Como escolher SMC para gabinetes de bateria EV: resistência à chama, resistência e requisitos de moldagem

Os invólucros das baterias dos veículos elétricos devem proteger os módulos da bateria contra incêndio, impacto, vibração, umidade, detritos na estrada e riscos elétricos. Ao mesmo tempo, os fabricantes de veículos estão sob constante pressão para reduzir o peso, consolidar peças e melhorar a eficiência da produção.

Composto para moldagem de chapas, comumente conhecido como SMC oferece uma alternativa eficaz aos invólucros de bateria em aço, alumínio e termoplástico. Um adequadamente formulado SMC retardador de chama  combina resistência mecânica, isolamento elétrico, resistência à corrosão e flexibilidade de projeto em um componente moldado por compressão.

No entanto, nem todas as formulações SMC são adequadas para um compartimento de bateria EV. O material deve ser selecionado de acordo com o projeto do gabinete, objetivo de segurança contra incêndio, condições de carga, temperatura operacional, espessura da parede e processo de moldagem.

Este guia explica os principais fatores que os engenheiros e as equipes de compras devem avaliar ao selecionar o SMC para gabinetes de baterias EV.

Por que usar SMC para gabinetes de bateria EV?

O invólucro de uma bateria EV pode incluir uma tampa superior, uma bandeja inferior, estruturas de proteção lateral, divisórias internas, tampas de serviço e componentes de proteção elétrica. Dependendo do projeto, o SMC pode ser utilizado para a carcaça completa ou combinado com uma estrutura de suporte de alumínio ou aço.

Comparado com metais convencionais, O SMC reforçado com fibra de vidro  oferece diversas vantagens.

Isolamento elétrico

O SMC é inerentemente não condutor quando formulado adequadamente. Pode ajudar a isolar os componentes da bateria de alta tensão e reduzir o risco de contato elétrico entre as células, os barramentos, o gabinete e a carroceria do veículo.

Isto é particularmente valioso em relação a conectores, seccionadoras de serviço e componentes de alta tensão. A ISO 6469-3 aborda a proteção contra choques elétricos e incidentes térmicos em circuitos de classe de tensão B, tornando o isolamento elétrico uma parte importante da segurança geral do veículo.

O gabinete finalizado, entretanto, ainda deve ser validado como um sistema completo. Um bom valor dielétrico em uma folha de dados SMC não prova automaticamente que a bateria montada atende aos requisitos de segurança elétrica do veículo.

Corrosão e resistência química

Ao contrário do aço, o SMC não enferruja. Ele pode suportar a exposição ao sal da estrada, umidade, respingos de água e muitos fluidos automotivos quando o sistema de resina é selecionado corretamente.

Isto pode reduzir a necessidade de tratamentos anticorrosivos secundários. Também ajuda a manter o desempenho do invólucro ao longo da vida útil do veículo, especialmente em regiões costeiras ou mercados onde o sal rodoviário é amplamente utilizado.

Os testes químicos devem considerar as substâncias reais esperadas na aplicação, tais como:

·  Misturas de refrigerante e glicol

·  Lubrificantes e fluidos hidráulicos

·  Agentes de limpeza

·  Sal rodoviário

·  Eletrólito da bateria

·  Combustíveis e óleos automotivos

Redução de peso

O SMC geralmente tem uma densidade menor que o aço. A economia real de peso depende da formulação, do conteúdo de fibra, da geometria da peça, das nervuras, das inserções e se o componente SMC substitui uma tampa metálica ou uma bandeja estrutural.

Uma comparação direta da densidade do material não é suficiente. Os engenheiros devem comparar o peso de peças completas e funcionalmente equivalentes. A maior vantagem da SMC geralmente vem da combinação de vários componentes metálicos estampados ou soldados em uma peça moldada.

Integração de peças

A moldagem por compressão permite que nervuras, ressaltos, ranhuras de vedação, recursos de montagem, passagens de cabos e reforço local sejam incorporados ao gabinete.

Isso pode reduzir:

·  O número de componentes separados

·  Operações de soldagem e fixação

·  Tempo de montagem

·  Variação dimensional entre peças unidas

·  Possíveis caminhos de vazamento

A integração de peças é particularmente útil para grandes tampas de baterias e painéis de proteção complexos.

Estabilidade dimensional

Uma formulação SMC automotiva bem projetada pode fornecer baixo encolhimento, dimensões estáveis ​​e qualidade de superfície consistente. Estas propriedades são importantes para vedar flanges, posições de fixadores e grandes superfícies planas.

Como os invólucros das baterias podem ser consideravelmente maiores que os invólucros elétricos padrão, o empenamento e a variação local da espessura devem ser avaliados durante o fluxo do molde e o desenvolvimento das ferramentas.

1. Defina o requisito de resistência ao fogo

O desempenho ao fogo é geralmente a primeira preocupação ao selecionar um Gabinete de bateria EV SMC.

Incidentes com baterias de íons de lítio podem expor um gabinete a chamas, gases quentes, pressão, partículas derretidas e aumento rápido de temperaturas. O material deve ajudar a retardar a propagação do fogo e manter uma barreira protetora longa o suficiente para apoiar a estratégia de segurança da bateria.

UL 94 V-0 é uma classificação de material – não proteção completa da bateria

A UL 94 V-0 é frequentemente solicitada para plásticos e compósitos retardadores de chama. Neste teste, um material deve parar de arder dentro dos limites especificados e não deve liberar gotas de chamas que incendeiam o indicador abaixo dele.

Para aplicações mais exigentes, os clientes podem considerar UL 94 5VA ou 5VB. O teste de 5V utiliza uma exposição à chama mais severa. No teste de placa, 5VA não permite queima, enquanto 5VB pode permitir furo. A UL descreve a UL 94 como um grupo de testes em pequena escala que avalia a tendência de um material de extinguir ou espalhar chama após a ignição.

Duas qualificações são críticas:

1. Uma classificação UL 94 está associada à formulação testada e à espessura da amostra.

2. A UL 94 não reproduz um evento completo de fuga térmica da bateria EV.

Uma classe SMC classificada como V-0 a 3 mm não deve ser automaticamente descrita como V-0 a 1,5 mm. Solicite sempre o relatório de ensaio ou certificação para espessura igual ou inferior à espessura da parede de produção.

Considere o cenário de incêndio completo

O fabricante da bateria deve definir se o componente SMC deve resistir:

·  Incêndio de combustível externo

·  Fuga térmica da célula interna

·  Impacto direto da chama

·  Jatos de gás de alta temperatura

·  Impacto de partículas

·  Calor radiante

·  Pressão gerada dentro da embalagem

·  Propagação de fogo entre módulos

·  Burn-through por um período específico

O Regulamento UNECE n.º 100 inclui requisitos de segurança para sistemas recarregáveis ​​de armazenamento de energia elétrica, abrangendo tensões mecânicas, térmicas, elétricas e ambientais. Os seus requisitos aplicam-se ao REESS e ao sistema do veículo, em vez de garantirem a conformidade com base num material de alojamento. Visão geral dos testes UNECE R100

A SAE J2464 também fornece uma estrutura para testes de abuso de sistemas recarregáveis ​​de armazenamento de energia sob condições fora de sua faixa normal de operação.

Portanto, a especificação SMC não deve parar no “retardador de chama”. Ela deve incluir o método de teste pretendido, a espessura da amostra, as condições de exposição e os critérios de aceitação.

Principais propriedades relacionadas ao fogo a serem solicitadas

Ao comparar compostos SMC retardadores de chama , solicite dados disponíveis para:

·  Classificação UL 94 e espessura testada

·  Índice limitante de oxigênio, se aplicável

·  Comportamento de queima horizontal e vertical

·  Tempo de ignição

·  Comportamento de propagação de chamas

·  Densidade de fumaça

·  Requisitos de gases tóxicos

·  Desempenho de liberação de calor

·  Resistência à queima

·  Retenção mecânica após exposição ao calor

·  Condutividade térmica e transferência de calor

·  Exposição máxima à temperatura a curto prazo

A combinação necessária depende se o SMC é usado como tampa superior, bandeja inferior, barreira interna ou componente elétrico não estrutural.

2. Especifique o desempenho mecânico por caso de carga

O gabinete de uma bateria não é simplesmente uma caixa. Pode ser necessário transportar os módulos de bateria, resistir à vibração do veículo, proteger contra impactos e manter sua superfície de vedação durante toda a vida útil do veículo.

Por esta razão, selecionar o SMC com base apenas na resistência à tração não é suficiente.

Desempenho de tração e flexão

A resistência à tração indica como o material responde às cargas de tração, enquanto a resistência à flexão é particularmente relevante para painéis largos sujeitos à flexão.

A especificação técnica deve incluir:

·  Resistência à tração e módulo de tração

·  Resistência à flexão e módulo de flexão

·  Alongamento na ruptura

·  Resistência ao impacto com e sem entalhe

·  Desempenho de cisalhamento quando aplicável

Para uma tampa de bateria grande, a rigidez pode ser mais importante do que a resistência à tração final. Uma rigidez insuficiente pode permitir que o painel se desvie, afetando a vedação da junta ou criando contato com componentes internos.

Resistência ao impacto

Os compartimentos da bateria sob a carroceria podem ser expostos a impactos de pedras, queda de objetos, detritos da estrada e cargas de penetração local. As tampas superiores também podem precisar suportar cargas de serviço e montagem.

A formulação do SMC, o comprimento da fibra de vidro, o conteúdo da fibra e a orientação da fibra moldada afetam o comportamento do impacto. Uma nota com um valor elevado num simples teste de cupão pode ainda exigir reforço local em áreas vulneráveis.

Os engenheiros devem avaliar o componente moldado sob condições de impacto representativas, em vez de confiar apenas em amostras de materiais padrão.

Vibração e fadiga

As baterias EV experimentam vibração contínua e carga mecânica repetida. Os possíveis locais de falha incluem:

·  Furos de fixação

·  Inserções metálicas

·  Cantos agudos

·  Interseções de costelas

·  Transições finas para grossas

·  Pontos de montagem

·  Bordas em torno de grandes aberturas

O desempenho da fadiga depende da formulação do material, da qualidade da moldagem e do design dos componentes. O fornecedor SMC deve analisar as áreas críticas juntamente com o projetista do molde e o fabricante da bateria.

Retenção de fluência e fixação

As tampas das baterias são frequentemente aparafusadas a uma bandeja de metal. Cargas de fixação sustentadas podem causar fluência ou relaxamento de tensão local em materiais à base de polímeros.

O projeto pode exigir:

·  Maiores áreas de distribuição de carga

·  Limitadores de compressão metálicos

·  Inserções moldadas

·  Torque de aperto controlado

·  Aumentos locais da espessura da parede

·  Reforço em torno dos pontos de montagem

Testes de arrancamento, torque, relaxamento e ciclagem térmica devem ser realizados no inserto e no sistema de fixação propostos.

3. Confirme os requisitos elétricos e térmicos

Uma das principais vantagens do material da carcaça da bateria SMC  é o equilíbrio entre desempenho estrutural e isolamento elétrico.

Propriedades elétricas relevantes podem incluir:

·  Rigidez dielétrica

·  Resistividade de volume

·  Resistividade superficial

·  Índice de rastreamento comparativo

·  Resistência ao arco

·  Resistência de isolamento após exposição à umidade

Os valores de teste devem ser revisados ​​na espessura pretendida e após condicionamento ambiental. Umidade, contaminação, temperatura elevada e envelhecimento podem afetar o desempenho elétrico.

Os requisitos térmicos também devem ser definidos cuidadosamente. O SMC normalmente não é selecionado para conduzir o calor para longe das células da mesma forma que o alumínio. Se o invólucro fizer parte do sistema de gerenciamento térmico, o projetista deverá considerar a condutividade térmica do material e o caminho de transferência de calor.

Em alguns projetos, a baixa condutividade térmica é benéfica porque retarda a transferência de calor. Em outros, a bateria necessita de dissipação de calor controlada através de placas de resfriamento dedicadas. A seleção do SMC deve, portanto, ser coordenada com o projeto completo de gerenciamento térmico.

4. Combine a formulação SMC com o processo de moldagem

SMC é um material pronto para moldar composto principalmente de resina, fibra de vidro picada, cargas minerais, aditivos e sistema espessante. Normalmente é moldado por compressão sob calor e pressão.

A formulação correta deve proporcionar desempenho da peça acabada e processamento estável.

Sistema de resina

Sistemas de poliéster insaturado e éster vinílico são amplamente utilizados em SMC. A resina afeta o desempenho mecânico, a resistência química, o encolhimento, o comportamento térmico e o custo.

Um SMC de classe elétrica padrão não deve ser usado automaticamente para um gabinete de EV. A formulação pode precisar ser ajustada para:

·  Maior resistência ao impacto

·  Melhor resistência à chama

·  Baixo encolhimento

·  Melhor resistência química

·  Densidade reduzida

·  Maior resistência ao calor

·  Baixas emissões

·  Requisitos de superfície automotiva

Conteúdo de fibra de vidro e comprimento da fibra

Um maior teor de vidro pode melhorar a resistência e a rigidez, mas também pode afetar o fluxo, a aparência da superfície e o enchimento do molde.

Durante a moldagem por compressão, a orientação das fibras se desenvolve à medida que a carga SMC flui através da cavidade. Isso pode produzir propriedades diferentes em direções diferentes. O tamanho da carga, a posição da carga e a distância do fluxo devem, portanto, ser avaliados durante o desenvolvimento do processo.

Para áreas altamente carregadas, o reforço local ou uma estrutura híbrida pode ser mais eficaz do que simplesmente aumentar o conteúdo de vidro em toda a peça.

Fluxo do molde

Um grande compartimento de bateria EV pode conter nervuras, seções profundas, canais de vedação e inserções metálicas. O SMC deve fluir o suficiente para preencher a cavidade sem separação excessiva de fibras, linhas de solda ou ar preso.

Variáveis ​​de moldagem importantes incluem:

·  Temperatura do molde

·  Pressão de moldagem

·  Peso da carga

·  Padrão de cobrança e cobertura

·  Velocidade de fechamento

·  Tempo de cura

·  Ventilação

·  Espessura da peça

·  Distância do fluxo

·  Inserir posição

A classe deve ser testada usando geometria representativa sempre que possível.

Capacidade de ferramentas e prensas

Grandes tampas de bateria requerem uma prensa com tamanho de placa, luz natural, controle de fechamento e tonelagem suficientes. A força de prensagem necessária depende da área projetada da peça e da pressão de moldagem – não apenas do peso da peça.

As ferramentas devem abordar:

·  Aquecimento uniforme

·  Evacuação aérea

·  Controle de flash

·  Dimensões precisas do flange de vedação

·  Desmoldagem

·  Posicionamento da inserção

·  Distribuição de pressão local

A simulação do fluxo do molde e a revisão antecipada da fabricação podem evitar modificações dispendiosas após a conclusão da ferramenta de produção.

Tempo de ciclo e cura

O SMC deve curar de forma consistente em seções grossas e finas. A cura inadequada pode reduzir a resistência ao calor, a resistência e a estabilidade dimensional. O tempo de cura excessivo, entretanto, reduz a eficiência da produção.

Os testes de produção devem confirmar:

·  Tempo mínimo de cura estável

·  Cura de núcleo e superfície

·  Comportamento de desmoldagem

·  Alteração dimensional pós-molde

·  Deformação

·  Defeitos superficiais

·  Consistência de propriedades mecânicas

5. Avalie a durabilidade ambiental

Os gabinetes de bateria EV operam sob mudanças de temperatura, umidade e condições da estrada. O programa de qualificação de materiais deve representar o mercado de veículos pretendido.

As avaliações recomendadas podem incluir:

·  Exposição a altas e baixas temperaturas

·  Ciclagem térmica

·  Envelhecimento por temperatura e umidade

·  Absorção de água

·  Exposição à névoa salina

·  Imersão química

·  Exposição UV para peças visíveis externamente

·  Impacto de cascalho e pedra

·  Vibração após envelhecimento ambiental

·  Selar o desempenho após o ciclismo

O material também deve ser avaliado em conjunto com revestimentos, adesivos, gaxetas, insertos e fixadores. As diferenças na expansão térmica entre o SMC e os componentes metálicos podem influenciar as cargas das juntas e o desempenho da vedação.

6. Controle de espessura, empenamento e superfícies de vedação

A vedação do invólucro da bateria é essencial para evitar a entrada de água, poeira e contaminantes no pacote. Grandes tampas moldadas devem manter o nivelamento do flange e a precisão dimensional após a moldagem e o ciclo térmico.

O projeto deve evitar variações desnecessárias de espessura. Transições abruptas podem criar fluxo irregular, tensão interna, marcas de afundamento e empenamento.

Medidas de design úteis incluem:

·  Transições graduais de espessura

·  Arranjos de costela equilibrados

·  Cantos internos arredondados

·  Geometria consistente do flange

·  Ângulos de inclinação adequados

·  Proporções controladas entre nervuras e paredes

·  Colocação estratégica de carga

·  Reforço global local em vez de excessivo

O sistema de gaxeta, o espaçamento dos parafusos e a deflexão permitida do flange devem ser definidos antes da finalização da peça SMC e do molde.

Lista de verificação de seleção SMC para gabinetes de bateria EV

Erros comuns de seleção de SMC

Vários erros podem atrasar um projeto de gabinete de bateria EV:

1. Selecionando material somente a partir de dados UL 94 V-0.
V-0 não representa todo o cenário de fuga térmica ou incêndio em veículos.

2. Ignorando a espessura testada.
Uma classificação de inflamabilidade ou valor dielétrico pode não se aplicar a uma parede de produção mais fina.

3. Usando a resistência do cupom como especificação estrutural completa.
O fluxo da fibra, as nervuras, as linhas de solda e as inserções influenciam o desempenho real do componente.

4. Especificar a resistência máxima sem considerar o fluxo do molde.
Uma formulação deve preencher a ferramenta de forma confiável e também atender aos requisitos mecânicos.

5. Tratar uma tampa SMC como uma cópia de uma peça metálica.
As peças compostas requerem seu próprio design de nervura, flange, fixação e espessura.

6. Validando o material, mas não o invólucro montado.
Vedações, juntas, inserções e interfaces geralmente determinam o desempenho final da embalagem.

Soluções SMC personalizadas da JLON

A JLON fornece compostos SMC personalizados  para aplicações elétricas, automotivas e de transporte. Como os sistemas de baterias de VE têm diferentes arquiteturas de gabinete e objetivos de validação, a formulação do SMC deve ser adaptada ao projeto individual, em vez de ser selecionada a partir de um único grau de uso geral.

As direções de desenvolvimento disponíveis incluem:

·  SMC retardador de chama 

·  Isolamento elétrico SMC 

·  Fibra de vidro de alta resistência SMC 

·  SMC de baixo encolhimento 

·  SMC resistente ao calor 

·  SMC resistente à corrosão 

·  SMC para tampas de bateria EV 

·  SMC para bandejas de baterias e painéis de proteção 

·  SMC para quadros elétricos de alta tensão 

·  SMC automotivo com cor personalizada 

Para recomendar uma formulação adequada, a JLON normalmente analisa as seguintes informações:

·  Desenho de peça ou modelo 3D

·  Aplicação pretendida

·  Padrão de incêndio exigido

·  Espessura mínima da parede de produção

·  Metas de propriedade mecânica

·  Requisitos de desempenho elétrico

·  Temperaturas operacionais e de pico

·  Condições de exposição química

·  Peso e dimensões da peça

·  Informações sobre prensas e moldes

·  Demanda anual

·  Relatórios de teste exigidos ou aprovações automotivas

A moldagem de protótipos e testes de componentes representativos são fortemente recomendados antes da aprovação da produção.

Conclusão

Escolhendo O SMC para um gabinete de bateria EV  exige mais do que comparar a resistência à tração ou solicitar um grau geral de retardante de chama. O material deve funcionar como parte de um sistema completo que inclui geometria do invólucro, projeto de vedação, inserções, sistema de refrigeração, módulos de bateria e estrutura do veículo.

A melhor formulação de SMC deve fornecer um equilíbrio prático entre:

·  Resistência à chama e ao calor

·  Resistência mecânica e rigidez

·  Durabilidade de impacto e vibração

·  Isolamento elétrico

·  Corrosão e resistência química

·  Estabilidade dimensional

·  Fluxo de molde confiável

·  Tempo de ciclo de produção competitivo

Mais importante ainda, as reclamações estruturais, elétricas e de incêndio devem ser verificadas na espessura de parede pretendida e depois validadas no invólucro acabado.

Para um novo projeto SMC de gabinete de bateria EV  , entre em contato com a JLON com seu desenho, requisitos de desempenho e condições de moldagem. Nossa equipe pode ajudar a avaliar a formulação necessária e preparar uma solução personalizada de material SMC.