deler

·  Potensielle lekkasjeveier

Delintegrasjon er spesielt nyttig for store batterideksler og komplekse beskyttelsespaneler.

Dimensjonsstabilitet

En godt utformet bil-SMC-formulering kan gi lav krymping, stabile dimensjoner og jevn overflatekvalitet. Disse egenskapene er viktige for tetting av flenser, festeposisjoner og store flater.

Fordi batterikapslinger kan være betydelig større enn standard elektriske hus, må forvrengning og lokal tykkelsesvariasjon evalueres under mold-flow og verktøyutvikling.

1. Definer brannmotstandskravet

Brannytelse er vanligvis den første bekymringen når du velger en EV batterikapsling SMC.

Litium-ion-batterihendelser kan utsette en innkapsling for flamme, varm gass, trykk, smeltede partikler og raskt stigende temperaturer. Materialet må bidra til å forsinke brannutbredelse og opprettholde en beskyttende barriere lenge nok til å støtte sikkerhetsstrategien til batteripakken.

UL 94 V-0 er en materialklassifisering – ikke fullstendig batteribeskyttelse

UL 94 V-0 etterspørres ofte for flammehemmende plast og kompositter. Under denne testen må et materiale slutte å brenne innenfor spesifiserte grenser og må ikke slippe flammende drypp som antenner indikatoren under det.

For mer krevende bruksområder kan kunder vurdere UL 94 5VA eller 5VB. 5V-testen bruker en mer alvorlig flammeeksponering. I plaketttesten tillater ikke 5VA gjennombrenning, mens 5VB kan tillate et hull. UL beskriver UL 94 som en gruppe småskala tester som vurderer et materiales tendens til å slukke eller spre flamme etter antennelse.

To kvalifikasjoner er kritiske:

1. En UL 94-vurdering er koblet til den testede formuleringen og prøvetykkelsen.

2. UL 94 reproduserer ikke en fullstendig EV-batteri termisk-runaway-hendelse.

En SMC-grad vurdert til V-0 ved 3 mm skal ikke automatisk beskrives som V-0 ved 1,5 mm. Be alltid om testrapporten eller sertifiseringen for en tykkelse lik eller under produksjonsveggtykkelsen.

Vurder hele brannscenariet

Batteripakkeprodusenten bør definere om SMC-komponenten må motstå:

·  Ekstern brennstoffbrann

·  Intern celle termisk runaway

·  Direkte flammestøt

·  Høytemperaturgassstråler

·  Partikkelpåvirkning

·  Strålingsvarme

·  Trykk generert inne i pakken

·  Brannspredning mellom moduler

·  Gjennombrenning i en spesifisert periode

UNECE-regulativ nr. 100 inkluderer sikkerhetskrav for oppladbare elektriske energilagringssystemer, som dekker mekaniske, termiske, elektriske og miljømessige påkjenninger. Kravene gjelder for REESS og kjøretøysystemet i stedet for å gi samsvar basert på ett husmateriale. UNECE R100 testoversikt

SAE J2464 gir på samme måte et rammeverk for misbrukstesting av oppladbare energilagringssystemer under forhold utenfor deres normale driftsområde.

Derfor bør ikke SMC-spesifikasjonen stoppe ved «flammehemmende.» Den bør inkludere den tiltenkte testmetoden, prøvetykkelse, eksponeringsforhold og akseptkriterier.

Viktige brannrelaterte egenskaper å be om

Når du sammenligner flammehemmende SMC-forbindelser , be om tilgjengelige data for:

·  UL 94 klassifisering og testet tykkelse

·  Begrensende oksygenindeks, hvis aktuelt

·  Horisontal og vertikal brenningsadferd

·  Tenningstid

·  Flammespredende atferd

·  Røyktetthet

·  Krav til giftig gass

·  Varmeavgivende ytelse

·  Gjennombrenningsmotstand

·  Mekanisk retensjon etter varmeeksponering

·  Termisk ledningsevne og varmeoverføring

·  Maksimal kortvarig temperatureksponering

Den nødvendige kombinasjonen avhenger av om SMC brukes som et øvre deksel, understellsbrett, intern barriere eller ikke-strukturell elektrisk komponent.

2. Spesifiser mekanisk ytelse etter belastningstilfelle

Et batterikabinett er ikke bare en boks. Den kan trenge å bære batterimodulene, motstå kjøretøysvibrasjoner, beskytte mot støt og opprettholde tetningsflaten gjennom kjøretøyets levetid.

Av denne grunn er det ikke tilstrekkelig å velge SMC basert kun på strekkfasthet.

Strekk- og bøyeevne

Strekkfasthet indikerer hvordan materialet reagerer på trekkbelastninger, mens bøyefasthet er spesielt relevant for brede paneler som utsettes for bøyning.

Den tekniske spesifikasjonen bør inneholde:

·  Strekkfasthet og strekkmodul

·  Bøyestyrke og bøyemodul

·  Forlengelse ved brudd

·  Slagfasthet med og uten hakk

·  Skjærytelse der det er aktuelt

For et stort batterideksel kan stivhet være viktigere enn endelig strekkstyrke. Utilstrekkelig stivhet kan tillate at panelet bøyes, påvirke pakningspakningen eller skape kontakt med interne komponenter.

Slagfasthet

Undervogns batterikabinetter kan bli utsatt for steinstøt, gjenstander som faller ned, veiavfall og lokal penetrasjonsbelastning. Øvre deksler kan også trenge å tåle service- og monteringsbelastninger.

SMC-formulering, glassfiberlengde, fiberinnhold og støpte fiberorientering påvirker alle slagoppførselen. En karakter med høy verdi fra en enkel kupongtest kan likevel kreve lokal forsterkning i sårbare områder.

Ingeniører bør vurdere den støpte komponenten under representative støtforhold i stedet for kun å stole på standardmaterialeprøver.

Vibrasjon og tretthet

EV-batteripakker opplever kontinuerlig vibrasjon og gjentatt mekanisk belastning. Potensielle feilplasseringer inkluderer:

·  Festehull

·  Metallinnsatser

·  Skarpe hjørner

·  Ribbekryss

·  Tynne til tykke overganger

·  Monteringspunkter

·  Kanter rundt store åpninger

Utmattingsytelsen avhenger av materialformulering, formkvalitet og komponentdesign. SMC-leverandøren bør gjennomgå kritiske områder sammen med formdesigneren og batteripakkeprodusenten.

Krype- og festeoppbevaring

Batterideksler er ofte boltet til en metallskuff. Vedvarende klembelastninger kan forårsake kryp eller lokal spenningsavslapping i polymerbaserte materialer.

Designet kan kreve:

·  Større lastfordelingsområder

·  Kompresjonsbegrensere av metall

·  Innstøpte innsatser

·  Kontrollert tiltrekkingsmoment

·  Lokal veggtykkelse øker

·  Forsterkning rundt festepunkter

Uttrekks-, dreiemoment-, avspennings- og termisk syklustester bør utføres på det foreslåtte innsats- og festesystemet.

3. Bekreft elektriske og termiske krav

En av de største fordelene med SMC batterihusmateriale  er balansen mellom strukturell ytelse og elektrisk isolasjon.

Relevante elektriske egenskaper kan omfatte:

·  Dielektrisk styrke

·  Volumresistivitet

·  Overflatemotstand

·  Sammenlignende sporingsindeks

·  Lysbuemotstand

·  Isolasjonsmotstand etter fuktighetseksponering

Testverdier bør gjennomgås ved tiltenkt tykkelse og etter miljøkondisjonering. Fuktighet, forurensning, forhøyet temperatur og aldring kan påvirke elektrisk ytelse.

Termiske krav bør også defineres nøye. SMC velges normalt ikke til å lede varme bort fra celler på samme måte som aluminium. Hvis kapslingen er en del av det termiske styringssystemet, må designeren vurdere materialets varmeledningsevne og varmeoverføringsvei.

I noen design er lav varmeledningsevne gunstig fordi det bremser varmeoverføringen. I andre trenger batteriet kontrollert varmeavledning gjennom dedikerte kjøleplater. SMC-valg må derfor koordineres med det komplette termiske styringsdesignet.

4. Tilpass SMC-formuleringen til støpeprosessen

SMC er et støpeklart materiale som hovedsakelig består av harpiks, oppkuttet glassfiber, mineralfyllstoffer, tilsetningsstoffer og et fortykningssystem. Det er normalt kompresjonsstøpt under varme og trykk.

Riktig formulering må gi både ferdig-komponentytelse og stabil behandling.

Harpiks system

Umettede polyester- og vinylestersystemer er mye brukt i SMC. Harpiksen påvirker mekanisk ytelse, kjemisk motstand, krymping, termisk oppførsel og kostnad.

En standard SMC av elektrisk kvalitet skal ikke automatisk brukes for et elbilkabinett. Formuleringen må kanskje justeres for:

·  Høyere slagfasthet

·  Forbedret flammemotstand

·  Lavt svinn

·  Bedre kjemikaliebestandighet

·  Redusert tetthet

·  Høyere varmebestandighet

·  Lave utslipp

·  Krav til kjøretøyoverflate

Glassfiberinnhold og fiberlengde

Høyere glassinnhold kan forbedre styrke og stivhet, men det kan også påvirke flyt, overflateutseende og muggfylling.

Under kompresjonsstøping utvikles fiberorientering når SMC-ladningen strømmer gjennom hulrommet. Dette kan gi ulike egenskaper i ulike retninger. Ladningsstørrelse, ladeposisjon og strømningsavstand bør derfor evalueres under prosessutvikling.

For høyt belastede områder kan lokal forsterkning eller en hybridstruktur være mer effektiv enn å bare øke glassinnholdet gjennom hele delen.

Mugg flyt

Et stort elbilbatteri kan inneholde ribber, dype seksjoner, tetningskanaler og metallinnsatser. SMC må strømme langt nok til å fylle hulrommet uten overdreven fiberseparasjon, sveiselinjer eller innestengt luft.

Viktige støpevariabler inkluderer:

·  Muggtemperatur

·  Støpetrykk

·  Ladevekt

·  Lademønster og dekning

·  Lukkehastighet

·  Herdetid

·  Utlufting

·  Deltykkelse

·  Strømningsavstand

·  Sett inn posisjon

Karakteren bør prøves med representativ geometri når det er mulig.

Verktøy og pressekapasitet

Store batterideksler krever en presse med tilstrekkelig platestørrelse, dagslys, lukkekontroll og tonnasje. Nødvendig pressekraft avhenger av projisert delareal og støpetrykk – ikke bare delens vekt.

Verktøy skal adressere:

·  Jevn oppvarming

·  Luftevakuering

·  Blitskontroll

·  Nøyaktige tetningsflensdimensjoner

·  Demolding

·  Sett inn posisjonering

·  Lokal trykkfordeling

Muggflytsimulering og tidlig produksjonsgjennomgang kan forhindre kostbare modifikasjoner etter at produksjonsverktøyet er ferdigstilt.

Syklustid og herding

SMC må herde konsekvent over både tykke og tynne seksjoner. Utilstrekkelig herding kan redusere varmebestandighet, styrke og dimensjonsstabilitet. For lang herdetid reduserer imidlertid produksjonseffektiviteten.

Produksjonsforsøk bør bekrefte:

·  Minimum stabil herdetid

·  Kjerne- og overflateherdning

·  Demolding adferd

·  Dimensjonsendring etter støpeform

·  Vridning

·  Overflatedefekter

·  Konsistens av mekaniske egenskaper

5. Vurder miljømessig holdbarhet

EV-batterikabinetter fungerer under skiftende temperatur, fuktighet og veiforhold. Materialkvalifiseringsprogrammet bør representere det tiltenkte kjøretøymarkedet.

Anbefalte evalueringer kan omfatte:

·  Høy- og lavtemperatureksponering

·  Termisk sykling

·  Aldring av temperatur og fuktighet

·  Vannabsorpsjon

·  Saltsprayeksponering

·  Kjemisk nedsenking

·  UV-eksponering for ytre synlige deler

·  Grus og steinstøt

·  Vibrasjon etter miljøaldring

·  Forseglingsytelse etter sykling

Materialet bør også vurderes sammen med belegg, lim, pakninger, innsatser og festemidler. Forskjeller i termisk ekspansjon mellom SMC og metallkomponenter kan påvirke fugebelastninger og tetningsytelse.

6. Kontroller tykkelse, vridning og tetningsoverflater

Forsegling av batterikabinettet er avgjørende for å forhindre at vann, støv og forurensninger kommer inn i pakken. Store støpte deksler må opprettholde flensflathet og dimensjonsnøyaktighet etter støping og termisk sykling.

Utformingen bør unngå unødvendig tykkelsesvariasjon. Brå overganger kan skape ujevn flyt, indre stress, synkemerker og vridning.

Nyttige designtiltak inkluderer:

·  Gradvise tykkelsesoverganger

·  Balanserte ribber

·  Avrundede innvendige hjørner

·  Konsekvent flensgeometri

·  Riktige trekkvinkler

·  Kontrollerte ribbe-til-vegg-forhold

·  Strategisk ladeplassering

·  Lokal fremfor overdreven total forsterkning

Pakningssystemet, boltavstanden og tillatt flensavbøyning bør defineres før SMC-delen og formen ferdigstilles.

SMC-utvalgssjekkliste for EV-batteriskap

Vanlige SMC-utvalgsfeil

Flere feil kan forsinke et EV-batterikapslingsprosjekt:

1. Velger kun materiale fra UL 94 V-0 data.
V-0 representerer ikke hele scenariet for termisk løping eller kjøretøybrann.

2. Ignorerer den testede tykkelsen.
En brennbarhetsvurdering eller dielektrisk verdi gjelder kanskje ikke for en tynnere produksjonsvegg.

3. Bruk av kupongstyrke som den komplette strukturelle spesifikasjonen.
Fiberstrømning, ribber, sveiselinjer og innsatser påvirker faktisk komponentytelse.

4. Spesifiserer maksimal styrke uten å ta hensyn til formflyt.
En formulering må fylle verktøyet pålitelig samt oppfylle mekaniske krav.

5. Behandle et SMC-deksel som en drop-in kopi av en metalldel.
Komposittdeler krever egen ribbe, flens, feste og tykkelsesdesign.

6. Validerer materialet, men ikke det sammensatte kabinettet.
Tetninger, skjøter, innsatser og grensesnitt bestemmer ofte den endelige pakkens ytelse.

Tilpassede SMC-løsninger fra JLON

JLON leverer tilpassede SMC-blandinger  for elektriske, bil- og transportapplikasjoner. Fordi EV-batterisystemer har forskjellige kabinettarkitekturer og valideringsmål, bør SMC-formuleringen tilpasses det individuelle prosjektet i stedet for å velges fra en enkelt generell karakter.

Tilgjengelige utviklingsretninger inkluderer:

·  Flammehemmende SMC 

·  Elektrisk isolasjon SMC 

·  Høyfast glassfiber SMC 

·  Lavt krympende SMC 

·  Varmebestandig SMC 

·  Korrosjonsbestandig SMC 

·  SMC for batterideksler til elbiler 

·  SMC for batteribrett og beskyttelsespaneler 

·  SMC for høyspente elektriske kapslinger 

·  Spesialfarget bil SMC 

For å anbefale en passende formulering gjennomgår JLON vanligvis følgende informasjon:

·  Deltegning eller 3D-modell

·  Tiltenkt bruk

·  Påkrevd brannstandard

·  Minimum produksjonsveggtykkelse

·  Mål for mekaniske egenskaper

·  Krav til elektrisk ytelse

·  Drifts- og topptemperaturer

·  Forhold for kjemisk eksponering

·  Delvekt og dimensjoner

·  Presse og forme informasjon

·  Årlig etterspørsel

·  Nødvendige testrapporter eller bilgodkjenninger

Prototypestøping og representativ komponenttesting anbefales sterkt før produksjonsgodkjenning.

Konklusjon

Velger SMC for en EV-batterikabinett  krever mer enn å sammenligne strekkstyrke eller be om en generell flammehemmende karakter. Materialet må fungere som en del av et komplett system som inkluderer kapslingsgeometri, tetningsdesign, innsatser, kjølesystem, batterimoduler og kjøretøystruktur.

Den beste SMC-formuleringen bør gi en praktisk balanse mellom:

·  Flamme- og varmebestandighet

·  Mekanisk styrke og stivhet

·  Slag- og vibrasjonsbestandighet

·  Elektrisk isolasjon

·  Korrosjons- og kjemikaliebestandighet

·  Dimensjonsstabilitet

·  Pålitelig muggflyt

·  Konkurransedyktig produksjonssyklustid

Det viktigste er at brann-, strukturelle og elektriske krav skal verifiseres ved den tiltenkte veggtykkelsen og deretter valideres på den ferdige kapslingen.

For et nytt EV-batterikabinett SMC-  prosjekt, kontakt JLON med din tegning, ytelseskrav og støpeforhold. Teamet vårt kan hjelpe med å vurdere den nødvendige formuleringen og utarbeide en tilpasset SMC-materialløsning.