Решения за корпус за батерии с въглеродни влакна: намаляване на теглото, добавяне на безопасност към електромобилите и пакетите за съхранение на енергия

Батерията е странно нещо за инженер. Клетките вътре в него са чувствителни към топлина, смазване, влага и вибрации, но корпусът, който ги защитава, се очаква да изчезне от превозното средство или стойката, доколкото се отнася до обхвата, полезния товар и достъпа до обслужването. Това напрежение е точно мястото, където въглеродните влакна си заслужават мястото. Това ръководство за решения разглежда как композитните корпуси от въглеродни влакна и структурните модули решават реалните проблеми, пред които са изправени инженерите на батерийните пакети в електрическите превозни средства, съхранението на енергия в мрежата и преносимите енергийни системи и как нашите въглеродни влакна, плат, плочи и готови композитни части се вписват във всяка стъпка.

1. Защо корпусът е трудната част на батерията

Клетките получават най-голямото внимание, но корпусът е мястото, където масата, безопасността и производствените разходи тихо се натрупват. Погрешването се явява като загубен обхват, неуспешни тестове за катастрофа или кошмар за обслужване. Три натиска се дърпат един срещу друг във всеки дизайн на опаковката.

1.1 Проблемът с теглото

Обикновената стоманена или алуминиева опаковка може да добави 20-35% към масата на клетките, които държи. При пътнически електрически превозни средства тази допълнителна маса се плаща два пъти - веднъж като конструкция, а отново като по-голяма батерия, необходима за превозването й. Когато корпусът е монтиран високо в превозното средство, той също така повишава центъра на тежестта и наранява управлението. Всеки килограм, премахнат от корпуса, е килограм, наличен за клетки, полезен товар или обхват.

1.2 Проблемът с катастрофата и проникването

Пакетът седи ниско и навън, точно там, където странични удари и удари под тялото концентрира натоварване. Кутията трябва да устоява на проникване в стека от клетки, да абсорбира енергия на прага и рамковите релси и да поддържа формата си, така че клетките да не се стискат. Стоманата го прави добре, но тежко. Алуминието го прави по-леко, но се нуждае от повече дълбочина на секцията, за да постигне същата твърдост.

1.3 Електрически и топлинни проблеми

Батерията също е топлинна и електрическа граница. Тя не трябва да съкратява опаковката, трябва да управлява топлинните пътища и в случай на топлинно изтичане е последната линия на защита между повредената клетка и обитателя или заобикалящата стойка. Тези изисквания взаимодействат: добър топлопроводник често е добър електрически проводник и двете свойства следват от избора на материал.

2. Как въглеродните влакна решават всеки от тези проблеми

Полимерът, укрепен с въглеродни влакна (CFRP), не е един материал, а дизайнерско пространство. Това е неговото предимство тук: ламинатът може да бъде настроен, за да постави твърдост, издръжливост и топлинно поведение, където изисква товарният корпус, и да остане лек навсякъде другаде.

2.1 Сила към тегло и твърдост към тегло

Композитите от въглеродни влакна осигуряват специфична якост и специфична твърдост няколко пъти по-високи от стоманата и значително над алуминия. Преведено в опаковка, това означава, че корпус със същата твърдост като алуминиевия дизайн може да тежи с 30-50% по-малко или същата маса може да бъде изразходвана за допълнителна структура за сблъсък и все още да излезе напред. За мрежовите стойки за съхранение, където десетки корпуси се стекват в контейнер, спестената маса се разпространява през цялата поддържаща структура.

2.2 Персонализирана анизотропия: твърдост, където има значение

Тъй като влакната носят натоварване само по дължината си, ламинатът може да бъде поставен насочено. Капакът може да бъде тънък и квази-изотропен за обработка и модални цели; прага може да бъде построен с влакна, които течат странично, за да оцелеят страничното проникване; един под може да бъде пристрастен за огъване под клетъчния стек. Този насочен дизайн е това, което позволява на един материал да задоволи изисквания, които в противен случай биха се нуждали от няколко различни метала.

2.3 Термично и електрическо поведение

Самите въглеродни влакна провеждат топлина и електричество, така че суровата повърхност от ХФРП не е изолатор. Това е конструкционно съображение, а не дефект: може да се използва умишлено като път за разпространение на топлина и след това да се изолира електрически с стъклени или арамидни повърхностни слоеве, покрития или специални изолационни слоеве. Глава 5 обхваща това на практика.

3. Картиране на пакета: Кой продукт от въглеродни влакна отива къде

Пакетът не е една част, а правилната форма на въглеродните влакна се различава секция от секция. Най-надеждният подход е да картографирате корпуса структурно преди избора на материали.

3.1 Горно покриване и капак

Какво трябва да направи капакът

Капакът не носи натоварване на клетката, но трябва да остане плосък, да се запечатва срещу тавата и да оцелее при многократно отваряне по време на обслужване. Също така панелът е най-изложен на повреди при обработка по време на монтажа, така че издръжливостта на повърхността е толкова важна, колкото и твърдостта.

Типичното lay-up

Капакът обикновено е най-големият единичен панел и най-лесното място за спестяване на маса. Тънък прегрег ламинат от въглеродни влакна - от два до четири слоя в квази-изотропен стек - дава твърд, плосък капак, който поддържа формата си чрез термичен цикъл и отговаря на целите за плоскост на уплътнителното лице. Капаците, формирани с компресия или втвърдени с автоклав, също приемат формирани ребра и вложки, така че твърдостта идва от геометрията, а не от допълнителната дебелина.

3.2 Долна тава, базова плоча и структура на сблъсъка

Първо зареждане на пътя

Преди да изберете материал, проследете къде удар или страничен удар изпраща товар. Ако пътят преминава през тавата, тавата е структурна; ако заобикаля рамковите релси, тавата може да бъде оптимизирана само за уплътняване и твърдост.

Таблица срещу базова плоча

Долната тава носи клетките и взема корпуса за натоварване под тялото. Тук изискването не е само твърдост, но и поглъщане на енергия. Тъканите въглеродни влакна и плетените тръби се смазват постепенно и предсказуемо, затова се появяват в праговите вложки и кутиите около опаковката. Плоската, запечатана базова плоча обикновено е сгъстена или обработена CFRP плоча, избрана за плоскост и обработваемост.

3.3 Вътрешни модули, носители на Busbar и държатели на клетки

Вътре в корпуса масата все още има значение, но също така и пространството и частите. Тънките плочи от въглеродни влакна и обработените композитни скоби могат да действат като модулни рамки, носители на ленти и държатели на клетки, заменяйки набор от метални части с по-малко по-леки компоненти. Тъй като тези части често са неструктурни, рециклираните кратки влакна формулировки стават жизнеспособни и икономически ефективни тук.

3.4 Структурни кръстосани елементи и рамки за кутии за батерии

Дългите прави членове - напречни членове, релси и рамки за кутии за батерии - са мястото, където блестят профили от пултрудирани въглеродни влакна. Пултрузията произвежда профили с постоянно сечение с непрекъснато влакно по осите, което дава висока аксиална твърдост при ниски разходи за инструментиране, което е идеално за член, който просто трябва да бъде твърд, прав и лек.

4. Материални форми и как да изберем между тях

4.1 Препрег и автоклав или прес Cure

Препрегът от въглеродни влакна дава най-високата част от обема на влакната и най-последователните механични свойства, което е важно за сблъсъци и структурни части, където се нуждаете от предсказуема, документирана производителност. Той носи по-високи разходи за обработка, така че обикновено е запазен за капака, структурата на сблъсъка и първичните пътища за натоварване.

4.2 Ткани, NCF и рециклирани къси влакна

Тъканите въглеродни влакна и тъканите без крипване са работните коне за формовани панели с съединена кривина. Те се покриват добре, понасят редица процеси и дават добри свойства извън самолета в зоните на катастрофата. Когато частта е неструктурна, рециклираните съединения от къси влакна намаляват разходите и подкрепят целите за устойчивост.

4.3 Пултрудирани профили и обработени плочи

Пултрудните профили и обработените плочи от въглеродни влакна обслужват линейните и плоските елементи. Те се нуждаят от малко или никакви инструменти, могат да бъдат нарязани, пробивани и свързани в къщата и да превърнат сложен корпус в комплект от добре разбрани части. Това често е най-бързият път от проектиране до работещ прототип.

5. Матрица за избор: Изискване към продукта

Таблицата по-долу е краткият път, който използваме с инженерите за опаковки, когато дизайнът все още е течен. Прочетете го от ляво на дясно: изискването управлява материалната форма, която след това управлява въпроса за поръчките.

6. Бележки за изпълнение, които решават дали проектът работи

Материалният избор е само половината от историята. Четири подробности решават дали корпусът от въглеродни влакна работи в полето или не успее в валидирането.

6.1 галванична изолация

Където ухапва

Корозията се появява първо в дупките на болтовете, линиите на нитовете и всяка скоба, която докосва суровия CFRP, докато остава мокра. Конкреторите са обичайната първа точка на повреда в полевата служба.

Поправка на дизайна

Въглеродните влакна са катодни по отношение на алуминия и стоманата. Когато част от ХФРП се срещне с метална крепежна част или скоба, металът се кородира. Стандартната фиксация е стъклен или арамиден изолационен слой на интерфейса, изолиращ шайери или бутони и уплътнител, който поддържа влагата извън ставата. Това е евтино за проектиране и скъпо за модернизиране.

6.2 Огън и топлинно задържане

Очаква се корпусът да даде на обитателите и околното оборудване време да избягат от топлинен бягство. Композитите от въглеродни влакна могат да бъдат комбинирани с интумесцентни покрития, арамидни филци или предварително окислени бариери от влакна, за да образуват слойна пасивна защитна система, която забавя пламъка и преноса на топлина. Бариерата е проектирана като система, а не като един материал.

6.3 Закрепване, вмъкване и запечатване

Композитите не харесват точково натоварени болтове. Надеждният подход е формулирани или свързани вложки, разпространени пътища за натоварване и уплътнителни лица, проектирани с достатъчна плоскост, за да вземат уплътнение. Заболтованите съединения чрез ламинат винаги трябва да бъдат проектирани с адекватно разстояние от края и площ на лагера и, когато е възможно, да се заменят с свързани или хибридни съединения.

6.4 Диелектрическа издръжливост и изолационна стратегия

Тъй като въглеродните влакна проводят, електрическата изолация на опаковката не може да разчита на структурния композит. Проектиране в специална изолация - стъклени повърхностни слоеве, изолационни филми или покрития - и третиране на CFRP структурата като проводник, който трябва да бъде електрически изолиран и заземен, както е предвидено.

7. Подпомагащи материали: арамид, предварително окислени и хибридни оформления

Въглеродните влакна рядко работят сами в корпуса на батерията. Арамидните дълги влакна и арамидните тъкани добавят толерантност към удари и електрическа изолация, което ги прави естествен партньор за въглеродните влакна в хибридните ламинати. Предварително окислените влакна, плат и филц носят устойчивост на пламък и топлоизолация в сложа, полезни около избягащата бариера и около горещите компоненти. Стъклените влакна остават стандартният изолиращ слой при металните интерфейси. Заедно тези материали позволяват на корпуса да отговаря на механичните, топлинните и електрическите изисквания в една структура, а не три отделни.

8. Защо Tanchain за батерия корпус композити

Tanchain доставя пълната верига от въглеродни влакна, от която се нуждае програмата за корпус на батерия: прекурсор от въглеродни влакна, нишка от въглеродни влакна, тъкан от въглеродни влакна, препрег от въглеродни влакна, обработени плочи от въглеродни влакна, пултруирани профили и готови части от въглеродни влакна, заедно с арамидна нишка, арамидна тъкан и предварително окислена прежда от влакна, тъкан и филц за изолационните и Този диапазон означава, че екипът за опаковки може да получи съвпадащ, документиран набор от материали за капака, тавата, структурата на сблъсъка, вътрешните модули и бариерите от един доставчик, с последователни спецификации в целия корпус.

Ако проектирате или преопределяте корпус за батерия за електрическо превозно средство, контейнер за съхранение на мрежата или преносима енергийна система, изпратете ни изискванията масова цел, случай на катастрофа, топлинен случай и архитектура на корпуса и ще препоръчваме подходящите форми и подреждения на материалите. Разгледайте нашите продукти от въглеродни влакна и композитни решения или поискайте оферта за вашата програма.