Hur man väljer SMC för EV-batterihöljen: Flammotstånd, styrka och formningskrav

Batterihöljen för elfordon måste skydda batterimoduler mot brand, stötar, vibrationer, fukt, vägskräp och elektriska faror. Samtidigt är fordonstillverkarna under konstant press att minska vikten, konsolidera delar och förbättra produktionseffektiviteten.

Plåtformningsmassa, allmänt känd som SMC erbjuder ett effektivt alternativ till batterihöljen i stål, aluminium och termoplast. En korrekt formulerad flamskyddad SMC  kombinerar mekanisk styrka, elektrisk isolering, korrosionsbeständighet och designflexibilitet i en formpressad komponent.

Men inte alla SMC-formuleringar är lämpliga för ett EV-batterihölje. Materialet måste väljas i enlighet med kapslingens design, brandsäkerhetsmål, belastningsförhållanden, driftstemperatur, väggtjocklek och formningsprocess.

Den här guiden förklarar de viktigaste faktorerna som ingenjörer och inköpsteam bör utvärdera när de väljer SMC för EV-batterihöljen.

Varför använda SMC för EV-batterihöljen?

En EV-batterihölje kan inkludera en övre lucka, en nedre bricka, sidoskyddsstrukturer, interna skiljeväggar, servicekåpor och elektriska skyddskomponenter. Beroende på design kan SMC användas för hela huset eller kombineras med en bärande konstruktion av aluminium eller stål.

Jämfört med konventionella metaller, glasfiberarmerad SMC  ger flera fördelar.

Elektrisk isolering

SMC är till sin natur icke-ledande när den är korrekt formulerad. Det kan hjälpa till att isolera högspänningsbatterikomponenter och minska risken för elektrisk kontakt mellan celler, samlingsskenor, kapslingen och fordonskarossen.

Detta är särskilt värdefullt kring kontakter, servicefrånkopplingar och högspänningskomponenter. ISO 6469-3 tar upp skydd mot elektriska stötar och termiska incidenter i spänningsklass-B-kretsar, vilket gör elektrisk isolering till en viktig del av den totala fordonssäkerheten.

Den färdiga kapslingen måste dock fortfarande valideras som ett komplett system. Ett bra dielektriskt värde i ett SMC-datablad bevisar inte automatiskt att det monterade batteripaketet uppfyller elsäkerhetskraven på fordonsnivå.

Korrosions- och kemikaliebeständighet

Till skillnad från stål rostar inte SMC. Den tål exponering för vägsalt, fukt, stänkvatten och många bilvätskor när hartssystemet är korrekt valt.

Detta kan minska behovet av sekundära antikorrosionsbehandlingar. Det hjälper också till att bibehålla kapslingens prestanda under fordonets livslängd, särskilt i kustområden eller marknader där vägsalt används i stor utsträckning.

Kemisk testning bör beakta de faktiska ämnen som förväntas i applikationen, såsom:

·  Blandningar av kylvätska och glykol

·  Smörjmedel och hydraulvätskor

·  Rengöringsmedel

·  Vägsalt

·  Batterielektrolyt

·  Bilbränslen och oljor

Viktminskning

SMC har generellt lägre densitet än stål. Den faktiska viktbesparingen beror på formulering, fiberinnehåll, detaljgeometri, ribbor, insatser och om SMC-komponenten ersätter ett metallhölje eller en strukturell bricka.

En direkt jämförelse av materialdensitet är inte tillräckligt. Ingenjörer bör jämföra vikten av kompletta, funktionellt likvärdiga delar. SMC:s största fördel kommer ofta från att kombinera flera stansade eller svetsade metallkomponenter till en gjuten del.

Delintegration

Formpressning gör att ribbor, utsprång, tätningsspår, monteringsdetaljer, kabelpassager och lokal förstärkning kan införlivas i kapslingen.

Detta kan minska:

·  Antalet separata komponenter

·  Svets- och fästoperationer

·  Monteringstid

·  Dimensionsvariation mellan sammanfogade delar

·  Potentiella läckagevägar

Delintegrering är särskilt användbar för stora batterikåpor och komplexa skyddspaneler.

Dimensionell stabilitet

En väldesignad SMC-formulering för fordon kan ge låg krympning, stabila dimensioner och jämn ytkvalitet. Dessa egenskaper är viktiga för tätning av flänsar, fästelementspositioner och stora plana ytor.

Eftersom batterihöljen kan vara avsevärt större än vanliga elektriska höljen, måste skevhet och lokal tjockleksvariation utvärderas under formflöde och verktygsutveckling.

1. Definiera brandmotståndskravet

Brandprestanda är vanligtvis det första problemet när man väljer en EV batterihölje SMC.

Litiumjonbatteriincidenter kan utsätta en inneslutning för lågor, het gas, tryck, smälta partiklar och snabbt stigande temperaturer. Materialet måste hjälpa till att fördröja brandutbredning och bibehålla en skyddsbarriär tillräckligt länge för att stödja säkerhetsstrategin för batteripaketet.

UL 94 V-0 är en materialklassificering – inte komplett batteriskydd

UL 94 V-0 efterfrågas ofta för flamskyddade plaster och kompositer. Under detta test måste ett material sluta brinna inom specificerade gränser och får inte släppa ut flammande droppar som tänder indikatorn under det.

För mer krävande tillämpningar kan kunder överväga UL 94 5VA eller 5VB. 5V-testet använder en mer allvarlig flamexponering. I placktestet tillåter 5VA inte genombränning, medan 5VB kan tillåta ett hål. UL beskriver UL 94 som en grupp småskaliga tester som bedömer ett materials benägenhet att släcka eller sprida låga efter antändning.

Två kvalifikationer är kritiska:

1. En UL 94-klassificering är kopplad till den testade formuleringen och provets tjocklek.

2. UL 94 återger inte en komplett EV-batteri termisk-runaway-händelse.

En SMC-grad klassad V-0 vid 3 mm ska inte automatiskt beskrivas som V-0 vid 1,5 mm. Begär alltid testrapporten eller certifieringen för en tjocklek som är lika med eller under produktionsväggtjockleken.

Tänk på hela brandscenariot

Tillverkaren av batteripaketet bör definiera om SMC-komponenten måste motstå:

·  Extern bränslebrand

·  Intern cell termisk runaway

·  Direkt låganslag

·  Högtemperaturgasstrålar

·  Partikelpåverkan

·  Strålningsvärme

·  Tryck som genereras inuti förpackningen

·  Brandutbredning mellan moduler

·  Genombränning under en viss period

UNECE-föreskrifter nr 100 innehåller säkerhetskrav för laddningsbara system för lagring av elektrisk energi, som täcker mekaniska, termiska, elektriska och miljömässiga påfrestningar. Dess krav gäller för REESS och fordonssystemet snarare än att bevilja efterlevnad baserat på ett höljematerial. UNECE R100 testöversikt

SAE J2464 tillhandahåller på samma sätt ett ramverk för missbrukstestning av laddningsbara energilagringssystem under förhållanden utanför deras normala driftsområde.

Därför bör SMC-specifikationen inte stanna vid 'flamskyddsmedel'. Den bör inkludera den avsedda testmetoden, provets tjocklek, exponeringsförhållanden och acceptanskriterier.

Viktiga brandrelaterade egenskaper att begära

När du jämför flamskyddade SMC-föreningar , begär tillgängliga data för:

·  UL 94 klassificering och testad tjocklek

·  Begränsande syreindex, om tillämpligt

·  Horisontellt och vertikalt brinnande beteende

·  Tändningstid

·  Flamspridande beteende

·  Röktäthet

·  Krav på giftiga gaser

·  Värmeavgivande prestanda

·  Genombränningsmotstånd

·  Mekanisk retention efter värmeexponering

·  Värmeledningsförmåga och värmeöverföring

·  Maximal kortvarig temperaturexponering

Den kombination som krävs beror på om SMC används som en övre kåpa, underrede, inre barriär eller icke-strukturell elektrisk komponent.

2. Ange mekanisk prestanda efter belastningsfall

Ett batterihölje är inte bara en låda. Den kan behöva bära batterimodulerna, motstå fordonsvibrationer, skydda mot stötar och behålla sin tätningsyta under hela fordonets livstid.

Av denna anledning är det inte tillräckligt att välja SMC baserat på draghållfasthet.

Drag- och böjningsprestanda

Draghållfasthet anger hur materialet reagerar på dragbelastningar, medan böjhållfasthet är särskilt relevant för breda paneler som utsätts för böjning.

Den tekniska specifikationen bör innehålla:

·  Draghållfasthet och dragmodul

·  Böjhållfasthet och böjmodul

·  Förlängning vid brott

·  Slagfast och omärkt slaghållfasthet

·  Skjuvprestanda där tillämpligt

För ett stort batterilock kan styvhet vara viktigare än slutlig draghållfasthet. Otillräcklig styvhet kan tillåta panelen att böjas, påverka packningens tätning eller skapa kontakt med interna komponenter.

Slaghållfasthet

Underredes batterihöljen kan utsättas för stenslag, tappade föremål, vägskräp och lokal penetrationsbelastning. Övre kåpor kan också behöva tåla service- och monteringsbelastningar.

SMC-formulering, glasfiberlängd, fiberinnehåll och formfiberorientering påverkar alla slagbeteendet. Ett betyg med högt värde från ett enkelt kupongtest kan ändå kräva lokal förstärkning i utsatta områden.

Ingenjörer bör utvärdera den gjutna komponenten under representativa stötförhållanden snarare än att endast förlita sig på standardmaterialprover.

Vibrationer och trötthet

EV-batterier upplever kontinuerliga vibrationer och upprepad mekanisk belastning. Potentiella felplatser inkluderar:

·  Fästhål

·  Metallinsatser

·  Skarpa hörn

·  Ribbkorsningar

·  Tunna till tjocka övergångar

·  Monteringspunkter

·  Kanter runt stora öppningar

Utmattningsprestanda beror på materialformulering, formningskvalitet och komponentdesign. SMC-leverantören bör granska kritiska områden tillsammans med formdesignern och batteripaketstillverkaren.

Kryp- och fästretention

Batterikåpor är ofta fastskruvade i en metallbricka. Ihållande klämbelastningar kan orsaka krypning eller lokal spänningsavslappning i polymerbaserade material.

Designen kan kräva:

·  Större lastfördelningsområden

·  Kompressionsbegränsare av metall

·  Ingjutna skär

·  Kontrollerat åtdragningsmoment

·  Lokal väggtjocklek ökar

·  Förstärkning runt monteringspunkter

Utdragnings-, vridmoment-, relaxations- och termisk cyklingstester bör utföras på det föreslagna insats- och fästsystemet.

3. Bekräfta elektriska och termiska krav

En av de stora fördelarna med SMC-batterihöljesmaterial  är dess balans mellan strukturell prestanda och elektrisk isolering.

Relevanta elektriska egenskaper kan vara:

·  Dielektrisk styrka

·  Volymresistivitet

·  Ytresistivitet

·  Jämförande spårningsindex

·  Bågmotstånd

·  Isolationsmotstånd efter fuktexponering

Testvärden bör ses över vid avsedd tjocklek och efter miljökonditionering. Fukt, kontaminering, förhöjd temperatur och åldrande kan påverka den elektriska prestandan.

Termiska krav bör också definieras noggrant. SMC väljs normalt inte för att leda bort värme från celler på samma sätt som aluminium. Om kapslingen är en del av värmeledningssystemet måste konstruktören beakta materialets värmeledningsförmåga och värmeöverföringsväg.

I vissa konstruktioner är låg värmeledningsförmåga fördelaktig eftersom den saktar ner värmeöverföringen. I andra behöver batteriet kontrollerad värmeavledning genom dedikerade kylplattor. SMC-valet måste därför samordnas med den kompletta värmehanteringsdesignen.

4. Matcha SMC-formuleringen med gjutningsprocessen

SMC är ett formfärdigt material som huvudsakligen består av harts, hackad glasfiber, mineralfyllmedel, tillsatser och ett förtjockningssystem. Det är normalt formpressat under värme och tryck.

Den korrekta formuleringen måste ge både den färdiga delens prestanda och stabil bearbetning.

Hartssystem

Omättade polyester- och vinylestersystem används ofta i SMC. Hartset påverkar mekanisk prestanda, kemikaliebeständighet, krympning, termiskt beteende och kostnad.

En elektrisk standard SMC bör inte automatiskt användas för en EV-kapsling. Formuleringen kan behöva justeras för:

·  Högre slagtålighet

·  Förbättrat flamskydd

·  Låg krympning

·  Bättre kemikaliebeständighet

·  Minskad densitet

·  Högre värmebeständighet

·  Låga utsläpp

·  Ytkrav för fordon

Glasfiberinnehåll och fiberlängd

Högre glashalt kan förbättra styrkan och styvheten, men det kan också påverka flödet, ytutseendet och mögelfyllningen.

Under formpressning utvecklas fiberorientering när SMC-laddningen strömmar genom kaviteten. Detta kan ge olika egenskaper i olika riktningar. Laddningsstorlek, laddningsposition och flödesavstånd bör därför utvärderas under processutvecklingen.

För högt belastade områden kan lokal förstärkning eller en hybridstruktur vara effektivare än att bara öka glashalten genom hela delen.

Mögelflöde

Ett stort elbilsbatteri kan innehålla ribbor, djupa sektioner, tätningskanaler och metallinsatser. SMC:n måste flöda tillräckligt långt för att fylla kaviteten utan överdriven fiberseparation, svetslinjer eller instängd luft.

Viktiga formningsvariabler inkluderar:

·  Formtemperatur

·  Formtryck

·  Laddvikt

·  Laddningsmönster och täckning

·  Stängningshastighet

·  Härdningstid

·  Avluftning

·  Deltjocklek

·  Flödesavstånd

·  Insättningsläge

Betyget bör prövas med representativ geometri när så är möjligt.

Verktygs- och presskapacitet

Stora batteriluckor kräver en press med tillräckligt stor valsstorlek, dagsljus, stängningskontroll och tonnage. Erforderlig presskraft beror på projicerad delarea och formtryck – inte bara delens vikt.

Verktyg bör adressera:

·  Jämn uppvärmning

·  Luftevakuering

·  Blixtkontroll

·  Noggranna tätningsflänsmått

·  Avformning

·  Insatspositionering

·  Lokal tryckfördelning

Simulering av mögelflöde och tidig tillverkningsgenomgång kan förhindra kostsamma modifieringar efter att produktionsverktyget har färdigställts.

Cykeltid och härdning

SMC måste härda konsekvent över både tjocka och tunna sektioner. Otillräcklig härdning kan minska värmebeständigheten, styrkan och dimensionsstabiliteten. För lång härdningstid sänker dock produktionseffektiviteten.

Produktionsförsök bör bekräfta:

·  Minsta stabil härdningstid

·  Kärn- och ythärdning

·  Demolding beteende

·  Dimensionell förändring efter formen

·  Vridning

·  Ytdefekter

·  Konsistens av mekaniska egenskaper

5. Utvärdera miljömässig hållbarhet

EV-batterihöljen fungerar under växlande temperatur, luftfuktighet och vägförhållanden. Materialkvalificeringsprogrammet bör representera den avsedda fordonsmarknaden.

Rekommenderade utvärderingar kan inkludera:

·  Exponering vid hög och låg temperatur

·  Termisk cykling

·  Temperatur och fuktighets åldrande

·  Vattenabsorption

·  Saltsprutexponering

·  Kemisk nedsänkning

·  UV-exponering för externt synliga delar

·  Grus- och stenpåverkan

·  Vibrationer efter miljöåldring

·  Tätningsprestanda efter cykling

Materialet bör också utvärderas tillsammans med beläggningar, lim, packningar, insatser och fästelement. Skillnader i termisk expansion mellan SMC och metallkomponenter kan påverka fogbelastningar och tätningsprestanda.

6. Kontrollera tjocklek, skevhet och tätningsytor

Tätning av batterihöljet är avgörande för att förhindra att vatten, damm och föroreningar kommer in i förpackningen. Stora gjutna lock måste bibehålla flänsens planhet och dimensionsnoggrannhet efter gjutning och termisk cykling.

Konstruktionen ska undvika onödig tjockleksvariation. Plötsliga övergångar kan skapa ojämnt flöde, inre stress, sjunkmärken och skevhet.

Användbara designåtgärder inkluderar:

·  Gradvisa tjockleksövergångar

·  Balanserade revbensarrangemang

·  Rundade invändiga hörn

·  Konsekvent flänsgeometri

·  Rätt dragvinklar

·  Kontrollerade rib-till-vägg-förhållanden

·  Strategisk laddningsplacering

·  Lokal snarare än överdriven övergripande förstärkning

Packningssystemet, bultavståndet och tillåten flänsavböjning bör definieras innan SMC-delen och formen slutförs.

SMC urvalschecklista för EV-batterihöljen

Vanliga SMC-valsmisstag

Flera misstag kan försena ett EV-batterikapslingsprojekt:

1. Val av material endast från UL 94 V-0 data.
V-0 representerar inte hela scenariot med termisk flykt eller fordonsbrand.

2. Ignorera den testade tjockleken.
En brandfarlighetsklassning eller dielektriskt värde kanske inte gäller för en tunnare produktionsvägg.

3. Använder kupongstyrkan som den fullständiga strukturella specifikationen.
Fiberflöde, ribbor, svetslinjer och skär påverkar faktisk komponentprestanda.

4. Specificerar maximal styrka utan att ta hänsyn till mögelflödet.
En formulering måste fylla verktyget tillförlitligt samt uppfylla mekaniska krav.

5. Behandla ett SMC-hölje som en drop-in-kopia av en metalldel.
Kompositdelar kräver sin egen ribba, fläns, infästning och tjockleksdesign.

6. Validerar materialet men inte den monterade kapslingen.
Tätningar, skarvar, skär och gränssnitt bestämmer ofta slutförpackningens prestanda.

Anpassade SMC-lösningar från JLON

JLON levererar skräddarsydda SMC-blandningar  för el-, bil- och transportapplikationer. Eftersom EV-batterisystem har olika kapslingsarkitekturer och valideringsmål, bör SMC-formuleringen matchas till det individuella projektet snarare än att väljas från en enda allmän klass.

Tillgängliga utvecklingsanvisningar inkluderar:

·  Flamskyddande SMC 

·  Elektrisk isolering SMC 

·  Höghållfast glasfiber SMC 

·  Lågkrympande SMC 

·  Värmebeständig SMC 

·  Korrosionsbeständig SMC 

·  SMC för batteriluckor för elbilar 

·  SMC för batteribrickor och skyddspaneler 

·  SMC för elkapslingar med hög spänning 

·  Specialfärgade SMC för fordon 

För att rekommendera en lämplig formulering granskar JLON normalt följande information:

·  Delritning eller 3D-modell

·  Avsedd tillämpning

·  Erforderlig brandstandard

·  Minsta produktionsväggtjocklek

·  Mål för mekaniska egenskaper

·  Krav på elektriska prestanda

·  Drift- och topptemperaturer

·  Förhållanden för kemisk exponering

·  Delens vikt och mått

·  Press- och forminformation

·  Årlig efterfrågan

·  Obligatoriska testrapporter eller fordonsgodkännanden

Prototypgjutning och representativ komponenttestning rekommenderas starkt innan tillverkningsgodkännande.

Slutsats

Att välja SMC för en EV-batterikapsling  kräver mer än att jämföra draghållfasthet eller begära en allmän flamskyddsklass. Materialet ska fungera som en del av ett komplett system som inkluderar kapslingens geometri, tätningsdesign, insatser, kylsystem, batterimoduler och fordonsstruktur.

Den bästa SMC-formuleringen bör ge en praktisk balans mellan:

·  Flam- och värmebeständighet

·  Mekanisk styrka och styvhet

·  Hållbarhet för stötar och vibrationer

·  Elektrisk isolering

·  Korrosions- och kemikaliebeständighet

·  Dimensionell stabilitet

·  Pålitligt mögelflöde

·  Konkurrenskraftig produktionscykeltid

Det viktigaste är att brand-, konstruktions- och elektriska påståenden ska verifieras vid den avsedda väggtjockleken och sedan valideras på den färdiga kapslingen.

Kontakta JLON för ett nytt EV-batterihölje SMC-  projekt med din ritning, prestandakrav och formningsvillkor. Vårt team kan hjälpa till att bedöma den nödvändiga formuleringen och förbereda en skräddarsydd SMC-materiallösning.