Cum să alegeți SMC pentru carcasele bateriei EV: rezistență la flacără, rezistență și cerințe de turnare

Carcasele bateriei vehiculelor electrice trebuie să protejeze modulele bateriei împotriva incendiului, impactului, vibrațiilor, umidității, resturilor de drum și a pericolelor electrice. În același timp, producătorii de vehicule sunt sub presiune constantă pentru a reduce greutatea, a consolida piesele și a îmbunătăți eficiența producției.

Compus de turnare a foilor, cunoscut în mod obișnuit ca SMC oferă o alternativă eficientă la carcasele bateriilor din oțel, aluminiu și termoplastic. Un formulat corespunzător SMC ignifug  combină rezistența mecanică, izolația electrică, rezistența la coroziune și flexibilitatea de proiectare într-o componentă turnată prin compresie.

Cu toate acestea, nu orice formulare SMC este potrivită pentru o carcasă pentru baterii EV. Materialul trebuie selectat în funcție de designul carcasei, obiectivul de siguranță la incendiu, condițiile de încărcare, temperatura de funcționare, grosimea peretelui și procesul de turnare.

Acest ghid explică principalii factori pe care inginerii și echipele de achiziții ar trebui să îi evalueze atunci când selectează SMC pentru carcasele pentru baterii EV.

De ce să folosiți SMC pentru carcase pentru baterii EV?

O carcasă a bateriei EV poate include un capac superior, o tavă inferioară, structuri de protecție laterale, partiții interioare, capace de serviciu și componente de protecție electrică. În funcție de design, SMC poate fi utilizat pentru carcasa completă sau combinat cu o structură de susținere din aluminiu sau oțel.

În comparație cu metalele convenționale, SMC armat cu fibră de sticlă  oferă mai multe avantaje.

Izolație electrică

SMC este în mod inerent neconductiv atunci când este formulat corespunzător. Poate ajuta la izolarea componentelor bateriei de înaltă tensiune și la reducerea riscului de contact electric între celule, bare colectoare, carcasă și caroseria vehiculului.

Acest lucru este deosebit de valoros în jurul conectorilor, deconectărilor de service și componentelor de înaltă tensiune. ISO 6469-3 abordează protecția împotriva șocurilor electrice și a incidentelor termice în circuitele din clasa de tensiune B, făcând izolarea electrică o parte importantă a siguranței generale a vehiculului.

Carcasa finită, totuși, trebuie totuși validată ca sistem complet. O valoare dielectrică bună într-o fișă de date SMC nu dovedește automat că acumulatorul asamblat îndeplinește cerințele de siguranță electrică la nivel de vehicul.

Rezistenta la coroziune si chimica

Spre deosebire de oțel, SMC nu ruginește. Poate rezista la expunerea la sare de drum, umiditate, stropi de apă și multe fluide auto atunci când sistemul de rășină este selectat corect.

Acest lucru poate reduce nevoia de tratamente anticorozive secundare. De asemenea, ajută la menținerea performanței carcasei pe durata de viață a vehiculului, în special în regiunile de coastă sau piețele în care sarea de drum este utilizată pe scară largă.

Testarea chimică ar trebui să ia în considerare substanțele reale așteptate în aplicație, cum ar fi:

·  Amestecuri de lichid de răcire și glicol

·  Lubrifianți și fluide hidraulice

·  Agenți de curățare

·  Sarea de drum

·  Electrolit baterie

·  Combustibili și uleiuri pentru automobile

Reducere în greutate

SMC are în general o densitate mai mică decât oțelul. Reducerea efectivă a greutății depinde de formulare, conținutul de fibre, geometria piesei, nervuri, inserții și dacă componenta SMC înlocuiește un capac metalic sau o tavă structurală.

O comparație directă a densității materialului nu este suficientă. Inginerii ar trebui să compare greutatea pieselor complete, echivalente din punct de vedere funcțional. Cel mai mare avantaj al SMC vine adesea din combinarea mai multor componente metalice ștanțate sau sudate într-o singură piesă turnată.

Integrarea părților

Turnarea prin compresie permite încorporarea în carcasă a nervurilor, boșajelor, canelurilor de etanșare, caracteristicilor de montare, pasajelor de cabluri și armăturii locale.

Acest lucru poate reduce:

·  Numărul de componente separate

·  Operatii de sudura si prindere

·  Timp de asamblare

·  Variația dimensională între părțile îmbinate

·  Căi potențiale de scurgere

Integrarea pieselor este deosebit de utilă pentru capacele mari pentru baterii și panourile de protecție complexe.

Stabilitate dimensională

O formulare SMC auto bine concepută poate oferi o contracție scăzută, dimensiuni stabile și o calitate constantă a suprafeței. Aceste proprietăți sunt importante pentru flanșe de etanșare, poziții de fixare și suprafețe plane mari.

Deoarece carcasele bateriilor pot fi considerabil mai mari decât carcasele electrice standard, deformarea și variația locală a grosimii trebuie evaluate în timpul curgerii matriței și dezvoltării sculelor.

1. Definiți cerința de rezistență la foc

Performanța la foc este de obicei prima preocupare atunci când alegeți un Carcasa bateriei EV SMC.

Incidentele bateriei cu litiu-ion pot expune o carcasă la flacără, gaz fierbinte, presiune, particule topite și temperaturi în creștere rapidă. Materialul trebuie să ajute la întârzierea propagării incendiului și să mențină o barieră de protecție suficient de lungă pentru a sprijini strategia de siguranță a pachetului de baterii.

UL 94 V-0 este o clasificare a materialelor, nu o protecție completă a bateriei

UL 94 V-0 este solicitat frecvent pentru materiale plastice și compozite ignifuge. În cadrul acestui test, un material trebuie să se oprească din flăcări în limitele specificate și nu trebuie să elibereze picături de flăcări care aprind indicatorul de sub el.

Pentru aplicații mai solicitante, clienții pot lua în considerare UL 94 5VA sau 5VB. Testul de 5V folosește o expunere mai severă la flacără. În testul plăcii, 5VA nu permite arderea, în timp ce 5VB poate permite o gaură. UL descrie UL 94 ca un grup de teste la scară mică care evaluează tendința unui material de a stinge sau de a răspândi flacăra după aprindere.

Două calificări sunt critice:

1. O evaluare UL 94 este conectată la formula testată și la grosimea probei.

2. UL 94 nu reproduce un eveniment complet de evadare termică a bateriei EV.

Un grad SMC evaluat V-0 la 3 mm nu trebuie descris automat ca V-0 la 1,5 mm. Solicitați întotdeauna raportul de testare sau certificarea pentru o grosime egală cu sau sub grosimea peretelui de producție.

Luați în considerare scenariul complet de incendiu

Producătorul pachetului de baterii ar trebui să definească dacă componenta SMC trebuie să reziste:

·  Incendiu extern de combustibil

·  Runaway termic al celulei interne

·  Lovirea directă a flăcării

·  Jeturi de gaz la temperatură ridicată

·  Impactul particulelor

·  Căldură radiantă

·  Presiunea generată în interiorul ambalajului

·  Propagarea incendiului între module

·  Burn-through pentru o perioadă specificată

Regulamentul UNECE nr. 100 include cerințe de siguranță pentru sistemele de stocare a energiei electrice reîncărcabile, acoperind solicitările mecanice, termice, electrice și de mediu. Cerințele sale se aplică sistemului REESS și al vehiculului, mai degrabă decât acordarea conformității pe baza unui singur material de carcasă. Prezentare generală a testării UNECE R100

SAE J2464 oferă în mod similar un cadru pentru testarea abuzivă a sistemelor de stocare a energiei reîncărcabile în condiții în afara intervalului lor normal de funcționare.

Prin urmare, specificația SMC nu trebuie să se oprească la „ignifuge”. Ar trebui să includă metoda de testare prevăzută, grosimea probei, condițiile de expunere și criteriile de acceptare.

Proprietăți cheie legate de incendiu de solicitat

Când comparați compușii SMC ignifugă , solicitați datele disponibile pentru:

·  Clasificare UL 94 și grosime testată

·  Limitarea indicelui de oxigen, dacă este cazul

·  Comportament la ardere orizontală și verticală

·  Timp de aprindere

·  Comportament de propagare a flăcării

·  Densitatea fumului

·  Cerințe privind gazele toxice

·  Performanță de eliberare a căldurii

·  Rezistenta la ardere

·  Retenție mecanică după expunerea la căldură

·  Conductivitate termică și transfer de căldură

·  Expunere maximă la temperatură pe termen scurt

Combinația necesară depinde dacă SMC este utilizat ca capac superior, tavă sub caroserie, barieră internă sau componentă electrică nestructurală.

2. Specificați performanța mecanică în funcție de cazul de încărcare

O carcasă pentru baterii nu este doar o cutie. Poate fi necesar să transporte modulele bateriei, să reziste la vibrațiile vehiculului, să protejeze împotriva impactului și să-și mențină suprafața de etanșare pe toată durata de viață a vehiculului.

Din acest motiv, selectarea SMC numai pe baza rezistenței la tracțiune nu este suficientă.

Performanță la tracțiune și la încovoiere

Rezistența la tracțiune indică modul în care materialul răspunde la sarcinile de tracțiune, în timp ce rezistența la încovoiere este deosebit de relevantă pentru panourile largi supuse la îndoire.

Specificația tehnică trebuie să includă:

·  Rezistența la tracțiune și modulul de tracțiune

·  Rezistența la încovoiere și modulul de încovoiere

·  Alungire la rupere

·  Rezistență la impact crestat și necrestat

·  Performanță la forfecare, acolo unde este cazul

Pentru un capac mare de baterie, rigiditatea poate fi mai importantă decât rezistența maximă la tracțiune. Rigiditatea insuficientă poate permite panoului să se deformeze, afectând etanșarea garniturii sau creând contact cu componentele interne.

Rezistenta la impact

Carcasele bateriilor de sub caroserie pot fi expuse la impactul cu pietre, obiecte scăpate, resturi de drum și sarcini locale de penetrare. Capacele superioare ar putea avea nevoie, de asemenea, să reziste la sarcini de service și de asamblare.

Formularea SMC, lungimea fibrei de sticlă, conținutul de fibre și orientarea fibrelor turnate afectează comportamentul la impact. O notă cu o valoare ridicată dintr-un simplu test cu cupon poate necesita întăriri locale în zonele vulnerabile.

Inginerii ar trebui să evalueze componenta turnată în condiții de impact reprezentative, mai degrabă decât să se bazeze doar pe specimene de material standard.

Vibrații și oboseală

Bateriile EV experimentează vibrații continue și încărcări mecanice repetate. Locațiile potențiale de defecțiune includ:

·  Orificii de fixare

·  Inserții metalice

·  Colțuri ascuțite

·  Intersecții de coaste

·  Tranziții de la subțire la gros

·  Puncte de montare

·  Margini în jurul deschiderilor mari

Performanța la oboseală depinde de formularea materialului, calitatea turnării și designul componentelor. Furnizorul SMC ar trebui să examineze zonele critice împreună cu proiectantul matriței și producătorul de baterii.

Fluaj și retenție de prindere

Capacele bateriilor sunt adesea fixate cu șuruburi pe o tavă metalică. Sarcinile de cleme susținute pot provoca fluaj sau relaxare locală a tensiunii în materialele pe bază de polimeri.

Designul poate necesita:

·  Zone mai mari de distribuire a sarcinii

·  Limitatoare de compresie metalice

·  Inserții turnate

·  Cuplu de strângere controlat

·  Grosimea peretelui local crește

·  Armare în jurul punctelor de montare

Testele de extragere, cuplu, relaxare și ciclu termic trebuie efectuate pe inserția și sistemul de fixare propus.

3. Confirmați cerințele electrice și termice

Unul dintre avantajele majore ale materialului carcasei bateriei SMC  este echilibrul său între performanța structurală și izolarea electrică.

Proprietățile electrice relevante pot include:

·  rigiditate dielectrică

·  Rezistivitate de volum

·  Rezistivitatea suprafeței

·  Indice de urmărire comparativ

·  Rezistenta la arc

·  Rezistenta de izolare dupa expunerea la umiditate

Valorile de testare trebuie revizuite la grosimea dorită și după condiționarea mediului. Umiditatea, contaminarea, temperatura ridicată și îmbătrânirea pot afecta performanța electrică.

Cerințele termice trebuie, de asemenea, definite cu atenție. SMC nu este selectat în mod normal pentru a conduce căldura departe de celule în același mod ca aluminiul. Dacă carcasa face parte din sistemul de management termic, proiectantul trebuie să ia în considerare conductivitatea termică a materialului și calea de transfer de căldură.

În unele modele, conductibilitatea termică scăzută este benefică, deoarece încetinește transferul de căldură. În altele, bateria are nevoie de o disipare controlată a căldurii prin plăci de răcire dedicate. Prin urmare, selecția SMC trebuie să fie coordonată cu proiectul complet de management termic.

4. Potriviți formularea SMC cu procesul de turnare

SMC este un material gata de turnat format în principal din rășină, fibră de sticlă tocată, umpluturi minerale, aditivi și un sistem de îngroșare. În mod normal, este turnat prin compresie sub căldură și presiune.

Formularea corectă trebuie să asigure atât performanța piesei finite, cât și o prelucrare stabilă.

Sistem de rășină

Sistemele de poliester nesaturat și vinilester sunt utilizate pe scară largă în SMC. Rășina afectează performanța mecanică, rezistența chimică, contracția, comportamentul termic și costul.

Un SMC standard de calitate electrică nu ar trebui utilizat automat pentru o carcasă EV. Este posibil ca formula să fie ajustată pentru:

·  Rezistență mai mare la impact

·  Rezistență la flacără îmbunătățită

·  Contracție scăzută

·  Rezistență chimică mai bună

·  Densitate redusă

·  Rezistență mai mare la căldură

·  Emisii scăzute

·  Cerințe de suprafață auto

Conținutul de fibre de sticlă și lungimea fibrei

Conținutul mai mare de sticlă poate îmbunătăți rezistența și rigiditatea, dar poate afecta și curgerea, aspectul suprafeței și umplerea matriței.

În timpul turnării prin compresie, orientarea fibrei se dezvoltă pe măsură ce sarcina SMC curge prin cavitate. Acest lucru poate produce proprietăți diferite în direcții diferite. Mărimea încărcăturii, poziția de încărcare și distanța de curgere ar trebui, prin urmare, evaluate în timpul dezvoltării procesului.

Pentru zonele foarte încărcate, armătura locală sau o structură hibridă pot fi mai eficiente decât simpla creștere a conținutului de sticlă în întreaga piesă.

Curgerea mucegaiului

O carcasă mare pentru baterii EV poate conține nervuri, secțiuni adânci, canale de etanșare și inserții metalice. SMC trebuie să curgă suficient de departe pentru a umple cavitatea fără separarea excesivă a fibrelor, linii de sudură sau aer prins.

Variabilele importante de turnare includ:

·  Temperatura mucegaiului

·  Presiunea de turnare

·  Greutate de încărcare

·  Model de încărcare și acoperire

·  Viteza de închidere

·  Timp de vindecare

·  Aerisire

·  Grosimea piesei

·  Distanța de curgere

·  Poziția de inserare

Nota ar trebui testată folosind geometrie reprezentativă ori de câte ori este posibil.

Capacitate de scule și presa

Capacele mari pentru baterii necesită o presă cu o dimensiune suficientă a platoului, lumină naturală, control de închidere și tonaj. Forța de presare necesară depinde de suprafața proiectată a piesei și de presiunea de turnare, nu numai de greutatea piesei.

Instrumentele ar trebui să abordeze:

·  Încălzire uniformă

·  Evacuarea aerului

·  Control bliț

·  Dimensiuni precise ale flanșei de etanșare

·  Demolarea

·  Poziţionarea inserţiei

·  Distribuția locală a presiunii

Simularea fluxului de matriță și revizuirea timpurie a producției pot preveni modificările costisitoare după ce instrumentul de producție a fost finalizat.

Timp de ciclu și întărire

SMC trebuie să se întărească constant atât pe secțiuni groase, cât și pe cele subțiri. Întărirea inadecvată poate reduce rezistența la căldură, rezistența și stabilitatea dimensională. Cu toate acestea, timpul de întărire excesiv scade eficiența producției.

Testele de producție ar trebui să confirme:

·  Timp de întărire stabil minim

·  Întărire cu miez și suprafață

·  Comportament de demolare

·  Schimbarea dimensională după matriță

·  Warpage

·  Defecte de suprafață

·  Consistență mecanico-propietate

5. Evaluați durabilitatea mediului

Carcasele bateriei EV funcționează în condiții de temperatură, umiditate și condiții de drum în schimbare. Programul de calificare a materialelor ar trebui să reprezinte piața destinată vehiculelor.

Evaluările recomandate pot include:

·  Expunere la temperaturi ridicate și scăzute

·  Ciclul termic

·  Imbatranire prin temperatura si umiditate

·  Absorbția apei

·  Expunere la pulverizare salină

·  Imersie chimică

·  Expunerea la UV pentru părțile vizibile din exterior

·  Impact cu pietriș și piatră

·  Vibrații după îmbătrânirea mediului

·  Performanța etanșării după ciclism

Materialul trebuie de asemenea evaluat împreună cu acoperiri, adezivi, garnituri, inserții și elemente de fixare. Diferențele de dilatare termică dintre SMC și componentele metalice pot influența sarcinile îmbinărilor și performanța de etanșare.

6. Controlați grosimea, deformarea și suprafețele de etanșare

Sigilarea carcasei bateriei este esențială pentru a preveni pătrunderea apei, a prafului și a contaminanților în pachet. Capacele mari turnate trebuie să mențină planeitatea flanșei și precizia dimensională după turnare și cicluri termice.

Designul ar trebui să evite variațiile inutile ale grosimii. Tranzițiile bruște pot crea flux neuniform, stres intern, urme de scufundare și deformare.

Măsurile utile de proiectare includ:

·  Tranziții treptate de grosime

·  Aranjamentele echilibrate ale coastelor

·  Colțuri interioare rotunjite

·  Geometrie consistentă a flanșei

·  Unghiuri de pescaj adecvate

·  Raport controlat nervură-perete

·  Plasarea strategică a taxelor

·  Întărirea globală mai degrabă locală decât excesivă

Sistemul de garnituri, distanța dintre șuruburi și deformarea permisă a flanșei trebuie definite înainte ca piesa SMC și matrița să fie finalizate.

Lista de verificare pentru selecția SMC pentru carcasele bateriei EV

Greșeli comune de selecție SMC

Mai multe greșeli pot întârzia un proiect de carcasă a bateriei EV:

1. Selectarea materialului numai din datele UL 94 V-0.
V-0 nu reprezintă întregul scenariu de fuga termică sau de incendiu al vehiculului.

2. Ignorând grosimea testată.
Este posibil ca un nivel de inflamabilitate sau o valoare dielectrică să nu se aplice unui perete de producție mai subțire.

3. Folosind rezistența cuponului ca specificație structurală completă.
Fluxul de fibre, nervurile, liniile de sudură și inserțiile influențează performanța reală a componentelor.

4. Specificarea rezistenței maxime fără a lua în considerare curgerea matriței.
O formulare trebuie să umple instrumentul în mod fiabil, precum și să îndeplinească cerințele mecanice.

5. Tratarea unei coperți SMC ca pe o copie introdusă a unei piese metalice.
Piesele compozite necesită propriul design de nervură, flanșă, fixare și grosime.

6. Validarea materialului, dar nu a carcasei asamblate.
Garniturile, îmbinările, inserțiile și interfețele determină adesea performanța finală a pachetului.

Soluții SMC personalizate de la JLON

JLON furnizează compuși SMC la comandă  pentru aplicații electrice, auto și de transport. Deoarece sistemele de baterii EV au arhitecturi de carcasă și obiective de validare diferite, formularea SMC ar trebui să fie potrivită cu proiectul individual, mai degrabă decât să fie selectată dintr-un singur grad de uz general.

Direcțiile de dezvoltare disponibile includ:

·  SMC ignifug 

·  Izolatie electrica SMC 

·  SMC din fibră de sticlă de înaltă rezistență 

·  SMC cu contracție redusă 

·  SMC rezistent la căldură 

·  SMC rezistent la coroziune 

·  SMC pentru capace pentru baterii EV 

·  SMC pentru tăvi pentru baterii și panouri de protecție 

·  SMC pentru carcase electrice de înaltă tensiune 

·  SMC auto colorate la comandă 

Pentru a recomanda o formulare adecvată, JLON examinează în mod normal următoarele informații:

·  Desenul piesei sau modelul 3D

·  Aplicație prevăzută

·  Standard de incendiu necesar

·  Grosimea minimă a peretelui de producție

·  Obiective mecanic-proprietate

·  Cerințe de performanță electrică

·  Temperaturi de funcționare și de vârf

·  Condiții de expunere chimică

·  Greutatea și dimensiunile piesei

·  Informații despre presa și matriță

·  Cererea anuală

·  Rapoarte de testare necesare sau aprobări auto

Modelarea prototipului și testarea componentelor reprezentative sunt insistent recomandate înainte de aprobarea producției.

Concluzie

Alegerea SMC pentru o carcasă de baterie EV  necesită mai mult decât compararea rezistenței la tracțiune sau solicitarea unui grad general ignifug. Materialul trebuie să funcționeze ca parte a unui sistem complet care include geometria carcasei, designul de etanșare, inserții, sistemul de răcire, modulele bateriei și structura vehiculului.

Cea mai bună formulare SMC ar trebui să ofere un echilibru practic de:

·  Rezistenta la flacara si la caldura

·  Rezistență mecanică și rigiditate

·  Durabilitate la impact și vibrații

·  Izolație electrică

·  Rezistenta la coroziune si chimic

·  Stabilitate dimensională

·  Flux sigur al matriței

·  Durată competitivă a ciclului de producție

Cel mai important, afirmațiile de incendiu, structurale și electrice ar trebui verificate la grosimea dorită a peretelui și apoi validate pe carcasa finită.

Pentru un nou proiect SMC pentru carcasa bateriei EV  , contactați JLON cu desenul, cerințele de performanță și condițiile de turnare. Echipa noastră poate ajuta la evaluarea formulării necesare și la pregătirea unei soluții personalizate de material SMC.