Як вибрати SMC для корпусів акумуляторів EV: вогнестійкість, міцність і вимоги до формування

Корпуси акумуляторів електромобілів повинні захищати модулі акумуляторів від вогню, ударів, вібрації, вологи, дорожніх уламків і небезпек електричного струму. У той же час виробники транспортних засобів перебувають під постійним тиском щодо зменшення ваги, консолідації деталей і підвищення ефективності виробництва.

Листова формувальна маса, широко відома як SMC пропонує ефективну альтернативу сталевим, алюмінієвим і термопластичним акумуляторним корпусам. Правильно складений вогнестійкий SMC  поєднує в собі механічну міцність, електричну ізоляцію, стійкість до корозії та гнучкість конструкції в компоненті, виготовленому під тиском.

Однак не кожна формула SMC підходить для корпусу батареї EV. Матеріал необхідно вибирати відповідно до конструкції корпусу, показників пожежної безпеки, умов навантаження, робочої температури, товщини стінки та процесу формування.

Цей посібник пояснює основні фактори, які інженери та групи закупівель повинні оцінити, вибираючи SMC для корпусів акумуляторів електромобілів.

Навіщо використовувати SMC для батарейних корпусів EV?

Корпус акумулятора електромобіля може включати верхню кришку, нижній лоток, бічні захисні конструкції, внутрішні перегородки, сервісні кришки та компоненти електричного захисту. Залежно від конструкції, SMC можна використовувати для повного корпусу або в поєднанні з алюмінієвою або сталевою несучою конструкцією.

У порівнянні зі звичайними металами, SMC, армований скловолокном,  має ряд переваг.

Електроізоляція

SMC за своєю природою є непровідним, якщо правильно сформульований. Це може допомогти ізолювати компоненти високовольтної батареї та зменшити ризик електричного контакту між осередками, шинами, корпусом і кузовом автомобіля.

Це особливо цінно для роз’ємів, роз’ємів для обслуговування та високовольтних компонентів. ISO 6469-3 стосується захисту від ураження електричним струмом і термічних інцидентів у колах класу напруги B, що робить електричну ізоляцію важливою складовою загальної безпеки автомобіля.

Проте готовий корпус все ще має бути перевірений як цілісна система. Хороший діелектричний показник у технічному паспорті SMC не означає автоматично, що зібрана акумуляторна батарея відповідає вимогам електробезпеки на рівні автомобіля.

Корозійна та хімічна стійкість

На відміну від сталі, SMC не іржавіє. Він може витримувати вплив дорожньої солі, вологості, бризок води та багатьох автомобільних рідин, якщо систему смоли вибрано правильно.

Це може зменшити потребу у вторинній антикорозійній обробці. Це також допомагає підтримувати ефективність корпусу протягом усього терміну служби автомобіля, особливо в прибережних регіонах або на ринках, де широко використовується дорожня сіль.

Хімічні випробування повинні враховувати фактичні речовини, які очікуються в заявці, наприклад:

·  Суміші охолоджуючої рідини та гліколю

·  Мастила та гідравлічні рідини

·  Чистячі засоби

·  Дорожня сіль

·  Електроліт акумулятора

·  Автомобільні палива та масла

Зниження ваги

SMC зазвичай має меншу щільність, ніж сталь. Фактична економія ваги залежить від складу, вмісту волокон, геометрії деталей, ребер, вставок і від того, чи замінює компонент SMC металеву кришку чи структурний лоток.

Прямого порівняння щільності матеріалу недостатньо. Інженери повинні порівнювати вагу повних, функціонально еквівалентних частин. Найбільша перевага SMC часто полягає в об’єднанні кількох штампованих або зварених металевих компонентів в одну формовану деталь.

Інтеграція частин

Компресійне формування дозволяє вбудовувати в корпус ребра, виступи, ущільнювальні канавки, елементи кріплення, кабельні проходи та місцеве посилення.

Це може зменшити:

·  Кількість окремих компонентів

·  Зварювальні та кріпильні роботи

·  Час складання

·  Варіація розмірів між з'єднаними частинами

·  Потенційні шляхи витоку

Інтеграція частин особливо корисна для великих батарейних кришок і складних захисних панелей.

Стабільність розмірів

Добре розроблений автомобільний склад SMC може забезпечити низьку усадку, стабільні розміри та незмінну якість поверхні. Ці властивості важливі для ущільнення фланців, положень кріплень і великих плоских поверхонь.

Оскільки корпуси акумуляторів можуть бути значно більшими за стандартні електричні корпуси, викривлення та місцеві варіації товщини повинні бути оцінені під час формування потоку та розробки інструментів.

1. Визначте вимоги до вогнестійкості

Вогнестійкість зазвичай є першою проблемою при виборі Корпус акумулятора EV SMC.

Несправності літій-іонної батареї можуть призвести до впливу полум’я, гарячого газу, тиску, розплавлених часток і швидкого підвищення температури на корпус. Матеріал має затримувати розповсюдження пожежі та підтримувати захисний бар’єр достатньо довго, щоб підтримувати стратегію безпеки акумуляторної батареї.

UL 94 V-0 — це класифікація матеріалів — не повний захист акумулятора

UL 94 V-0 часто вимагається для вогнестійких пластмас і композитів. Згідно з цим випробуванням, матеріал повинен припинити займатися в заданих межах і не повинен виділяти горючі краплі, які запалюють індикатор під ним.

Для більш вимогливих застосувань клієнти можуть розглянути UL 94 5VA або 5VB. У тесті 5 В використовується сильніший вплив полум’я. У тесті на наліт 5VA не допускає прогорання, тоді як 5VB може допускати отвір. UL описує UL 94 як групу невеликих випробувань, які оцінюють схильність матеріалу гасити або поширювати полум'я після займання.

Дві кваліфікації є критично важливими:

1. Рейтинг UL 94 пов’язаний із випробуваним складом і товщиною зразка.

2. UL 94 не відтворює повну подію розряду акумулятора електромобіля.

Клас SMC з рейтингом V-0 при 3 мм не повинен автоматично описуватися як V-0 при 1,5 мм. Завжди вимагайте звіт про випробування або сертифікат для товщини, що дорівнює або менше товщини виробничої стінки.

Розглянемо повний сценарій пожежі

Виробник акумуляторної батареї повинен визначити, чи повинен компонент SMC протистояти:

·  Зовнішня пожежа палива

·  Внутрішній тепловий розгін комірки

·  Прямий вплив полум'я

·  Високотемпературні газові струмені

·  Удар частинок

·  Випромінюване тепло

·  Тиск, що створюється всередині упаковки

·  Поширення вогню між модулями

·  Прогорання протягом визначеного терміну

Регламент ЄЕК ООН № 100 включає вимоги безпеки для перезаряджуваних систем накопичення електричної енергії, що охоплюють механічні, термічні, електричні навантаження та навантаження на навколишнє середовище. Його вимоги стосуються системи REESS і транспортного засобу, а не гарантують відповідність на основі одного матеріалу корпусу. Огляд тестування R100 ЄЕК ООН

SAE J2464 аналогічно забезпечує структуру для перевірки зловживання акумуляторними системами накопичення енергії за умов, що виходять за межі їх нормального робочого діапазону.

Тому специфікація SMC не повинна зупинятися на «антипірені». Вона повинна містити запланований метод випробування, товщину зразка, умови впливу та критерії прийнятності.

Ключові властивості, пов'язані з пожежею, які потрібно запитати

Порівнюючи вогнестійкі суміші SMC , запитуйте доступні дані для:

·  Класифікація UL 94 і перевірена товщина

·  Граничний кисневий індекс, якщо застосовний

·  Горизонтальна та вертикальна поведінка горіння

·  Час розпалювання

·  Поведінка при поширенні полум'я

·  Щільність диму

·  Вимоги до токсичних газів

·  Ефективність тепловиділення

·  Стійкість до прогорання

·  Механічне утримання після теплового впливу

·  Теплопровідність і тепловіддача

·  Максимально короткочасний температурний вплив

Необхідна комбінація залежить від того, чи використовується SMC як верхня кришка, лоток під кузовом, внутрішній бар’єр або неструктурний електричний компонент.

2. Укажіть механічні характеристики за варіантом навантаження

Батарейний корпус – це не просто коробка. Можливо, йому знадобиться переносити модулі акумулятора, протистояти вібрації автомобіля, захищати від ударів і підтримувати свою герметичну поверхню протягом усього терміну експлуатації автомобіля.

З цієї причини вибору SMC лише на основі міцності на розрив недостатньо.

Характеристики на розтяг і згин

Міцність на розрив вказує на те, як матеріал реагує на тягнуче навантаження, тоді як міцність на вигин особливо актуальна для широких панелей, що піддаються вигину.

Технічна специфікація повинна містити:

·  Міцність і модуль пружності при розтягуванні

·  Міцність при вигині та модуль пружності при вигині

·  Подовження при розриві

·  Ударна міцність з надрізом і без надрізу

·  Ефективність зсуву, де це можливо

Для великої кришки акумулятора жорсткість може бути важливішою, ніж межа міцності на розрив. Недостатня жорсткість може призвести до прогину панелі, впливаючи на ущільнення прокладки або створюючи контакт із внутрішніми компонентами.

Ударостійкість

Корпуси акумуляторів під кузовом можуть бути піддані ударам каменів, падінням предметів, дорожнім сміттям і місцевим проникаючим навантаженням. Верхні кришки також можуть витримувати навантаження при експлуатації та складанні.

Склад SMC, довжина скловолокна, вміст волокна та орієнтація формованих волокон впливають на поведінку при ударі. Оцінка з високим значенням під час простого купонного тесту все ще може вимагати локального посилення у вразливих областях.

Інженери повинні оцінювати формований компонент за типових умов удару, а не покладатися лише на стандартні зразки матеріалів.

Вібрація і втома

Акумуляторні блоки електромобілів зазнають безперервної вібрації та постійного механічного навантаження. Потенційні місця збою включають:

·  Отвори для кріплення

·  Металеві вставки

·  Гострі кути

·  Реберні перетини

·  Переходи від тонкого до товстого

·  Точки кріплення

·  Краї навколо великих отворів

Показники втоми залежать від складу матеріалу, якості формування та конструкції компонентів. Постачальник SMC повинен перевірити критичні зони разом із розробником форми та виробником акумуляторної батареї.

Утримання повзучості та кріплення

Кришки акумуляторних батарей часто прикручуються до металевого лотка. Тривале навантаження затискача може спричинити повзучість або локальну релаксацію напруги в матеріалах на основі полімерів.

Конструкція може вимагати:

·  Більші площі розподілу навантаження

·  Металеві обмежувачі стиснення

·  Литі вставки

·  Контрольований момент затягування

·  Місцеве збільшення товщини стінки

·  Посилення навколо точок кріплення

Для запропонованої системи вставки та кріплення необхідно провести випробування на висмикування, крутний момент, релаксацію та термоциклічні випробування.

3. Підтвердьте електричні та теплові вимоги

Однією з головних переваг матеріалу корпусу батареї SMC  є баланс між структурними характеристиками та електричною ізоляцією.

Відповідні електричні властивості можуть включати:

·  Діелектрична міцність

·  Питомий об'ємний опір

·  Поверхневий питомий опір

·  Порівняльний індекс відстеження

·  Опір дуги

·  Опір ізоляції після впливу вологи

Значення випробувань слід переглядати при призначеній товщині та після кондиціонування середовища. Волога, забруднення, підвищена температура та старіння можуть вплинути на електричні характеристики.

Теплові вимоги також повинні бути ретельно визначені. SMC зазвичай не вибирається для відведення тепла від клітин так само, як алюміній. Якщо корпус є частиною системи терморегулювання, розробник повинен враховувати теплопровідність матеріалу та шлях теплопередачі.

У деяких конструкціях низька теплопровідність є вигідною, оскільки вона сповільнює передачу тепла. В інших випадках акумулятор потребує контрольованого розсіювання тепла через спеціальні охолоджувальні пластини. Таким чином, вибір SMC повинен узгоджуватися з повним проектом керування температурою.

4. Підберіть рецептуру SMC до процесу формування

SMC — це готовий до формування матеріал, що складається в основному зі смоли, нарізаного скловолокна, мінеральних наповнювачів, добавок і системи згущення. Зазвичай його пресують під дією тепла та тиску.

Правильна формула повинна забезпечувати продуктивність готової частини та стабільну обробку.

Система смол

Системи ненасиченого поліефіру та вінілового ефіру широко використовуються в SMC. Смола впливає на механічні властивості, хімічну стійкість, усадку, термічну поведінку та вартість.

Стандартний SMC електричного класу не слід автоматично використовувати для корпусу EV. Може знадобитися скорегувати рецептуру для:

·  Вища стійкість до ударів

·  Покращена вогнестійкість

·  Низька усадка

·  Краща хімічна стійкість

·  Знижена щільність

·  Вища термостійкість

·  Низький рівень викидів

·  Вимоги до автомобільної поверхні

Вміст скловолокна та довжина волокна

Вищий вміст скла може підвищити міцність і жорсткість, але також може вплинути на текучість, зовнішній вигляд поверхні та наповнення форми.

Під час формування під тиском розвивається орієнтація волокон, коли заряд SMC протікає через порожнину. Це може створювати різні властивості в різних напрямках. Розмір заряду, положення заряду та відстань потоку повинні бути оцінені під час розробки процесу.

Для зон із високим навантаженням місцеве посилення або гібридна структура може бути більш ефективним, ніж просто збільшення вмісту скла по всій частині.

Потік цвілі

Великий акумуляторний корпус для електромобілів може містити ребра, глибокі секції, ущільнювальні канали та металеві вставки. SMC має протікати достатньо далеко, щоб заповнити порожнину без надмірного відділення волокон, зварювальних ліній або захопленого повітря.

Важливі змінні формування включають:

·  Температура форми

·  Тиск формування

·  Вага заряду

·  Схема заряду та покриття

·  Швидкість закриття

·  Час лікування

·  Вентиляція

·  Товщина деталі

·  Відстань потоку

·  Позиція вставки

Ступінь слід перевіряти, використовуючи репрезентативну геометрію, коли це можливо.

Ємність інструменту та преса

Великі кришки батарей вимагають преса з достатнім розміром валика, денним освітленням, контролем закриття та тоннажем. Необхідне зусилля пресування залежить від проектованої площі деталі та тиску формування, а не лише від ваги деталі.

Інструмент повинен відповідати:

·  Рівномірний нагрів

·  Повітряна евакуація

·  Контроль спалаху

·  Точні розміри ущільнювального фланця

·  Деформування

·  Розташування вставки

·  Місцевий розподіл тиску

Симуляція потоку прес-форми та ранній огляд виробництва можуть запобігти дорогим модифікаціям після завершення виробничого інструменту.

Тривалість циклу та затвердіння

SMC має затвердіти як на товстих, так і на тонких ділянках. Неадекватне затвердіння може знизити термостійкість, міцність і стабільність розмірів. Однак надмірний час затвердіння знижує ефективність виробництва.

Виробничі випробування повинні підтвердити:

·  Мінімальний стабільний час затвердіння

·  Затвердіння серцевини та поверхні

·  Поведінка деформування

·  Зміна розмірів після формування

·  Деформація

·  Дефекти поверхні

·  Послідовність механічних властивостей

5. Оцініть стійкість до навколишнього середовища

Корпуси для акумуляторів електромобілів працюють за змін температури, вологості та дорожніх умов. Програма кваліфікації матеріалів повинна представляти передбачуваний ринок транспортних засобів.

Рекомендовані оцінки можуть включати:

·  Високо- і низькотемпературний вплив

·  Термічний цикл

·  Температурно-вологісне старіння

·  Водопоглинання

·  Вплив сольових туманів

·  Хімічне занурення

·  УФ-опромінення видимих ​​ззовні частин

·  Вплив гравію та каменю

·  Вібрація після старіння в навколишньому середовищі

·  Ефективність ущільнення після циклювання

Матеріал також слід оцінювати разом із покриттями, клеями, прокладками, вставками та кріпленнями. Різниця в тепловому розширенні між SMC та металевими компонентами може впливати на навантаження на з’єднання та ефективність ущільнення.

6. Контроль товщини, короблення та ущільнювальних поверхонь

Герметичність корпусу батареї має важливе значення для запобігання потраплянню води, пилу та забруднень у пакет. Великі формовані кришки повинні зберігати площинність фланців і точність розмірів після формування та термоциклування.

Конструкція повинна уникати непотрібної зміни товщини. Різкі переходи можуть створити нерівномірний потік, внутрішню напругу, сліди раковини та викривлення.

Корисні заходи дизайну включають:

·  Поступові переходи товщини

·  Збалансоване розташування ребер

·  Заокруглені внутрішні кути

·  Послідовна геометрія фланця

·  Відповідні кути осадки

·  Контрольоване співвідношення ребра до стінки

·  Стратегічне розміщення заряду

·  Місцеве, а не надмірне загальне посилення

Систему прокладки, відстань між болтами та допустимий прогин фланця слід визначити до того, як деталь SMC і форма будуть остаточно виготовлені.

Контрольний список вибору SMC для акумуляторних корпусів електромобілів

Поширені помилки вибору SMC

Кілька помилок можуть затримати проект акумуляторної батареї електромобіля:

1. Вибір матеріалу лише з даних UL 94 V-0.
V-0 не представляє повного сценарію термічної втечі або пожежі автомобіля.

2. Ігнорування перевіреної товщини.
Рейтинг горючості або діелектричний показник можуть не застосовуватися до тоншої виробничої стінки.

3. Використання купонної міцності як повної структурної специфікації.
Потік волокон, ребра, лінії зварювання та вставки впливають на фактичні характеристики компонентів.

4. Вказівка ​​максимальної міцності без урахування потоку форми.
Рецептура повинна надійно заповнювати інструмент, а також відповідати механічним вимогам.

5. Обробка кришки SMC як копії металевої частини.
Композитні деталі потребують власного ребра, фланця, кріплення та конструкції товщини.

6. Перевірка матеріалу, але не зібраного корпусу.
Ущільнення, з’єднання, вставки та інтерфейси часто визначають кінцеву продуктивність упаковки.

Спеціальні рішення SMC від JLON

JLON постачає нестандартні склади SMC  для електричних, автомобільних і транспортних застосувань. Оскільки акумуляторні системи електромобілів мають різні архітектури корпусів і цілі перевірки, формулу SMC слід узгоджувати з окремим проектом, а не вибирати з одного класу загального призначення.

Доступні напрямки розвитку:

·  Вогнезахисні SMC 

·  Електроізоляція SMC 

·  Високоміцне скловолокно SMC 

·  Маловсадкова SMC 

·  Жаростійкий SMC 

·  Стійкий до корозії SMC 

·  Кришки акумулятора SMC для електромобілів 

·  SMC для батарейних ящиків і захисних панелей 

·  SMC для високовольтних електричних корпусів 

·  Індивідуальний колір автомобільного SMC 

Щоб порекомендувати відповідний склад, JLON зазвичай переглядає таку інформацію:

·  Креслення деталі або 3D модель

·  Цільове застосування

·  Необхідний протипожежний стандарт

·  Мінімальна виробнича товщина стінки

·  Мішені механічних властивостей

·  Вимоги до електричних характеристик

·  Робочі та пікові температури

·  Умови хімічного впливу

·  Вага і розміри деталей

·  Інформація про прес і форму

·  Річний попит

·  Необхідні протоколи випробувань або автомобільні схвалення

Перед схваленням виробництва наполегливо рекомендується формувати прототип і репрезентативне тестування компонентів.

Висновок

Вибір SMC для корпусу батареї EV  вимагає більше, ніж порівняння міцності на розрив або вимогу загального класу вогнестійкості. Матеріал повинен працювати як частина повної системи, яка включає геометрію корпусу, конструкцію ущільнень, вставки, систему охолодження, модулі акумуляторів і конструкцію автомобіля.

Найкраща формула SMC повинна забезпечувати практичний баланс:

·  Вогнестійкість і термостійкість

·  Механічна міцність і жорсткість

·  Ударо- і вібраційна стійкість

·  Електроізоляція

·  Корозійна та хімічна стійкість

·  Стабільність розмірів

·  Надійний потік форми

·  Конкурентоспроможний час виробничого циклу

Найголовніше, що протипожежні, структурні та електричні вимоги повинні бути перевірені на передбачуваній товщині стінки, а потім підтверджені на готовому корпусі.

Щоб отримати новий проект SMC для акумуляторної батареї для електромобілів  , зв’яжіться з JLON і надайте креслення, вимоги до продуктивності та умови формування. Наша команда може допомогти оцінити необхідний склад і підготувати індивідуальне рішення для матеріалів SMC.