Jak wybrać SMC do obudów akumulatorów EV: wymagania dotyczące odporności na ogień, wytrzymałości i formowania

Obudowy akumulatorów pojazdów elektrycznych muszą chronić moduły akumulatorów przed ogniem, uderzeniami, wibracjami, wilgocią, gruzem drogowym i zagrożeniami elektrycznymi. Jednocześnie producenci pojazdów znajdują się pod ciągłą presją, aby zmniejszyć masę, skonsolidować części i poprawić wydajność produkcji.

Mieszanka do formowania arkuszy, powszechnie znana jako SMC stanowi skuteczną alternatywę dla obudów akumulatorów ze stali, aluminium i tworzyw termoplastycznych. Odpowiednio opracowany środek zmniejszający palność SMC  łączy w sobie wytrzymałość mechaniczną, izolację elektryczną, odporność na korozję i elastyczność konstrukcyjną w elemencie formowanym tłocznie.

Jednak nie każdy preparat SMC nadaje się do obudowy akumulatora EV. Materiał należy wybrać zgodnie z projektem obudowy, docelowym zabezpieczeniem przeciwpożarowym, warunkami obciążenia, temperaturą roboczą, grubością ścianki i procesem formowania.

W tym przewodniku wyjaśniono główne czynniki, które inżynierowie i zespoły zakupowe powinni ocenić przy wyborze SMC do obudów akumulatorów EV.

Dlaczego warto używać SMC do obudów akumulatorów EV?

Obudowa akumulatora EV może zawierać górną pokrywę, dolną półkę, boczne konstrukcje zabezpieczające, wewnętrzne przegrody, pokrywy serwisowe i elementy ochrony elektrycznej. W zależności od projektu, SMC można zastosować jako kompletną obudowę lub połączyć z aluminiową lub stalową konstrukcją nośną.

W porównaniu z konwencjonalnymi metalami, Wzmocniony włóknem szklanym SMC  ma kilka zalet.

Izolacja elektryczna

SMC jest z natury nieprzewodzący, jeśli jest odpowiednio sformułowany. Może pomóc w odizolowaniu elementów akumulatora wysokiego napięcia i zmniejszeniu ryzyka kontaktu elektrycznego między ogniwami, szynami zbiorczymi, obudową i nadwoziem pojazdu.

Jest to szczególnie cenne w przypadku złączy, rozłączników serwisowych i elementów wysokiego napięcia. ISO 6469-3 dotyczy ochrony przed porażeniem elektrycznym i zdarzeniami termicznymi w obwodach napięciowych klasy B, dzięki czemu izolacja elektryczna jest ważnym elementem ogólnego bezpieczeństwa pojazdu.

Gotową obudowę należy jednak jeszcze sprawdzić jako kompletny system. Dobra wartość dielektryczna w arkuszu danych SMC nie oznacza automatycznie, że zmontowany zestaw akumulatorów spełnia wymagania bezpieczeństwa elektrycznego na poziomie pojazdu.

Odporność na korozję i chemikalia

W przeciwieństwie do stali, SMC nie rdzewieje. Jest odporny na działanie soli drogowej, wilgoci, rozprysków wody i wielu płynów samochodowych, jeśli system żywicy zostanie odpowiednio wybrany.

Może to zmniejszyć potrzebę stosowania wtórnych zabiegów antykorozyjnych. Pomaga także utrzymać wydajność obudowy przez cały okres użytkowania pojazdu, szczególnie w regionach przybrzeżnych lub na rynkach, gdzie powszechnie stosuje się sól drogową.

Testy chemiczne powinny uwzględniać rzeczywiste substancje oczekiwane w zastosowaniu, takie jak:

·  Mieszanki chłodziwa i glikolu

·  Smary i płyny hydrauliczne

·  Środki czyszczące

·  Sól drogowa

·  Elektrolit akumulatora

·  Paliwa i oleje samochodowe

Redukcja wagi

SMC ma na ogół mniejszą gęstość niż stal. Rzeczywista oszczędność masy zależy od receptury, zawartości włókien, geometrii części, żeber, wkładek oraz od tego, czy komponent SMC zastępuje metalową pokrywę czy tacę strukturalną.

Bezpośrednie porównanie gęstości materiału nie wystarczy. Inżynierowie powinni porównać wagę kompletnych, funkcjonalnie równoważnych części. Największą zaletą SMC często jest połączenie wielu tłoczonych lub spawanych elementów metalowych w jedną formowaną część.

Integracja części

Formowanie tłoczne umożliwia wbudowanie w obudowę żeber, występów, rowków uszczelniających, elementów montażowych, przejść kablowych i lokalnego wzmocnienia.

Może to zmniejszyć:

·  Liczba oddzielnych komponentów

·  Operacje spawania i mocowania

·  Czas montażu

·  Różnice wymiarowe pomiędzy połączonymi częściami

·  Potencjalne drogi wycieku

Integracja części jest szczególnie przydatna w przypadku dużych pokryw akumulatorów i złożonych paneli ochronnych.

Stabilność wymiarowa

Dobrze zaprojektowana formuła SMC dla branży motoryzacyjnej może zapewnić niski skurcz, stabilne wymiary i stałą jakość powierzchni. Właściwości te są ważne w przypadku uszczelniania kołnierzy, pozycji elementów złącznych i dużych płaskich powierzchni.

Ponieważ obudowy akumulatorów mogą być znacznie większe niż standardowe obudowy elektryczne, podczas przepływu formy i opracowywania narzędzi należy ocenić wypaczenia i lokalne zmiany grubości.

1. Zdefiniuj wymagania dotyczące odporności ogniowej

Odporność na ogień jest zwykle pierwszą kwestią braną pod uwagę przy wyborze Obudowa akumulatora EV SMC.

Awarie związane z akumulatorami litowo-jonowymi mogą narazić obudowę na działanie płomieni, gorącego gazu, ciśnienia, stopionych cząstek i szybko rosnących temperatur. Materiał musi opóźniać rozprzestrzenianie się pożaru i utrzymywać barierę ochronną wystarczająco długo, aby wspierać strategię bezpieczeństwa pakietu baterii.

UL 94 V-0 to klasyfikacja materiału – a nie pełna ochrona akumulatora

W przypadku trudnopalnych tworzyw sztucznych i kompozytów często wymagana jest norma UL 94 V-0. W ramach tego testu materiał musi przestać płonąć w określonych granicach i nie może wydzielać płonących kropel, które zapalają znajdujący się pod nim wskaźnik.

W przypadku bardziej wymagających zastosowań klienci mogą rozważyć UL 94 5VA lub 5VB. W teście 5 V stosowana jest silniejsza ekspozycja na płomień. W teście płytki 5VA nie pozwala na przepalenie, natomiast 5VB może pozwolić na dziurę. UL opisuje UL 94 jako grupę testów na małą skalę, które oceniają tendencję materiału do gaszenia lub rozprzestrzeniania płomienia po zapaleniu.

Dwie kwalifikacje są istotne:

1. Ocena UL 94 jest powiązana z testowaną formułą i grubością próbki.

2. Norma UL 94 nie odtwarza pełnego zdarzenia niekontrolowanej temperatury akumulatora EV.

Gatunek SMC z oceną V-0 przy 3 mm nie powinien być automatycznie opisywany jako V-0 przy 1,5 mm. Zawsze żądaj raportu z testów lub certyfikatu dla grubości równej lub mniejszej od grubości ścianki produkcyjnej.

Rozważ pełny scenariusz pożaru

Producent zestawu akumulatorów powinien określić, czy element SMC musi być odporny na:

·  Zewnętrzny pożar paliwa

·  Wewnętrzna niestabilność cieplna ogniwa

·  Bezpośrednie działanie płomienia

·  Strumienie gazu o wysokiej temperaturze

·  Uderzenie cząstek

·  Promieniujące ciepło

·  Ciśnienie wytwarzane wewnątrz opakowania

·  Rozprzestrzenianie się ognia pomiędzy modułami

·  Przepalenie przez określony czas

Regulamin EKG ONZ nr 100 zawiera wymagania bezpieczeństwa dotyczące systemów magazynowania energii elektrycznej wielokrotnego ładowania, obejmujące naprężenia mechaniczne, termiczne, elektryczne i środowiskowe. Jej wymagania mają zastosowanie do REESS i układu pojazdu, a nie do zapewnienia zgodności w oparciu o jeden materiał obudowy. Przegląd testów UNECE R100

SAE J2464 podobnie zapewnia ramy dla testowania nadużyć systemów magazynowania energii wielokrotnego ładowania w warunkach wykraczających poza ich normalny zakres działania.

Dlatego specyfikacja SMC nie powinna ograniczać się do „ognioodporności”. Powinna obejmować zamierzoną metodę badania, grubość próbki, warunki ekspozycji i kryteria akceptacji.

Kluczowe właściwości przeciwpożarowe na żądanie

Porównując ognioodporne związki SMC , poproś o dostępne dane dla:

·  Klasyfikacja UL 94 i sprawdzona grubość

·  Ograniczenie wskaźnika tlenowego, jeśli ma to zastosowanie

·  Zachowanie podczas spalania w poziomie i pionie

·  Czas zapłonu

·  Zachowanie związane z rozprzestrzenianiem się płomienia

·  Gęstość dymu

·  Wymagania dotyczące gazów toksycznych

·  Wydajność uwalniania ciepła

·  Odporność na przepalenie

·  Retencja mechaniczna po ekspozycji na ciepło

·  Przewodność cieplna i przenikanie ciepła

·  Maksymalna krótkotrwała ekspozycja na temperaturę

Wymagana kombinacja zależy od tego, czy SMC jest używany jako pokrywa górna, półka pod podwoziem, bariera wewnętrzna czy niekonstrukcyjny element elektryczny.

2. Określ parametry mechaniczne według przypadku obciążenia

Obudowa akumulatora to nie tylko pudełko. Może zaistnieć potrzeba przenoszenia modułów akumulatora, wytrzymywania wibracji pojazdu, ochrony przed uderzeniami i utrzymywania powierzchni uszczelniającej przez cały okres użytkowania pojazdu.

Z tego powodu wybór SMC wyłącznie na podstawie wytrzymałości na rozciąganie nie jest wystarczający.

Wytrzymałość na rozciąganie i zginanie

Wytrzymałość na rozciąganie wskazuje, jak materiał reaguje na obciążenia ciągnące, natomiast wytrzymałość na zginanie jest szczególnie istotna w przypadku szerokich paneli poddawanych zginaniu.

Specyfikacja techniczna powinna zawierać:

·  Wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości

·  Wytrzymałość na zginanie i moduł sprężystości

·  Wydłużenie przy zerwaniu

·  Odporność na uderzenia z karbem i bez karbu

·  Odporność na ścinanie, jeśli ma to zastosowanie

W przypadku dużej pokrywy akumulatora sztywność może być ważniejsza niż ostateczna wytrzymałość na rozciąganie. Niewystarczająca sztywność może spowodować odkształcenie panelu, wpływając na uszczelkę lub tworząc kontakt z elementami wewnętrznymi.

Odporność na uderzenia

Obudowy akumulatorów pod podwoziem mogą być narażone na uderzenia kamieni, upuszczone przedmioty, gruz drogowy i lokalne obciążenia penetracyjne. Górne pokrywy mogą również wymagać wytrzymywania obciążeń serwisowych i montażowych.

Skład SMC, długość włókna szklanego, zawartość włókien i orientacja włókien formowanych wpływają na zachowanie podczas uderzenia. Ocena o wysokiej wartości z prostego testu kuponowego może nadal wymagać lokalnego wzmocnienia w obszarach wrażliwych.

Inżynierowie powinni ocenić formowany komponent w reprezentatywnych warunkach udarowych, a nie polegać wyłącznie na standardowych próbkach materiałów.

Wibracje i zmęczenie

Zestawy akumulatorów pojazdów elektrycznych podlegają ciągłym wibracjom i wielokrotnym obciążeniom mechanicznym. Potencjalne miejsca awarii obejmują:

·  Otwory na mocowania

·  Metalowe wstawki

·  Ostre rogi

·  Przecięcia żeber

·  Przejścia od cienkiego do grubego

·  Punkty mocowania

·  Krawędzie wokół dużych otworów

Wydajność zmęczeniowa zależy od składu materiału, jakości formowania i konstrukcji komponentów. Dostawca SMC powinien dokonać przeglądu krytycznych obszarów wspólnie z projektantem form i producentem akumulatorów.

Pełzanie i utrzymywanie mocowania

Pokrywy akumulatorów są często przykręcane do metalowej tacy. Utrzymujące się obciążenia zaciskowe mogą powodować pełzanie lub lokalną relaksację naprężeń w materiałach na bazie polimerów.

Projekt może wymagać:

·  Większe obszary rozkładu obciążenia

·  Metalowe ograniczniki kompresji

·  Wstawki formowane

·  Kontrolowany moment dokręcania

·  Zwiększa się lokalna grubość ścianki

·  Wzmocnienie wokół punktów mocowania

Na proponowanej wkładce i systemie mocowania należy przeprowadzić testy wyrywania, momentu obrotowego, relaksacji i cykli termicznych.

3. Potwierdź wymagania elektryczne i termiczne

Jedną z głównych zalet materiału, z którego wykonana jest obudowa akumulatora SMC  , jest równowaga pomiędzy wydajnością konstrukcyjną a izolacją elektryczną.

Odpowiednie właściwości elektryczne mogą obejmować:

·  Wytrzymałość dielektryczna

·  Rezystywność objętościowa

·  Rezystywność powierzchniowa

·  Porównawczy indeks śledzenia

·  Odporność na łuk

·  Rezystancja izolacji po ekspozycji na wilgoć

Wartości testowe należy sprawdzić przy zamierzonej grubości i po kondycjonowaniu środowiskowym. Wilgoć, zanieczyszczenia, podwyższona temperatura i starzenie mogą mieć wpływ na parametry elektryczne.

Należy również dokładnie określić wymagania termiczne. SMC zwykle nie jest wybierany do odprowadzania ciepła z ogniw w taki sam sposób jak aluminium. Jeśli obudowa jest częścią systemu zarządzania ciepłem, projektant musi wziąć pod uwagę przewodność cieplną materiału i ścieżkę wymiany ciepła.

W niektórych projektach niska przewodność cieplna jest korzystna, ponieważ spowalnia przenoszenie ciepła. W innych przypadkach akumulator wymaga kontrolowanego odprowadzania ciepła przez dedykowane płyty chłodzące. Dlatego wybór SMC musi być skoordynowany z całym projektem zarządzania ciepłem.

4. Dopasuj formułę SMC do procesu formowania

SMC to gotowy do formowania materiał składający się głównie z żywicy, ciętego włókna szklanego, wypełniaczy mineralnych, dodatków i układu zagęszczającego. Zwykle jest formowany tłocznie pod wpływem ciepła i ciśnienia.

Prawidłowa formuła musi zapewniać zarówno wydajność gotowej części, jak i stabilną obróbkę.

Układ żywiczny

W SMC szeroko stosowane są układy nienasyconych poliestrów i estrów winylowych. Żywica wpływa na właściwości mechaniczne, odporność chemiczną, skurcz, zachowanie termiczne i koszt.

W obudowie pojazdu elektrycznego nie należy automatycznie stosować standardowego SMC klasy elektrycznej. Może zaistnieć potrzeba dostosowania preparatu w celu:

·  Wyższa odporność na uderzenia

·  Zwiększona odporność na płomień

·  Niski skurcz

·  Lepsza odporność chemiczna

·  Zmniejszona gęstość

·  Wyższa odporność na ciepło

·  Niska emisja

·  Wymagania dotyczące powierzchni samochodowych

Zawartość i długość włókna szklanego

Wyższa zawartość szkła może poprawić wytrzymałość i sztywność, ale może również wpływać na płynność, wygląd powierzchni i wypełnienie formy.

Podczas formowania tłocznego orientacja włókien rozwija się w miarę przepływu ładunku SMC przez wnękę. Może to powodować różne właściwości w różnych kierunkach. Dlatego też podczas opracowywania procesu należy ocenić wielkość wsadu, położenie wsadu i odległość przepływu.

W przypadku obszarów o dużym obciążeniu lokalne wzmocnienie lub konstrukcja hybrydowa mogą być skuteczniejsze niż zwykłe zwiększanie zawartości szkła w całej części.

Przepływ formy

Duża obudowa akumulatora EV może zawierać żebra, głębokie sekcje, kanały uszczelniające i metalowe wkładki. SMC musi płynąć wystarczająco daleko, aby wypełnić ubytek bez nadmiernego oddzielania się włókien, linii spawów lub uwięzionego powietrza.

Ważne zmienne związane z formowaniem obejmują:

·  Temperatura formy

·  Ciśnienie formowania

·  Masa ładunku

·  Schemat opłat i zasięg

·  Prędkość zamykania

·  Czas utwardzania

·  Wentylacja

·  Grubość części

·  Odległość przepływu

·  Wstaw pozycję

Jeśli to możliwe, gatunek należy poddać próbie, stosując reprezentatywną geometrię.

Wydajność oprzyrządowania i prasy

Duże pokrywy akumulatorów wymagają prasy o odpowiedniej wielkości płyty dociskowej, świetle dziennym, kontroli zamykania i tonażu. Wymagana siła docisku zależy od przewidywanej powierzchni części i ciśnienia formowania, a nie tylko od ciężaru części.

Oprzyrządowanie powinno uwzględniać:

·  Jednolite ogrzewanie

·  Ewakuacja powietrza

·  Kontrola błysku

·  Dokładne wymiary kołnierza uszczelniającego

·  Rozformowanie

·  Pozycjonowanie wkładek

·  Lokalny rozkład ciśnienia

Symulacja przepływu formy i wczesny przegląd produkcji mogą zapobiec kosztownym modyfikacjom po ukończeniu narzędzia produkcyjnego.

Czas cyklu i utwardzanie

SMC musi utwardzać się równomiernie zarówno na grubych, jak i cienkich skrawkach. Nieodpowiednie utwardzanie może zmniejszyć odporność cieplną, wytrzymałość i stabilność wymiarową. Jednakże zbyt długi czas utwardzania obniża wydajność produkcji.

Próby produkcyjne powinny potwierdzić:

·  Minimalny stabilny czas utwardzania

·  Utwardzanie rdzenia i powierzchni

·  Zachowanie demolujące

·  Zmiana wymiarów po formowaniu

·  Wypaczenie

·  Wady powierzchni

·  Konsystencja właściwości mechanicznych

5. Oceń trwałość środowiska

Obudowy akumulatorów EV działają w zmiennych temperaturach, wilgotności i warunkach drogowych. Program kwalifikacji materiałowej powinien reprezentować docelowy rynek pojazdów.

Zalecane oceny mogą obejmować:

·  Ekspozycja na wysoką i niską temperaturę

·  Cykl termiczny

·  Starzenie się pod wpływem temperatury i wilgoci

·  Absorpcja wody

·  Narażenie na mgłę solną

·  Zanurzenie chemiczne

·  Narażenie na promieniowanie UV części widocznych z zewnątrz

·  Uderzenie żwiru i kamienia

·  Wibracje po starzeniu się środowiska

·  Skuteczność uszczelnienia po jeździe na rowerze

Materiał należy również ocenić łącznie z powłokami, klejami, uszczelkami, wkładkami i elementami złącznymi. Różnice w rozszerzalności cieplnej pomiędzy elementami SMC i metalowymi mogą wpływać na obciążenia połączeń i skuteczność uszczelnienia.

6. Kontroluj grubość, wypaczenia i powierzchnie uszczelniające

Uszczelnienie obudowy akumulatora jest niezbędne, aby zapobiec przedostawaniu się wody, kurzu i zanieczyszczeń do opakowania. Duże formowane pokrywy muszą zachować płaskość kołnierza i dokładność wymiarową po formowaniu i cyklach termicznych.

Projekt powinien unikać niepotrzebnych zmian grubości. Nagłe przejścia mogą powodować nierówny przepływ, naprężenia wewnętrzne, ślady opadania i wypaczenia.

Przydatne środki projektowe obejmują:

·  Stopniowe przejścia grubości

·  Zrównoważony układ żeber

·  Zaokrąglone narożniki wewnętrzne

·  Spójna geometria kołnierza

·  Odpowiednie kąty pochylenia

·  Kontrolowane proporcje żeber do ścianek

·  Strategiczne rozmieszczenie ładunków

·  Lokalne, a nie nadmierne ogólne wzmocnienie

System uszczelek, rozstaw śrub i dopuszczalne ugięcie kołnierza należy określić przed ukończeniem części SMC i formy.

Lista kontrolna wyboru SMC dla obudów akumulatorów EV

Typowe błędy przy wyborze SMC

Kilka błędów może opóźnić projekt obudowy akumulatora EV:

1. Wybór materiału wyłącznie na podstawie danych UL 94 V-0.
V-0 nie reprezentuje całego scenariusza ucieczki termicznej lub pożaru pojazdu.

2. Ignorując badaną grubość.
Ocena palności lub wartość dielektryczna mogą nie dotyczyć cieńszej ściany produkcyjnej.

3. Wykorzystanie siły kuponu jako pełnej specyfikacji strukturalnej.
Przepływ włókien, żebra, linie spawów i płytki wpływają na rzeczywistą wydajność komponentów.

4. Określenie maksymalnej wytrzymałości bez uwzględnienia przepływu formy.
Preparat musi niezawodnie wypełniać narzędzie i spełniać wymagania mechaniczne.

5. Traktowanie okładki SMC jako wrzucanej kopii części metalowej.
Części kompozytowe wymagają własnego projektu żebra, kołnierza, mocowania i grubości.

6. Sprawdzanie materiału, ale nie zmontowanej obudowy.
Uszczelki, połączenia, wkładki i interfejsy często decydują o ostatecznej wydajności opakowania.

Niestandardowe rozwiązania SMC firmy JLON

JLON dostarcza niestandardowe związki SMC  do zastosowań elektrycznych, motoryzacyjnych i transportowych. Ponieważ systemy akumulatorów pojazdów elektrycznych mają różną architekturę obudów i cele walidacji, formułę SMC należy dopasować do indywidualnego projektu, a nie wybierać z jednego gatunku ogólnego przeznaczenia.

Dostępne kierunki rozwoju obejmują:

·  Trudnopalny SMC 

·  Izolacja elektryczna SMC 

·  Wysoko wytrzymałe włókno szklane SMC 

·  Niskoskurczowy SMC 

·  Żaroodporny SMC 

·  Odporny na korozję SMC 

·  SMC do pokryw akumulatorów EV 

·  SMC do półek akumulatorowych i paneli ochronnych 

·  SMC do szaf elektrycznych wysokiego napięcia 

·  Niestandardowe kolory samochodowe SMC 

Aby zalecić odpowiedni preparat, firma JLON zwykle przegląda następujące informacje:

·  Rysunek części lub model 3D

·  Przeznaczenie

·  Wymagany standard przeciwpożarowy

·  Minimalna grubość ścianki produkcyjnej

·  Cele o właściwościach mechanicznych

·  Wymagania dotyczące parametrów elektrycznych

·  Temperatury robocze i szczytowe

·  Warunki narażenia chemicznego

·  Masa i wymiary części

·  Informacje o prasie i formie

·  Roczne zapotrzebowanie

·  Wymagane raporty z testów lub atesty samochodowe

Przed zatwierdzeniem produkcji zdecydowanie zaleca się formowanie prototypów i testowanie reprezentatywnych komponentów.

Wniosek

Wybieranie SMC dla obudowy akumulatora EV  wymaga czegoś więcej niż tylko porównania wytrzymałości na rozciąganie lub zażądania ogólnego stopnia zmniejszania palności. Materiał musi stanowić część kompletnego systemu obejmującego geometrię obudowy, konstrukcję uszczelnienia, wkładki, układ chłodzenia, moduły akumulatorów i konstrukcję pojazdu.

Najlepsza formuła SMC powinna zapewniać praktyczną równowagę:

·  Odporność na płomień i ciepło

·  Wytrzymałość mechaniczna i sztywność

·  Odporność na uderzenia i wibracje

·  Izolacja elektryczna

·  Odporność na korozję i chemikalia

·  Stabilność wymiarowa

·  Niezawodny przepływ formy

·  Konkurencyjny czas cyklu produkcyjnego

Co najważniejsze, wymagania ogniowe, konstrukcyjne i elektryczne należy zweryfikować przy zamierzonej grubości ściany, a następnie zweryfikować na gotowej obudowie.

W przypadku nowego projektu SMC obudowy akumulatora EV  skontaktuj się z firmą JLON, przedstawiając rysunek, wymagania dotyczące wydajności i warunki formowania. Nasz zespół może pomóc w ocenie wymaganej receptury i przygotowaniu dostosowanego do indywidualnych potrzeb rozwiązania materiałowego SMC.