Analiza konstrukcji obudów akumulatorów ze stopu aluminium i technologii łączenia w pojazdach nowej energii

W miarę ewolucji systemów akumulatorów do nowych pojazdów napędzanych energią w kierunku wyższej gęstości energii, mniejszej masy i większej integracji, obudowa zestawu akumulatorów przestała być prostą osłoną strukturalną w krytyczny element, który jednocześnie przejmuje-obciążenie, uszczelnianie, zarządzanie temperaturą i integrację systemu. W przypadku akumulatorów energetycznych, mimo ciągłego udoskonalania systemów materiałów ogniw i technologii zarządzania akumulatorami, zmniejszenie masy obudowy w celu zwiększenia-gęstości energii na poziomie systemu stanowi bezpośrednie i skuteczne podejście inżynieryjne.

 

Stopy aluminium charakteryzują się niską gęstością, wysoką wytrzymałością właściwą, doskonałą odpornością na korozję, dobrą przewodnością cieplną, korzystną plastycznością i możliwością recyklingu, co czyni je bardzo cennymi w konstrukcjach akumulatorów nowych pojazdów energetycznych. W porównaniu z tradycyjnymi obudowami stalowymi konstrukcje ze stopów aluminium zmniejszają masę, spełniając-wymagania dotyczące nośności, zapewniając większą elastyczność projektowania w zakresie rozmieszczenia modułów akumulatorów, integracji układu chłodzenia i optymalizacji zasięgu pojazdu.

 

Typowe projekty konstrukcyjne nowych systemów akumulatorów pojazdów energetycznych obejmują obudowy z wytłaczanego aluminium, konstrukcje z tłoczonych blach aluminiowych oraz konstrukcje hybrydowe łączące profile i arkusze. W szczególności profile wytłaczane oferują-przekroje poprzeczne z możliwością dostosowania; takie cechy, jak konstrukcja wielo-komorowa, żebra wzmacniające i zlokalizowane sekcje pełne, pozwalają na większą sztywność konstrukcji przy jednoczesnej optymalizacji wykorzystania materiału. W przypadku systemów ogniw pryzmatycznych projekt obudowy musi być również skoordynowany z rozmieszczeniem ogniw, kanałami chłodzącymi i konstrukcją uszczelniającą górnej pokrywy.

 

Na poziomie ogniwa puszka aluminiowa służy do zamknięcia wnętrza ogniwa i zapewnienia ochrony zewnętrznej, podczas gdy obudowa zestawu akumulatorów odpowiada przede wszystkim za nośność konstrukcyjną-i ochronę środowiska całego systemu akumulatorów; oba różnią się znacznie wymiarami, grubością materiału, metodami formowania i wymaganiami dotyczącymi połączeń. W związku z tym wymagania dotyczące zarządzania mechanicznego, elektrycznego i termicznego zarówno w przypadku obudowy ogniwa, jak i obudowy zestawu akumulatorów muszą być oceniane oddzielnie podczas procesu projektowania konstrukcyjnego.

 

 

 

Typowa obudowa zestawu akumulatorów ze stopu aluminium składa się z ramy, płyty podstawy, pokrywy górnej i wewnętrznych elementów montażowych. Rama i płyta podstawy przenoszą główne obciążenia z modułów akumulatorowych i powiązanych komponentów, podczas gdy górna pokrywa zapewnia przede wszystkim ochronę i uszczelnienie, a także przyczynia się do ogólnej sztywności konstrukcji. W zależności od konkretnego modelu pojazdu i układu układu akumulatora można również zintegrować komponenty, takie jak kanały chłodzące, wsporniki montażowe, wzmocnienia konstrukcyjne, mocowania wiązek przewodów i strefy połączeń-wysokiego napięcia.

 

W przypadku aluminiowych obudów akumulatorów w pojazdach nowych źródeł energii projekt konstrukcyjny nie może skupiać się wyłącznie na zmniejszeniu masy; musi jednocześnie spełniać wymagania dotyczące wytrzymałości, sztywności, trwałości zmęczeniowej, bezpieczeństwa w przypadku zderzeń, uszczelnienia i możliwości produkcyjnej. Strefy połączeń w obudowie są często krytycznymi obszarami dla projektowania konstrukcji i sprawdzania niezawodności, szczególnie biorąc pod uwagę warunki pracy związane z długotrwałymi-wibracjami, cyklicznymi zmianami temperatury i uderzeniami na drodze.

 

Rama i płyta podstawy zazwyczaj wykorzystują profile wytłaczane ze stopu aluminium z wieloma wewnętrznymi wnękami. Optymalizacja przekroju-profilu pozwala na uzyskanie dużego powierzchniowego momentu bezwładności przy stosunkowo ograniczonym zużyciu materiału. W obszarach narażonych na duże obciążenia można zastosować żebra wzmacniające lub zlokalizowane sekcje pełne, natomiast z obszarów poddawanych-krytycznym obciążeniom-można usunąć niepotrzebny materiał, zmniejszając grubość ścian, optymalizując wymiary wnęki lub stosując obróbkę-po wytłaczaniu.

 

Oprócz utrzymywania ciężaru ogniw i modułów akumulatorów, płyta podstawowa zestawu akumulatorów może wymagać zintegrowania kanałów chłodzących wodą lub cieczą. W związku z tym projekt-przekroju musi równoważyć nośność-, przestrzeń na kanały chłodzące, wykonalność produkcji i wymagania dotyczące uszczelnienia. W przypadku akumulatorów wykorzystujących chłodzenie cieczą szczególne znaczenie ma ciągłość kanałów wewnętrznych oraz jakość uszczelnienia obszarów spawanych.

 

 

Wytłaczane stopy aluminium-serii 6000-takie jak 6061-T6, 6005A-T6 i 6063-T6 są powszechnie stosowane w obudowach akumulatorów trakcyjnych. Różne stopy różnią się pod względem wytrzymałości, wytłaczalności, złożoności przekroju poprzecznego i kosztu materiału; dlatego też wybór materiału należy określić, biorąc pod uwagę zarówno wymagania dotyczące obciążenia konstrukcyjnego, jak i procesy produkcyjne.

 

6061-T6 oferuje doskonałe ogólne właściwości mechaniczne, dzięki czemu nadaje się do ram i-elementów nośnych, które wymagają dużej wytrzymałości i stabilności strukturalnej. 6005A-T6 równoważy wytrzymałość z możliwością formowania przez wytłaczanie, dzięki czemu nadaje się do konstrukcji o większych profilach.

 

6063-T6 zapewnia doskonałą odkształcalność, dzięki czemu lepiej nadaje się do skomplikowanych-przekrojów poprzecznych lub obszarów konstrukcyjnych o niższych wymaganiach dotyczących nośności. W procesie projektowania grubsza ścianka profilu niekoniecznie jest lepsza. Nadmierna grubość ścianki zwiększa zużycie materiału i wagę konstrukcji, jednocześnie podnosząc koszty związane z wytłaczaniem, spawaniem i dalszą obróbką. Dlatego grubość ściany i rozmieszczenie żeber wzmacniających należy określić na podstawie rzeczywistych ścieżek obciążeń, upewniając się, że materiał jest rozmieszczony tam, gdzie może najskuteczniej przenosić obciążenia.

 

W przypadku konstrukcji wymagających wtórnej obróbki można zastosować części tłoczone z aluminium w takich elementach, jak wsporniki umiejscowione, wypustki montażowe, osłony ochronne i elementy ułatwiające łączenie w obudowie. W porównaniu ze zwykłym zwiększeniem grubości głównego profilu, miejscowe wzmocnienie za pomocą oddzielnych usztywnień może czasami osiągnąć doskonałą równowagę pomiędzy wagą a wydajnością konstrukcyjną.

 

 

 

Obudowy akumulatorów ze stopu aluminium mogą być projektowane jako integralne konstrukcje wytłaczane lub jako zespoły utworzone przez zespawanie ze sobą wielu profili. Zintegrowane profile zapewniają doskonałą ciągłość strukturalną i zmniejszają liczbę interfejsów połączeniowych; jednakże mogą one pociągać za sobą większe wymiary profili, bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące narzędzi i zwiększoną obróbkę końcową.

 

Z drugiej strony zespoły spawane zmniejszają złożoność produkcji związaną z dużymi, skomplikowanymi profilami i zapewniają większą elastyczność projektowania. Łącząc profile o różnych-przekrojach, konfigurację konstrukcyjną można dostosować do konkretnych wymiarów akumulatorów i wymagań dotyczących obciążenia, jednocześnie potencjalnie obniżając koszty oprzyrządowania i przetwarzania.

 

W przypadku określonych obszarów montażowych można utworzyć zlokalizowane elementy montażowe poprzez tłoczenie lub obróbkę aluminium. Konkretne podejście należy wybrać na podstawie wymiarów części, grubości materiału, wielkości produkcji i wymagań dotyczących precyzji. W przypadku projektów produkcyjnych-na dużą skalę zazwyczaj na wczesnych etapach rozwoju produktu wymagana jest wszechstronna ocena połączenia procesów tłoczenia, wytłaczania i obróbki.

 

 

 

Podstawowe metody łączenia obudów akumulatorów ze stopu aluminium obejmują zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem (FSW), spawanie MIG, nitowanie,-wtłaczanie (samo-nitowanie przebijające/nitowanie-wciskane) i klejenie. Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem jest godną uwagi techniką łączenia-w stanie stałym; w przeciwieństwie do tradycyjnego spawania, materiał nie ulega całkowitemu procesowi topienia podczas spawania.

 

W przypadku-połączeń konstrukcyjnych na duże odległości-takich jak te łączące płytę podstawy pakietu akumulatorów z ramą-spawanie tarciowe z przemieszaniem zapewnia korzyści, takie jak minimalne odkształcenia spawalnicze, stabilna mikrostruktura złącza i możliwość spawania ciągłego. Ponieważ nie zachodzi proces krzepnięcia jeziorka spawalniczego charakterystyczny dla tradycyjnego spawania, ryzyko wystąpienia takich defektów jak porowatość, wtrącenia i pękanie na gorąco jest zmniejszone.

 

W praktycznym projekcie konstrukcyjnym kształt-przekroju strefy spawania musi pokrywać się z obwiednią ruchu narzędzia do zgrzewania tarciowego z przemieszaniem. Wewnętrzne usztywnienia, zaokrąglenia i zlokalizowane w profilach sekcje pełne muszą zapewniać odpowiednie wsparcie dla procesu spawania. Jeżeli głębokość spoiny jest znaczna, należy odpowiednio zwiększyć sztywność konstrukcyjną odpowiedniego obszaru; w przeciwnym razie pod ciśnieniem spawania może wystąpić miejscowe odkształcenie.

 

W przypadku połączenia pomiędzy płytami podstawy można wybrać konfigurację złącza-doczołowego lub zakładkowego-, w oparciu o projekt konstrukcyjny. Spawanie-dwustronne zwiększa stabilność strukturalną obszaru złącza, ale wydłuża ścieżkę przetwarzania i czas produkcji; dlatego wybór zależy od struktury produktu i wymagań cyklu produkcyjnego.

 

 

Połączenie między ramą a płytą podstawy stanowi krytyczny-interfejs nośny dla obudowy akumulatora, a metoda łączenia bezpośrednio wpływa na ogólną wytrzymałość konstrukcyjną i skuteczność uszczelnienia. Typowe podejścia obejmują dwustronne-spawanie tarciowe z przemieszaniem (FSW) lub połączenie zewnętrznego FSW z wewnętrznym spawaniem MIG i obróbką uszczelniającą.

 

Dwustronny-FSW zapewnia ciągłe połączenie złącza i pomaga zminimalizować deformację-spowodowaną spawaniem. Jednakże projekt konstrukcyjny musi uwzględniać wystarczający prześwit dla narzędzia spawalniczego, co może wymagać określonych-wymiarów przekroju poprzecznego ramy.

 

Inne podejście polega na zastosowaniu FSW na zewnątrz i spawaniu MIG wewnątrz. Taka konfiguracja zapewnia stosunkowo wysoką wydajność produkcyjną i większą elastyczność w projektowaniu profili; jednakże jakość spoiny i skuteczność uszczelnienia w wewnętrznych-strefach spawania wymagają szczególnej uwagi. Jeśli istnieją potencjalne ścieżki wycieków, może być konieczne dodatkowe zabezpieczenie za pomocą szczeliwa.

 

W przypadku niektórych skomplikowanych stref połączeń można zastosować elementy z tłoczonej blachy aluminiowej jako niezależne złącza, które następnie łączy się z główną obudową za pomocą nitowania, spawania lub skręcania. Strategia ta zmniejsza złożoność produkcji związaną z wytwarzaniem skomplikowanych konstrukcji w postaci pojedynczych, zintegrowanych jednostek.

 

 

Zestawy akumulatorów do pojazdów nowej generacji są zwykle montowane pod podwoziem pojazdu lub w pobliżu podwozia, co wystawia je na długotrwałe działanie czynników środowiskowych, takich jak deszcz, błoto, stojąca woda, wahania temperatury i wibracje mechaniczne. Konstrukcja uszczelnienia obudowy ma kluczowe znaczenie nie tylko dla trwałości elementów konstrukcyjnych, ale także dla bezpieczeństwa elektrycznego systemu akumulatorowego.

 

Podczas procesu projektowania niezwykle ważne jest kontrolowanie potencjalnych ścieżek wycieków, takich jak spoiny płyty podstawy, połączenia ramy, kołnierze górnej pokrywy, otwory montażowe elementów złącznych oraz interfejsy dla wiązek przewodów i połączeń-wysokiego napięcia. W przypadku obudów wykorzystujących połączenia spawane należy przeprowadzić kontrolę jakości spoin i badanie szczelności, aby upewnić się, że nie ma znaczącego ryzyka wycieku w obszarach połączeń.

 

Pomiędzy obudową a górną pokrywą zwykle stosuje się paski uszczelniające, spienione materiały uszczelniające lub inne elastyczne konstrukcje uszczelniające. Projekt uszczelnienia musi uwzględniać także obszary elementów złącznych, aby zapobiec sytuacji, w której otwory na śruby lub nity staną się drogami przedostawania się wilgoci do obudowy.

 

W niektórych konfiguracjach komponenty elektryczne,-takie jak izolowane szyny zbiorcze-są umieszczone w pobliżu wewnętrznych konstrukcji pakietu akumulatorów; dlatego należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak odstęp izolacyjny, metody montażu i wpływ szczelnego środowiska na-długoterminowe działanie komponentów elektrycznych.

 

 

Zestawy akumulatorów ze stopu aluminium nie opierają się wyłącznie na procesach wytłaczania. Komponenty, takie jak wsporniki montażowe, płyty łączące, wzmocnienia i zlokalizowane części konstrukcyjne, można-produkować masowo przy użyciu tłoczenia aluminium. Tłoczenie oferuje takie korzyści, jak szybkie cykle produkcyjne, wysokie wykorzystanie materiału i przydatność do produkcji masowej.

 

W przypadku części o złożonej geometrii i wysokich wymaganiach dotyczących dokładności wymiarowej można zastosować kombinację tłoczenia blachy aluminiowej i obróbki CNC. Tłoczenie służy do formowania podstawowego profilu i konstrukcji podstawowej, podczas gdy obróbka skrawaniem zapewnia precyzyjne wykończenie otworów, powierzchni montażowych i kluczowych wymiarów.

 

Na etapie opracowywania projektu lub w przypadku-produkcji w małych partiach niestandardowe tłoczenie aluminium może zmniejszyć inwestycje w specjalistyczne narzędzia i ułatwić szybkie dostosowania konstrukcyjne w oparciu o wyniki testów prototypów. Po przejściu do produkcji masowej należy dalej optymalizować oprzyrządowanie, wykorzystanie materiałów i cykle produkcyjne, aby kontrolować jednostkowe koszty produkcji.

 

W przypadku zlokalizowanych wsporników, mocowań i konstrukcji pomocniczych do połączeń elektrycznych, tłoczone części aluminiowe uzupełniają wytłaczane profile i konstrukcje spawane, zapewniając większą elastyczność w ogólnej strategii produkcji akumulatorów.

 

 

Gęstość aluminium wynosi w przybliżeniu-jedną trzecią gęstości stali; w związku z tym zastąpienie niektórych konstrukcji stalowych stopami aluminium oferuje znaczny potencjał zmniejszenia masy. Jednak rzeczywista osiągnięta redukcja masy nie jest po prostu funkcją różnic w gęstości materiału; zależy to także od-geometrii przekroju poprzecznego, grubości ścian, metod łączenia i konstrukcji wzmacniających.

 

Istotą lekkiej konstrukcji jest optymalizacja ścieżek obciążenia. W obszarach narażonych na znaczne obciążenia zginające i udarowe sztywność można zwiększyć,-zwiększając wysokość przekroju poprzecznego, stosując żebra wzmacniające lub wykorzystując struktury wielo-komorowe, zamiast po prostu zwiększać grubość całego panelu.

 

W przypadku obszarów, które nie są-głównie obciążone-nośnymi, zużycie materiału można zmniejszyć poprzez miejscowe przerzedzenie, wykonanie wycięć i optymalizację konstrukcyjną. Analiza metodą elementów skończonych CAE (Computer{3}}Aided Engineering) umożliwia ocenę naprężeń i odkształceń w obudowie w warunkach takich jak przyspieszenie, wibracje, zgniatanie i inne typowe scenariusze operacyjne, umożliwiając identyfikację potencjalnych słabych punktów na etapie projektowania.

 

Należy pamiętać, że zmniejszenie masy akumulatora nie może odbywać się kosztem bezpieczeństwa. Projekt konstrukcyjny wymaga znalezienia rozsądnej równowagi pomiędzy wagą, sztywnością, wytrzymałością, trwałością zmęczeniową, bezpieczeństwem w razie wypadku, kosztami produkcji i wydajnością uszczelnienia.

 

 

Podczas opracowywania struktury pakietu akumulatorów wykorzystuje się symulację CAE do sprawdzania różnych opcji materiałów i-przekrojów poprzecznych. Typowe analizy obejmują wytrzymałość statyczną, analizę modalną, wibracje, zgniatanie, uderzenia i analizę lokalnych naprężeń w punktach połączeń.

 

Na przykład w przypadku konstrukcji wykorzystujących stop 6005A-T6 obliczone maksymalne wartości naprężenia można porównać z granicą plastyczności materiału, uwzględniając jednocześnie współczynniki bezpieczeństwa, wydajność złącza spawanego i-długoterminowe obciążenie zmęczeniowe.

 

Scenariusze zmiażdżenia wymagają szczególnej uwagi odnośnie odstępu bezpieczeństwa pomiędzy modułami akumulatorowymi a obudową. Znaczące odkształcenie strukturalne wkraczające w obszar ogniw może zwiększyć ryzyko mechanicznego uszkodzenia ogniw. Dlatego wyniki symulacji należy oceniać w powiązaniu z rzeczywistymi wymiarami modułu akumulatora, odstępami bezpieczeństwa i ogólną konstrukcją pojazdu.

 

Oprócz analizy CAE etap prototypowania powinien obejmować badania walidacyjne pod kątem szczelności, wodoodporności, wibracji, wytrzymałości mechanicznej i trwałości środowiskowej. Chociaż symulacja służy skróceniu cykli iteracji projektu, testy fizyczne są niezbędne do zweryfikowania wydajności produktu w-rzeczywistych warunkach pracy.

 

 

 

W miarę jak nowe platformy pojazdów energetycznych ewoluują w kierunku wysokiego napięcia, dużej pojemności i wysokiej integracji, funkcjonalność obudów akumulatorów stale się rozwija. Przyszłe projekty konstrukcyjne będą kładły większy nacisk na synergię pomiędzy obudową, systemem chłodzenia, połączeniami elektrycznymi i zarządzaniem ciepłem.

 

Z jednej strony profile ze stopów aluminium zachowują znaczną przewagę w zakresie lekkości; wielokomorowe struktury wytłaczane, zlokalizowane zbrojenie i zintegrowane kanały chłodzące pozostaną kluczowymi kierunkami projektowania. Z drugiej strony, łączne zastosowanie tłoczonych blach aluminiowych, odlewanych konstrukcji aluminiowych i profili wytłaczanych będzie coraz większe, aby spełnić wymagania produkcyjne różnorodnych modeli pojazdów i platform akumulatorowych.

 

Jeśli chodzi o opakowanie ogniw, aluminiowe obudowy akumulatorów litowo- muszą równoważyć precyzję formowania, odporność na korozję, szczelność i wymagania wewnętrznego środowiska elektrochemicznego. Na poziomie akumulatora uwaga skupia się na wytrzymałości konstrukcyjnej, uszczelnieniu i ochronie, zarządzaniu temperaturą oraz bezpieczeństwie w razie wypadku.

 

W przypadku systemów akumulatorów pryzmatycznych projekt aluminiowej obudowy i struktury pakietu muszą w pełni uwzględniać rozmieszczenie ogniw, akumulację tolerancji i metody montażu modułów, aby zminimalizować zakłócenia strukturalne podczas montażu.

 

Procesy głębokiego tłoczenia są odpowiednie dla niektórych metalowych obudów akumulatorów o złożonej geometrii przestrzennej; kluczowe kwestie projektowe obejmują wydłużenie materiału, kontrolę grubości blachy, promienie naroży i ryzyko pękania podczas formowania.

 

W przypadku aluminiowych obudów pakietów przyszłe trendy projektowe będą priorytetowo traktować integrację,-umożliwiającą komponentom konstrukcyjnym pełnienie wielu funkcji (takich jak chłodzenie,-przenoszenie obciążenia, montaż i ochrona), aby zmniejszyć całkowitą liczbę oddzielnych części.

 

Ogólnie rzecz biorąc, nie ma jednej, ustalonej ścieżki technicznej dla obudów akumulatorów ze stopu aluminium. Procesy produkcyjne-takie jak wytłaczanie, tłoczenie, obróbka skrawaniem, zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem, spawanie MIG, nitowanie i klejenie-muszą być łączone w oparciu o wymiary produktu, systemy materiałowe, wielkość produkcji, precyzję i wymagania dotyczące wydajności. Trasy procesowe przyjęte przez firmy zajmujące się tłoczeniem aluminium mogą się znacznie różnić w zależności od wielkości produkcji i złożoności strukturalnej; dlatego też rozwiązanie określone na etapie opracowywania produktu powinno priorytetowo traktować wymagania strukturalne i wykonalność produkcji.

 

Z inżynierskiego punktu widzenia zmniejszenie masy obudowy akumulatora nie polega jedynie na zastąpieniu stali aluminium; jest to raczej przedsięwzięcie inżynierii systemów obejmujące wzajemne oddziaływanie materiałów,-struktur przekrojów poprzecznych, procesy łączenia, projekty uszczelnień, weryfikację symulacji i produkcję masową. Tylko poprzez jednoczesne uwzględnienie parametrów konstrukcyjnych i procesów produkcyjnych można zmniejszyć wagę przy jednoczesnym zachowaniu wytrzymałości, integralności uszczelnienia i długoterminowej-niezawodności wymaganej od systemu akumulatorowego.

 

Dlanowe obudowy akumulatorów do pojazdów energetycznychzespoły inżynieryjne zaangażowane w rozwój produktu lub zamówienia zbiorcze powinny dodatkowo potwierdzić określone rozwiązania techniczne u producentów posiadających wymagane możliwości w zakresie tłoczenia, wytłaczania i spawania stopów aluminium, biorąc pod uwagę gatunki materiałów, wymiary konstrukcyjne, procesy formowania, metody spawania, parametry szczelności i wymagania kontrolne.