Ako si vybrať SMC pre kryty batérií EV: Požiadavky na odolnosť voči plameňu, pevnosť a tvarovanie

Kryty batérií elektrických vozidiel musia chrániť batériové moduly pred požiarom, nárazom, vibráciami, vlhkosťou, úlomkami vozovky a elektrickým nebezpečenstvom. Výrobcovia vozidiel sú zároveň pod neustálym tlakom na zníženie hmotnosti, konsolidáciu dielov a zlepšenie efektivity výroby.

Formovacia hmota na plech, bežne známa ako SMC ponúka efektívnu alternatívu k oceľovým, hliníkovým a termoplastovým krytom batérií. Správne formulovaný nehorľavý SMC  kombinuje mechanickú pevnosť, elektrickú izoláciu, odolnosť proti korózii a flexibilitu dizajnu v lisovanom komponente.

Nie každé zloženie SMC je však vhodné pre kryt batérie EV. Materiál musí byť vybraný podľa konštrukcie krytu, požiarneho cieľa, podmienok zaťaženia, prevádzkovej teploty, hrúbky steny a procesu lisovania.

Táto príručka vysvetľuje hlavné faktory, ktoré by mali inžinieri a nákupné tímy zhodnotiť pri výbere SMC pre kryty batérií EV.

Prečo používať SMC pre kryty batérií EV?

Kryt batérie EV môže obsahovať horný kryt, spodný zásobník, bočné ochranné konštrukcie, vnútorné priečky, servisné kryty a komponenty elektrickej ochrany. V závislosti od prevedenia je možné SMC použiť na kompletné puzdro alebo kombinovať s hliníkovou alebo oceľovou nosnou konštrukciou.

V porovnaní s bežnými kovmi SMC vystužené sklenenými vláknami  poskytuje niekoľko výhod.

Elektrická izolácia

SMC je vo svojej podstate nevodivý, keď je správne formulovaný. Môže pomôcť izolovať komponenty vysokonapäťovej batérie a znížiť riziko elektrického kontaktu medzi článkami, prípojnicami, krytom a karosériou vozidla.

To je obzvlášť cenné v oblasti konektorov, servisných odpojovačov a vysokonapäťových komponentov. ISO 6469-3 rieši ochranu pred úrazom elektrickým prúdom a tepelnými udalosťami v obvodoch napäťovej triedy B, vďaka čomu je elektrická izolácia dôležitou súčasťou celkovej bezpečnosti vozidla.

Hotový kryt však musí byť ešte overený ako kompletný systém. Dobrá dielektrická hodnota v údajovom liste SMC automaticky nedokazuje, že zostavená batéria spĺňa požiadavky na elektrickú bezpečnosť na úrovni vozidla.

Odolnosť proti korózii a chemikáliám

Na rozdiel od ocele SMC nehrdzavie. Pri správnom výbere živicového systému môže odolať cestnej soli, vlhkosti, striekajúcej vode a mnohým automobilovým kvapalinám.

To môže znížiť potrebu sekundárnych antikoróznych úprav. Pomáha tiež udržiavať výkon krytu počas životnosti vozidla, najmä v pobrežných oblastiach alebo na trhoch, kde sa vo veľkej miere používa cestná soľ.

Chemické testovanie by malo brať do úvahy skutočné látky očakávané v aplikácii, ako napríklad:

·  Zmesi chladiacej kvapaliny a glykolu

·  Mazivá a hydraulické kvapaliny

·  Čistiace prostriedky

·  Cestná soľ

·  Elektrolyt batérie

·  Automobilové palivá a oleje

Zníženie hmotnosti

SMC má vo všeobecnosti nižšiu hustotu ako oceľ. Skutočná úspora hmotnosti závisí od zloženia, obsahu vlákien, geometrie dielu, rebier, vložiek a od toho, či komponent SMC nahrádza kovový kryt alebo konštrukčnú vaničku.

Priame porovnanie materiálovej hustoty nestačí. Inžinieri by mali porovnať hmotnosť kompletných, funkčne ekvivalentných dielov. Najväčšia výhoda SMC často pochádza z kombinácie viacerých lisovaných alebo zváraných kovových komponentov do jedného lisovaného dielu.

Integrácia dielov

Lisovanie umožňuje začlenenie rebier, výstupkov, tesniacich drážok, montážnych prvkov, káblových priechodov a lokálnej výstuže do krytu.

To môže znížiť:

·  Počet samostatných komponentov

·  Zváracie a upevňovacie operácie

·  Čas montáže

·  Rozmerové rozdiely medzi spájanými časťami

·  Potenciálne únikové cesty

Integrácia dielov je užitočná najmä pre veľké kryty batérií a zložité ochranné panely.

Rozmerová stabilita

Dobre navrhnutá automobilová formulácia SMC môže poskytnúť nízke zmrštenie, stabilné rozmery a konzistentnú kvalitu povrchu. Tieto vlastnosti sú dôležité pre tesnenie prírub, polohy upevňovacích prvkov a veľkých plochých plôch.

Pretože kryty batérií môžu byť podstatne väčšie ako štandardné elektrické kryty, deformácia a miestne zmeny hrúbky musia byť vyhodnotené počas toku formy a vývoja nástrojov.

1. Definujte požiadavku na požiarnu odolnosť

Požiarny výkon je zvyčajne prvým problémom pri výbere Kryt batérie EV SMC.

Nehody s lítium-iónovou batériou môžu vystaviť kryt plameňom, horúcim plynom, tlaku, roztaveným časticiam a rýchlo rastúcim teplotám. Materiál musí pomôcť oddialiť šírenie požiaru a udržať ochrannú bariéru dostatočne dlho na to, aby podporila bezpečnostnú stratégiu batérie.

UL 94 V-0 je materiálová klasifikácia – nie úplná ochrana batérie

UL 94 V-0 je často žiadaný pre plasty a kompozity spomaľujúce horenie. Pri tomto teste musí materiál prestať horieť v rámci špecifikovaných limitov a nesmie uvoľňovať horiace kvapky, ktoré zapália indikátor pod ním.

Pre náročnejšie aplikácie môžu zákazníci zvážiť UL 94 5VA alebo 5VB. 5V test používa silnejšie vystavenie plameňu. Pri teste plaku 5 VA neumožňuje prepálenie, zatiaľ čo 5 VB umožňuje dieru. UL popisuje UL 94 ako skupinu testov v malom meradle, ktorá hodnotí tendenciu materiálu uhasiť alebo šíriť plameň po zapálení.

Rozhodujúce sú dve kvalifikácie:

1. Hodnotenie UL 94 je spojené s testovaným zložením a hrúbkou vzorky.

2. UL 94 nereprodukuje úplnú udalosť tepelného úniku batérie EV.

Stupeň SMC s hodnotením V-0 pri 3 mm by sa nemal automaticky označovať ako V-0 pri 1,5 mm. Vždy si vyžiadajte protokol o skúške alebo certifikáciu pre hrúbku rovnú alebo menšiu ako je hrúbka steny vo výrobe.

Zvážte úplný scenár požiaru

Výrobca batérie by mal definovať, či komponent SMC musí odolávať:

·  Vonkajší požiar paliva

·  Vnútorný tepelný únik bunky

·  Priame pôsobenie plameňa

·  Vysokoteplotné prúdy plynu

·  Vplyv častíc

·  Sálavé teplo

·  Tlak vytvorený vo vnútri balenia

·  Šírenie požiaru medzi modulmi

·  Vypálenie po určitú dobu

Predpis EHK OSN č. 100 obsahuje bezpečnostné požiadavky na dobíjacie systémy na skladovanie elektrickej energie, ktoré sa vzťahujú na mechanické, tepelné, elektrické a environmentálne namáhanie. Jeho požiadavky sa vzťahujú na systém REESS a vozidlo a nie na zabezpečenie zhody na základe jedného materiálu krytu. Prehľad testovania UNECE R100

SAE J2464 podobne poskytuje rámec pre testovanie zneužitia dobíjacích systémov na uskladnenie energie v podmienkach mimo ich normálneho prevádzkového rozsahu.

Špecifikácia SMC by sa preto nemala zastaviť pri 'spomalovači horenia'. Mala by zahŕňať zamýšľanú testovaciu metódu, hrúbku vzorky, podmienky expozície a akceptačné kritériá.

Kľúčové vlastnosti súvisiace s požiarom na vyžiadanie

Pri porovnávaní zlúčenín SMC spomaľujúcich horenie si vyžiadajte dostupné údaje pre:

·  Klasifikácia UL 94 a testovaná hrúbka

·  Limitný kyslíkový index, ak je to vhodné

·  Horizontálne a vertikálne správanie pri horení

·  Doba vznietenia

·  Chovanie pri šírení plameňa

·  Hustota dymu

·  Požiadavky na toxické plyny

·  Výkon pri uvoľňovaní tepla

·  Odolnosť proti prepáleniu

·  Mechanická retencia po vystavení teplu

·  Tepelná vodivosť a prenos tepla

·  Maximálne krátkodobé vystavenie teplote

Požadovaná kombinácia závisí od toho, či sa SMC používa ako horný kryt, spodná vaňa, vnútorná bariéra alebo nekonštrukčný elektrický komponent.

2. Zadajte Mechanický výkon podľa prípadu zaťaženia

Puzdro na batérie nie je len krabica. Možno bude potrebné prenášať batériové moduly, odolávať vibráciám vozidla, chrániť pred nárazom a udržiavať tesniaci povrch počas celej životnosti vozidla.

Z tohto dôvodu nie je výber SMC založený len na pevnosti v ťahu dostatočný.

Výkon v ťahu a ohybe

Pevnosť v ťahu udáva, ako materiál reaguje na ťahové zaťaženie, zatiaľ čo pevnosť v ohybe je obzvlášť dôležitá pre široké panely vystavené ohybu.

Technická špecifikácia by mala obsahovať:

·  Pevnosť v ťahu a modul v ťahu

·  Pevnosť v ohybe a modul v ohybe

·  Predĺženie pri pretrhnutí

·  Vrubová a bezvrubová rázová húževnatosť

·  Šmykové vlastnosti, ak je to vhodné

Pre veľký kryt batérie môže byť tuhosť dôležitejšia ako konečná pevnosť v ťahu. Nedostatočná tuhosť môže dovoliť vychýleniu panelu, čo ovplyvňuje tesnenie tesnenia alebo vytvára kontakt s vnútornými komponentmi.

Odolnosť proti nárazu

Kryty batérie pod karosériou môžu byť vystavené nárazom kameňov, spadnutým predmetom, cestným úlomkom a miestnemu prerazeniu. Horné kryty môžu tiež musieť vydržať servisné a montážne zaťaženie.

Zloženie SMC, dĺžka sklenených vlákien, obsah vlákien a orientácia tvarovaných vlákien ovplyvňujú správanie pri náraze. Stupeň s vysokou hodnotou z jednoduchého kupónového testu môže stále vyžadovať lokálne posilnenie v zraniteľných oblastiach.

Inžinieri by mali vyhodnotiť lisovaný komponent v reprezentatívnych podmienkach nárazu a nemali by sa spoliehať len na vzorky štandardného materiálu.

Vibrácie a únava

Akumulátory EV zažívajú nepretržité vibrácie a opakované mechanické zaťaženie. Medzi potenciálne miesta zlyhania patria:

·  Upevňovacie otvory

·  Kovové vložky

·  Ostré rohy

·  Priesečníky rebier

·  Prechody z tenkého na hrubé

·  Upevňovacie body

·  Okraje okolo veľkých otvorov

Únavový výkon závisí od zloženia materiálu, kvality lisovania a dizajnu komponentov. Dodávateľ SMC by mal preskúmať kritické oblasti spolu s konštruktérom foriem a výrobcom batériových jednotiek.

Dotvarovanie a zadržanie upevnenia

Kryty batérií sú často priskrutkované ku kovovej podložke. Trvalé upínacie zaťaženie môže spôsobiť tečenie alebo lokálne uvoľnenie napätia v materiáloch na báze polymérov.

Dizajn môže vyžadovať:

·  Väčšie plochy na rozloženie nákladu

·  Kovové obmedzovače kompresie

·  Zalisované vložky

·  Kontrolovaný uťahovací moment

·  Miestna hrúbka steny sa zvyšuje

·  Vystuženie okolo upevňovacích bodov

Na navrhovanej vložke a upevňovacom systéme by sa mali vykonať testy vyťahovania, krútiaceho momentu, relaxácie a tepelného cyklovania.

3. Potvrďte elektrické a tepelné požiadavky

Jednou z hlavných výhod materiálu krytu batérie SMC  je jeho rovnováha medzi konštrukčným výkonom a elektrickou izoláciou.

Príslušné elektrické vlastnosti môžu zahŕňať:

·  Dielektrická pevnosť

·  Objemový odpor

·  Povrchový odpor

·  Porovnávací index sledovania

·  Odolnosť voči oblúku

·  Izolačný odpor po vystavení vlhkosti

Skúšobné hodnoty by sa mali skontrolovať pri plánovanej hrúbke a po kondicionovaní prostredia. Vlhkosť, kontaminácia, zvýšená teplota a starnutie môžu ovplyvniť elektrický výkon.

Pozorne by sa mali definovať aj tepelné požiadavky. SMC sa bežne nevyberá tak, aby odvádzalo teplo z článkov rovnakým spôsobom ako hliník. Ak je kryt súčasťou systému tepelného manažmentu, projektant musí zvážiť tepelnú vodivosť materiálu a cestu prenosu tepla.

V niektorých konštrukciách je výhodná nízka tepelná vodivosť, pretože spomaľuje prenos tepla. V iných prípadoch potrebuje batéria riadený odvod tepla prostredníctvom vyhradených chladiacich platní. Výber SMC musí byť preto koordinovaný s kompletným návrhom tepelného manažmentu.

4. Priraďte formuláciu SMC k procesu tvarovania

SMC je materiál pripravený na tvarovanie, ktorý pozostáva hlavne zo živice, nasekaného skleneného vlákna, minerálnych plnív, prísad a zahusťovacieho systému. Normálne sa lisuje za tepla a tlaku.

Správna receptúra ​​musí poskytovať výkon hotového dielu a stabilné spracovanie.

Živicový systém

Nenasýtené polyesterové a vinylesterové systémy sú široko používané v SMC. Živica ovplyvňuje mechanické vlastnosti, chemickú odolnosť, zmršťovanie, tepelné správanie a cenu.

Štandardná elektrická trieda SMC by sa nemala automaticky používať pre kryt EV. Môže byť potrebné upraviť formuláciu pre:

·  Vyššia odolnosť proti nárazu

·  Zlepšená odolnosť voči plameňu

·  Nízke zmrštenie

·  Lepšia chemická odolnosť

·  Znížená hustota

·  Vyššia tepelná odolnosť

·  Nízke emisie

·  Požiadavky na automobilový povrch

Obsah sklenených vlákien a dĺžka vlákna

Vyšší obsah skla môže zlepšiť pevnosť a tuhosť, ale môže tiež ovplyvniť tok, vzhľad povrchu a plnenie formy.

Počas lisovania sa orientácia vlákna vyvíja, keď náboj SMC prúdi dutinou. To môže produkovať rôzne vlastnosti v rôznych smeroch. Veľkosť náplne, poloha náplne a vzdialenosť toku by sa preto mali vyhodnotiť počas vývoja procesu.

Pre vysoko zaťažené oblasti môže byť efektívnejšie lokálne vystuženie alebo hybridná štruktúra ako jednoduché zvýšenie obsahu skla v celej časti.

Tok plesní

Veľký kryt batérie EV môže obsahovať rebrá, hlboké časti, tesniace kanály a kovové vložky. SMC musí prúdiť dostatočne ďaleko, aby vyplnil dutinu bez nadmerného oddeľovania vlákien, zvarov alebo zachyteného vzduchu.

Medzi dôležité premenné tvarovania patria:

·  Teplota formy

·  Lisovací tlak

·  Hmotnosť nabitia

·  Vzor nabíjania a pokrytie

·  Rýchlosť zatvárania

·  Doba liečenia

·  Vetranie

·  Hrúbka dielu

·  Prietoková vzdialenosť

·  Pozícia vloženia

Trieda by sa mala skúšať s použitím reprezentatívnej geometrie vždy, keď je to možné.

Kapacita nástrojov a lisu

Veľké kryty batérií vyžadujú lis s dostatočnou veľkosťou dosky, denným svetlom, ovládaním zatvárania a tonážou. Požadovaná lisovacia sila závisí od projektovanej plochy dielu a lisovacieho tlaku – nielen od hmotnosti dielu.

Nástroje by mali riešiť:

·  Rovnomerné vykurovanie

·  Evakuácia vzduchu

·  Ovládanie blesku

·  Presné rozmery tesniacej príruby

·  Odformovanie

·  Umiestnenie vloženia

·  Miestne rozloženie tlaku

Simulácia toku formy a skorá kontrola výroby môžu zabrániť nákladným úpravám po dokončení výrobného nástroja.

Čas cyklu a vytvrdzovanie

SMC musí vytvrdzovať konzistentne v hrubých aj tenkých častiach. Nedostatočné vytvrdenie môže znížiť tepelnú odolnosť, pevnosť a rozmerovú stálosť. Príliš dlhý čas vytvrdzovania však znižuje efektivitu výroby.

Výrobné testy by mali potvrdiť:

·  Minimálny stabilný čas vytvrdzovania

·  Vytvrdzovanie jadra a povrchu

·  Demolačné správanie

·  Zmena rozmerov po vytvorení formy

·  Warpage

·  Povrchové chyby

·  Mechanicko-vlastnostná konzistencia

5. Vyhodnoťte environmentálnu trvanlivosť

Kryty batérií EV fungujú pri meniacich sa teplotách, vlhkosti a podmienkach vozovky. Program materiálovej kvalifikácie by mal predstavovať zamýšľaný trh vozidiel.

Odporúčané hodnotenia môžu zahŕňať:

·  Vystavenie vysokým a nízkym teplotám

·  Tepelné cyklovanie

·  Teplotné a vlhkostné starnutie

·  Absorpcia vody

·  Expozícia soľným postrekom

·  Chemické ponorenie

·  Vystavenie UV žiareniu pre vonkajšie viditeľné časti

·  Vplyv štrku a kameňa

·  Vibrácie po starnutí vplyvom prostredia

·  Výkon tesnenia po cyklovaní

Materiál by sa mal hodnotiť aj spolu s nátermi, lepidlami, tesneniami, vložkami a spojovacími prvkami. Rozdiely v tepelnej rozťažnosti medzi SMC a kovovými komponentmi môžu ovplyvniť zaťaženie spoja a tesniaci výkon.

6. Ovládajte hrúbku, deformáciu a tesniace povrchy

Tesnenie krytu batérie je nevyhnutné na zabránenie vniknutia vody, prachu a nečistôt do balenia. Veľké lisované kryty musia zachovať rovinnosť príruby a rozmerovú presnosť po lisovaní a tepelnom cyklovaní.

Dizajn by sa mal vyhnúť zbytočným zmenám hrúbky. Náhle prechody môžu spôsobiť nerovnomerné prúdenie, vnútorné napätie, stopy po poklese a deformáciu.

Užitočné konštrukčné opatrenia zahŕňajú:

·  Postupné prechody hrúbky

·  Vyvážené usporiadanie rebier

·  Zaoblené vnútorné rohy

·  Konzistentná geometria príruby

·  Správne uhly ponoru

·  Riadený pomer rebier k stene

·  Strategické umiestnenie náboja

·  Skôr lokálne ako nadmerné celkové posilnenie

Systém tesnenia, rozstup skrutiek a prípustné vychýlenie príruby by mali byť definované pred dokončením časti SMC a formy.

Kontrolný zoznam výberu SMC pre kryty batérií EV

Bežné chyby pri výbere SMC

Niekoľko chýb môže oneskoriť projekt krytu batérie EV:

1. Výber materiálu len z údajov UL 94 V-0.
V-0 nepredstavuje celý scenár tepelného úniku alebo požiaru vozidla.

2. Ignorovanie testovanej hrúbky.
Hodnotenie horľavosti alebo dielektrická hodnota sa nemusí vzťahovať na tenšiu výrobnú stenu.

3. Použitie pevnosti kupónu ako kompletnej špecifikácie konštrukcie.
Tok vlákien, rebrá, zvarové línie a vložky ovplyvňujú skutočný výkon komponentov.

4. Určenie maximálnej pevnosti bez zohľadnenia toku formy.
Receptúra ​​musí spoľahlivo naplniť nástroj, ako aj spĺňať mechanické požiadavky.

5. Zaobchádzanie s krytom SMC ako s kópiou kovovej časti.
Kompozitné diely vyžadujú vlastné rebrovanie, prírubu, upevnenie a návrh hrúbky.

6. Overenie materiálu, ale nie zmontovaného krytu.
Tesnenia, spoje, vložky a rozhrania často určujú konečný výkon balenia.

Vlastné SMC riešenia od JLON

JLON dodáva vlastné zmesi SMC  pre elektrické, automobilové a dopravné aplikácie. Pretože batériové systémy EV majú rôznu architektúru krytu a ciele validácie, zloženie SMC by malo byť prispôsobené individuálnemu projektu, a nie vybrané z jednej všeobecnej triedy.

Dostupné smery vývoja zahŕňajú:

·  Nehorľavý SMC 

·  Elektrická izolácia SMC 

·  Vysokopevnostné sklenené vlákno SMC 

·  SMC s nízkym zmršťovaním 

·  Tepelne odolný SMC 

·  SMC odolný voči korózii 

·  SMC pre kryty batérií EV 

·  SMC pre priehradky na batérie a ochranné panely 

·  SMC pre vysokonapäťové elektrické skrine 

·  Automobilové SMC vo farbách na zákazku 

Na odporúčanie vhodnej formulácie JLON zvyčajne kontroluje nasledujúce informácie:

·  Výkres dielu alebo 3D model

·  Zamýšľaná aplikácia

·  Požadovaný požiarny štandard

·  Minimálna hrúbka steny výroby

·  Mechanicko-vlastnostné ciele

·  Požiadavky na elektrický výkon

·  Prevádzkové a špičkové teploty

·  Podmienky vystavenia chemikáliám

·  Hmotnosť a rozmery dielu

·  Informácie o lise a forme

·  Ročný dopyt

·  Požadované skúšobné správy alebo automobilové schválenia

Pred schválením výroby sa dôrazne odporúča tvarovanie prototypu a testovanie reprezentatívnych komponentov.

Záver

Výber SMC pre kryt batérie EV  vyžaduje viac než len porovnanie pevnosti v ťahu alebo požiadavku na všeobecnú triedu spomaľujúcu horenie. Materiál musí fungovať ako súčasť kompletného systému, ktorý zahŕňa geometriu krytu, dizajn tesnenia, vložky, chladiaci systém, batériové moduly a konštrukciu vozidla.

Najlepšia formulácia SMC by mala poskytnúť praktickú rovnováhu:

·  Odolnosť voči ohňu a teplu

·  Mechanická pevnosť a tuhosť

·  Odolnosť voči nárazom a vibráciám

·  Elektrická izolácia

·  Odolnosť proti korózii a chemikáliám

·  Rozmerová stabilita

·  Spoľahlivý tok formy

·  Konkurenčný čas výrobného cyklu

Najdôležitejšie je, že požiarne, štrukturálne a elektrické nároky by mali byť overené pri predpokladanej hrúbke steny a následne overené na hotovom kryte.

Pre nový projekt krytu batérie EV SMC  kontaktujte spoločnosť JLON s vaším výkresom, požiadavkami na výkon a podmienkami lisovania. Náš tím môže pomôcť posúdiť požadované zloženie a pripraviť prispôsobené materiálové riešenie SMC.