Kako izbrati SMC za ohišja baterij EV: Zahteve glede odpornosti proti ognju, trdnosti in oblikovanja

Ohišja baterij za električna vozila morajo ščititi baterijske module pred ognjem, udarci, vibracijami, vlago, odpadki s ceste in električnimi nevarnostmi. Hkrati so proizvajalci vozil pod nenehnim pritiskom zmanjšanja teže, konsolidacije delov in izboljšanja proizvodne učinkovitosti.

Masa za oblikovanje pločevine, splošno znana kot SMC ponuja učinkovito alternativo jeklenim, aluminijastim in termoplastičnim baterijskim ohišjem. Pravilno formuliran ognjevarni SMC  združuje mehansko trdnost, električno izolacijo, odpornost proti koroziji in prilagodljivost zasnove v kompresijsko uliti komponenti.

Vendar ni vsaka formulacija SMC primerna za ohišje baterije EV. Material je treba izbrati glede na zasnovo ohišja, cilj požarne varnosti, pogoje obremenitve, delovno temperaturo, debelino stene in postopek oblikovanja.

Ta vodnik pojasnjuje glavne dejavnike, ki bi jih morali oceniti inženirji in nabavne ekipe pri izbiri SMC za ohišja baterij za EV.

Zakaj uporabljati SMC za EV baterijska ohišja?

Ohišje za baterijo EV lahko vključuje zgornji pokrov, spodnji pladenj, stranske zaščitne strukture, notranje predelne stene, servisne pokrove in komponente električne zaščite. Odvisno od izvedbe se lahko SMC uporablja za celotno ohišje ali v kombinaciji z aluminijasto ali jekleno nosilno strukturo.

V primerjavi z običajnimi kovinami, SMC, ojačan s steklenimi vlakni,  nudi številne prednosti.

Električna izolacija

SMC je sama po sebi neprevodna, če je pravilno formulirana. Lahko pomaga izolirati visokonapetostne komponente akumulatorja in zmanjša tveganje električnega stika med celicami, zbiralkami, ohišjem in karoserijo vozila.

To je še posebej pomembno pri konektorjih, servisnih odklopih in visokonapetostnih komponentah. ISO 6469-3 obravnava zaščito pred električnim udarom in toplotnimi incidenti v tokokrogih napetostnega razreda B, zaradi česar je električna izolacija pomemben del splošne varnosti vozila.

Končano ohišje pa mora biti še vedno validirano kot celoten sistem. Dobra dielektrična vrednost v podatkovnem listu SMC ne dokazuje samodejno, da sestavljena baterija izpolnjuje zahteve električne varnosti na ravni vozila.

Odpornost proti koroziji in kemikalijam

Za razliko od jekla SMC ne rjavi. Če je sistem smole pravilno izbran, lahko prenese izpostavljenost soli za posipanje, vlagi, škropljenju vode in številnim avtomobilskim tekočinam.

To lahko zmanjša potrebo po sekundarni protikorozijski obdelavi. Pomaga tudi vzdrževati učinkovitost ohišja skozi celotno življenjsko dobo vozila, zlasti v obalnih regijah ali na trgih, kjer se sol za posipanje posipal na veliko uporablja.

Pri kemijskem testiranju je treba upoštevati dejanske snovi, pričakovane v aplikaciji, kot so:

·  Mešanice hladilne tekočine in glikola

·  Maziva in hidravlične tekočine

~!phoenix_var340_0!~ ~!phoenix_var340_1!~

~!phoenix_var341_0!~ ~!phoenix_var341_1!~

~!phoenix_var342_0!~ ~!phoenix_var342_1!~

·  Avtomobilska goriva in olja

SMC ima na splošno manjšo gostoto kot jeklo. Dejanski prihranek teže je odvisen od formulacije, vsebnosti vlaken, geometrije delov, reber, vstavkov in tega, ali komponenta SMC nadomešča kovinski pokrov ali strukturni pladenj.

Neposredna primerjava gostote materiala ni dovolj. Inženirji bi morali primerjati težo celotnih, funkcionalno enakovrednih delov. Največja prednost SMC pogosto izvira iz združevanja več vtisnjenih ali varjenih kovinskih komponent v en oblikovan del.

Integracija delov

Kompresijsko oblikovanje omogoča vgradnjo reber, izboklin, tesnilnih utorov, elementov za montažo, prehodov kablov in lokalne ojačitve v ohišje.

To lahko zmanjša:

·  Število ločenih komponent

·  Varjenje in pritrjevanje

·  Čas sestavljanja

·  Dimenzijska razlika med spojenimi deli

·  Potencialne poti uhajanja

Integracija delov je še posebej uporabna za velike pokrove baterij in kompleksne zaščitne plošče.

Dimenzijska stabilnost

Dobro zasnovana avtomobilska formula SMC lahko zagotovi nizko krčenje, stabilne dimenzije in dosledno kakovost površine. Te lastnosti so pomembne za tesnjenje prirobnic, položajev pritrdilnih elementov in velikih ravnih površin.

Ker so ohišja za baterije lahko precej večja od standardnih električnih ohišij, je treba med razvojem kalupov in razvojem orodij oceniti zvijanje in lokalno variacijo debeline.

1. Določite zahteve glede požarne odpornosti

Požarna učinkovitost je običajno prva skrb pri izbiri Ohišje za baterije EV SMC.

Nesreče z litij-ionsko baterijo lahko izpostavijo ohišje plamenu, vročemu plinu, tlaku, staljenim delcem in hitro naraščajočim temperaturam. Material mora pomagati pri odložitvi širjenja požara in vzdrževati zaščitno pregrado dovolj dolgo, da podpira varnostno strategijo baterijskega paketa.

UL 94 V-0 je klasifikacija materiala – ne popolna zaščita baterije

UL 94 V-0 se pogosto zahteva za negorljivo plastiko in kompozite. Pri tem preskusu mora material prenehati goreti v določenih mejah in ne sme sproščati gorečih kapljic, ki vžgejo indikator pod njim.

Za zahtevnejše aplikacije lahko kupci razmislijo o UL 94 5VA ali 5VB. Preizkus 5 V uporablja močnejšo izpostavljenost plamenu. Pri preizkusu plaka 5VA ne dovoli prežganja, medtem ko 5VB lahko dovoli luknjo. UL opisuje UL 94 kot skupino testov majhnega obsega, ki ocenjuje nagnjenost materiala k ugasnitvi ali širjenju plamena po vžigu.

Ključni sta dve kvalifikaciji:

1. Ocena UL 94 je povezana s testirano formulacijo in debelino vzorca.

2. UL 94 ne reproducira celotnega dogodka termičnega pobega baterije EV.

Razred SMC z oceno V-0 pri 3 mm ne sme biti samodejno opisan kot V-0 pri 1,5 mm. Vedno zahtevajte poročilo o preskusu ali potrdilo za debelino, ki je enaka ali nižja od proizvodne debeline stene.

Razmislite o celotnem scenariju požara

Proizvajalec paketa baterij mora opredeliti, ali mora biti komponenta SMC odporna na:

·  Zunanji požar goriva

·  Toplotni odvod notranje celice

·  Neposredni udar plamena

·  Visokotemperaturni plinski curki

·  Udar delcev

·  Sevalna toplota

·  Tlak, ustvarjen znotraj embalaže

·  Širjenje ognja med moduli

·  Izgorevanje za določeno obdobje

Pravilnik UNECE št. 100 vključuje varnostne zahteve za sisteme za shranjevanje električne energije z možnostjo polnjenja, ki zajemajo mehanske, toplotne, električne in okoljske obremenitve. Njegove zahteve veljajo za sistem REESS in sistem vozila, namesto da bi zagotovili skladnost na podlagi enega materiala ohišja. Pregled testiranja UNECE R100

SAE J2464 podobno zagotavlja okvir za testiranje zlorabe sistemov za shranjevanje energije za ponovno polnjenje v pogojih zunaj njihovega običajnega delovnega območja.

Zato se specifikacija SMC ne sme ustaviti pri 'zaviralec gorenja'. Vključevati mora predvideno preskusno metodo, debelino vzorca, pogoje izpostavljenosti in merila sprejemljivosti.

Ključne lastnosti, povezane s požarom, ki jih je treba zahtevati

Pri primerjavi negorljivih spojin SMC zahtevajte razpoložljive podatke za:

·  Klasifikacija UL 94 in testirana debelina

·  Mejni kisikov indeks, če je primeren

·  Vodoravno in navpično goreče obnašanje

·  Čas vžiga

·  Obnašanje pri širjenju ognja

·  Gostota dima

·  Zahteve glede strupenih plinov

·  Zmogljivost oddajanja toplote

·  Odpornost proti pregorevanju

·  Mehansko zadrževanje po izpostavljenosti toploti

·  Toplotna prevodnost in prenos toplote

·  Največja kratkotrajna izpostavljenost temperaturi

Zahtevana kombinacija je odvisna od tega, ali se SMC uporablja kot zgornji pokrov, podvozje, notranja pregrada ali nestrukturna električna komponenta.

2. Določite mehansko zmogljivost glede na primer obremenitve

Ohišje za baterije ni le škatla. Morda bo moral prenašati baterijske module, vzdrževati tresljaje vozila, ščititi pred udarci in ohranjati svojo tesnilno površino skozi celotno življenjsko dobo vozila.

Iz tega razloga izbira SMC samo na podlagi natezne trdnosti ne zadostuje.

Natezna in upogibna zmogljivost

Natezna trdnost kaže, kako se material odziva na vlečne obremenitve, medtem ko je upogibna trdnost še posebej pomembna za široke plošče, ki so izpostavljene upogibanju.

Tehnična specifikacija mora vsebovati:

·  Natezna trdnost in natezni modul

·  Upogibna trdnost in upogibni modul

·  Raztezek ob pretrganju

·  Udarna trdnost z zarezo in brez zareze

·  Strižna zmogljivost, kjer je primerno

Za velik pokrov baterije je lahko togost pomembnejša od končne natezne trdnosti. Nezadostna togost lahko povzroči deformacijo plošče, kar vpliva na tesnilo ali ustvari stik z notranjimi komponentami.

Odpornost na udarce

Ohišja za baterije pod karoserijo so lahko izpostavljena udarcem kamna, padcem predmetov, cestnim odpadkom in lokalnim obremenitvam zaradi preboja. Zgornji pokrovi bodo morda morali prenesti tudi servisne in montažne obremenitve.

Formula SMC, dolžina steklenih vlaken, vsebnost vlaken in usmerjenost oblikovanih vlaken vplivajo na obnašanje pri udarcu. Ocena z visoko vrednostjo iz preprostega kuponskega testa lahko še vedno zahteva lokalno okrepitev na ranljivih območjih.

Inženirji bi morali oceniti oblikovano komponento pod reprezentativnimi udarnimi pogoji, namesto da bi se zanašali samo na vzorce standardnih materialov.

Vibracije in utrujenost

Akumulatorji električnih vozil so izpostavljeni stalnim vibracijam in ponavljajočim se mehanskim obremenitvam. Morebitne lokacije napak vključujejo:

·  Luknje za pritrdilne elemente

·  Kovinski vložki

·  Ostri vogali

·  Rebrasta križišča

·  Prehodi iz tankega v debelo

·  Montažne točke

·  Robovi okoli velikih odprtin

Učinkovitost utrujenosti je odvisna od formulacije materiala, kakovosti oblikovanja in zasnove komponent. Dobavitelj SMC mora pregledati kritična področja skupaj z oblikovalcem kalupov in proizvajalcem baterij.

Lezenje in zadrževanje pritrjevanja

Pokrovi baterij so pogosto privijačeni na kovinski pladenj. Vzdržljive obremenitve sponk lahko povzročijo lezenje ali lokalno sprostitev napetosti v materialih na osnovi polimerov.

Zasnova lahko zahteva:

·  Večje površine za porazdelitev obremenitve

·  Kovinski omejevalniki stiskanja

·  Vliti vložki

·  Nadzorovan zatezni moment

·  Lokalno se poveča debelina stene

·  Ojačitev okoli pritrdilnih točk

Na predlaganem vložku in pritrdilnem sistemu je treba opraviti preskuse izvleka, navora, sprostitve in termičnih ciklov.

3. Potrdite električne in toplotne zahteve

Ena glavnih prednosti materiala ohišja baterije SMC  je njegovo ravnovesje med strukturno zmogljivostjo in električno izolacijo.

Pomembne električne lastnosti lahko vključujejo:

·  Dielektrična trdnost

·  Volumski upor

·  Površinska upornost

·  Primerjalni indeks sledenja

·  Odpornost proti obloku

·  Izolacijska odpornost po izpostavljenosti vlagi

Testne vrednosti je treba pregledati pri predvideni debelini in po kondicioniranju okolja. Vlaga, onesnaženje, povišana temperatura in staranje lahko vplivajo na električno delovanje.

Prav tako je treba skrbno opredeliti toplotne zahteve. SMC običajno ni izbran za odvajanje toplote stran od celic na enak način kot aluminij. Če je ohišje del sistema za upravljanje toplote, mora načrtovalec upoštevati toplotno prevodnost materiala in pot prenosa toplote.

Pri nekaterih oblikah je nizka toplotna prevodnost koristna, ker upočasni prenos toplote. V drugih pa baterija potrebuje nadzorovano odvajanje toplote prek namenskih hladilnih plošč. Izbira SMC mora biti zato usklajena s celotno zasnovo toplotnega upravljanja.

4. Uskladite formulacijo SMC s postopkom oblikovanja

SMC je material, pripravljen za oblikovanje, sestavljen predvsem iz smole, sesekljanih steklenih vlaken, mineralnih polnil, dodatkov in sistema za zgoščevanje. Običajno se stisne pod toploto in pritiskom.

Pravilna formulacija mora zagotavljati zmogljivost končnega dela in stabilno obdelavo.

Sistem smole

Sistemi nenasičenega poliestra in vinilestra se pogosto uporabljajo v SMC. Smola vpliva na mehansko zmogljivost, kemično odpornost, krčenje, toplotno obnašanje in ceno.

Standardnega električnega razreda SMC se ne bi smelo samodejno uporabljati za ohišje EV. Morda bo treba formulacijo prilagoditi za:

·  Večja odpornost na udarce

·  Izboljšana odpornost proti ognju

·  Majhno krčenje

·  Boljša kemična odpornost

·  Zmanjšana gostota

·  Večja toplotna odpornost

·  Nizke emisije

·  Zahteve za avtomobilske površine

Vsebnost steklenih vlaken in dolžina vlaken

Večja vsebnost stekla lahko izboljša trdnost in togost, lahko pa vpliva tudi na pretok, videz površine in polnjenje kalupa.

Med stiskanjem se razvije orientacija vlaken, ko naboj SMC teče skozi votlino. To lahko povzroči različne lastnosti v različnih smereh. Velikost polnjenja, položaj polnjenja in razdaljo pretoka je zato treba oceniti med razvojem procesa.

Za zelo obremenjena območja je lahko lokalna ojačitev ali hibridna struktura učinkovitejša od preprostega povečanja vsebnosti stekla po celotnem delu.

Tok plesni

Veliko ohišje za baterije EV lahko vsebuje rebra, globoke dele, tesnilne kanale in kovinske vložke. SMC mora teči dovolj daleč, da zapolni votlino brez pretiranega ločevanja vlaken, zvarnih linij ali ujetega zraka.

Pomembne spremenljivke oblikovanja vključujejo:

·  Temperatura kalupa

·  Tlak za vlivanje

·  Teža polnjenja

·  Vzorec polnjenja in pokritost

·  Hitrost zapiranja

·  Čas strjevanja

·  Prezračevanje

·  Debelina dela

·  Razdalja pretoka

·  Položaj za vstavljanje

Oceno je treba preizkusiti z uporabo reprezentativne geometrije, kadar koli je to mogoče.

Zmogljivost orodja in stiskalnice

Veliki pokrovi baterij zahtevajo stiskalnico z zadostno velikostjo plošče, dnevno svetlobo, nadzorom zapiranja in tonažo. Zahtevana sila stiskanja je odvisna od predvidene površine dela in tlaka oblikovanja – ne le teže dela.

Orodja morajo obravnavati:

·  Enotno ogrevanje

·  Evakuacija zraka

·  Nadzor bliskavice

·  Natančne mere tesnilne prirobnice

·  Odstranjevanje iz kalupa

·  Položaj vložka

·  Lokalna porazdelitev tlaka

Simulacija toka kalupa in zgodnji pregled proizvodnje lahko preprečita drage spremembe po tem, ko je proizvodno orodje dokončano.

Čas cikla in strjevanje

SMC se mora dosledno strjevati na debelih in tankih delih. Neustrezno strjevanje lahko zmanjša toplotno odpornost, trdnost in dimenzijsko stabilnost. Predolg čas sušenja pa zmanjša učinkovitost proizvodnje.

Proizvodni poskusi morajo potrditi:

·  Minimalni čas stabilnega strjevanja

·  Strjevanje jedra in površine

·  Obnašanje pri odstranjevanju iz kalupa

·  Sprememba dimenzij po kalupu

·  Zvitost

·  Površinske napake

·  Konsistentnost mehanskih lastnosti

5. Ocenite okoljsko vzdržljivost

Ohišja za baterije EV delujejo pri spreminjajočih se temperaturi, vlažnosti in razmerah na cesti. Program kvalifikacije materiala bi moral predstavljati predvideni trg vozil.

Priporočene ocene lahko vključujejo:

·  Izpostavljenost visokim in nizkim temperaturam

·  Toplotno kroženje

·  Staranje zaradi temperature in vlage

·  Absorpcija vode

·  Izpostavljenost solnemu prhu

·  Kemična potopitev

·  UV izpostavljenost zunanjim vidnim delom

·  Udar gramoza in kamna

·  Vibracije po staranju v okolju

·  Učinkovitost tesnjenja po cikliranju

Material je treba oceniti tudi skupaj s premazi, lepili, tesnili, vložki in pritrdilnimi elementi. Razlike v toplotnem raztezanju med SMC in kovinskimi komponentami lahko vplivajo na obremenitve spojev in učinkovitost tesnjenja.

6. Kontrolirajte debelino, zvijanje in tesnilne površine

Tesnjenje ohišja baterije je bistvenega pomena za preprečevanje vdora vode, prahu in onesnaževalcev v paket. Veliki oblikovani pokrovi morajo ohraniti ravnost prirobnice in dimenzijsko natančnost po oblikovanju in termičnem ciklu.

Zasnova se mora izogibati nepotrebnim spremembam debeline. Nenadni prehodi lahko povzročijo neenakomeren tok, notranjo napetost, ugreznine in zvijanje.

Uporabni ukrepi oblikovanja vključujejo:

·  Postopni prehodi debeline

·  Uravnotežena razporeditev reber

·  Zaobljeni notranji vogali

·  Dosledna geometrija prirobnice

·  Pravilni ugrezni koti

·  Nadzorovano razmerje med rebri in steno

·  Strateška postavitev bremenitev

·  Lokalna namesto pretirana splošna okrepitev

Sistem tesnil, razmik med vijaki in dovoljeno deformacijo prirobnice je treba določiti, preden sta SMC del in kalup dokončana.

Kontrolni seznam za izbiro SMC za ohišja baterij EV

Pogoste napake pri izbiri SMC

Več napak lahko upočasni projekt ohišja baterij za EV:

1. Izbira materiala samo iz podatkov UL 94 V-0.
V-0 ne predstavlja celotnega scenarija toplotnega pobega ali požara vozila.

2. Ignoriranje testirane debeline.
Stopnja vnetljivosti ali dielektrična vrednost morda ne velja za tanjšo proizvodno steno.

3. Uporaba jakosti kupona kot popolne strukturne specifikacije.
Pretok vlaken, rebra, varjene linije in vložki vplivajo na dejansko delovanje komponent.

4. Določanje največje trdnosti brez upoštevanja toka kalupa.
Formulacija mora zanesljivo napolniti orodje in izpolnjevati mehanske zahteve.

5. Obravnavanje pokrova SMC kot kopije kovinskega dela.
Kompozitni deli zahtevajo svojo zasnovo reber, prirobnice, pritrditve in debeline.

6. Preverjanje materiala, ne pa tudi sestavljenega ohišja.
Tesnila, spoji, vstavki in vmesniki pogosto določajo končno zmogljivost paketa.

Rešitve SMC po meri podjetja JLON

JLON dobavlja spojine SMC po meri  za električne, avtomobilske in transportne aplikacije. Ker imajo sistemi baterij za električna vozila različne arhitekture ohišij in cilje validacije, je treba formulacijo SMC uskladiti s posameznim projektom, namesto da bi jo izbrali iz enega samega splošnega razreda.

Razpoložljive smeri razvoja vključujejo:

·  Ognjevarna SMC 

·  Električna izolacija SMC 

·  Visoko trdna steklena vlakna SMC 

·  SMC z majhnim krčenjem 

·  Toplotno odporen SMC 

·  Odporen na korozijo SMC 

·  SMC za pokrove baterij EV 

·  SMC za baterije in zaščitne plošče 

·  SMC za visokonapetostna električna ohišja 

·  Avtomobilski SMC v barvi po meri 

Za priporočilo primerne formulacije JLON običajno pregleda naslednje informacije:

·  Risba dela ali 3D model

·  Predvidena uporaba

·  Zahtevani požarni standard

·  Minimalna proizvodna debelina stene

·  Tarče mehanskih lastnosti

·  Zahteve glede električnih zmogljivosti

·  Delovne in konične temperature

·  Pogoji izpostavljenosti kemikalijam

·  Teža in mere delov

·  Informacije o tisku in kalupih

·  Letno povpraševanje

·  Zahtevana poročila o preskusih ali avtomobilska dovoljenja

Pred odobritvijo proizvodnje se močno priporoča oblikovanje prototipa in reprezentativno testiranje komponent.

Zaključek

Izbira SMC za ohišje baterije EV  zahteva več kot le primerjavo natezne trdnosti ali zahtevo po splošni stopnji negorljivosti. Material mora delovati kot del celotnega sistema, ki vključuje geometrijo ohišja, zasnovo tesnil, vložke, hladilni sistem, baterijske module in strukturo vozila.

Najboljša formulacija SMC mora zagotoviti praktično ravnovesje:

·  Odpornost na plamen in toploto

·  Mehanska trdnost in togost

·  Odpornost na udarce in vibracije

·  Električna izolacija

·  Odpornost proti koroziji in kemikalijam

·  Dimenzijska stabilnost

·  Zanesljiv pretok kalupa

·  Konkurenčni čas proizvodnega cikla

Najpomembneje je, da je treba požarne, strukturne in električne trditve preveriti pri predvideni debelini stene in nato potrditi na končnem ohišju.

Za nov projekt SMC ohišja za baterije za EV  se obrnite na JLON z vašo risbo, zahtevami glede zmogljivosti in pogoji oblikovanja. Naša ekipa lahko pomaga oceniti zahtevano formulacijo in pripravi prilagojeno rešitev materiala SMC.