Řešení krytů baterií z uhlíkových vláken: snížení hmotnosti, přidání bezpečnosti pro EV a balíčky pro ukládání energie

Baterie jsou pro inženýry zvláštní věc. Buňky uvnitř jsou citlivé na teplo, drcení, vlhkost a vibrace, přesto se očekává, že kryt, který je chrání, zmizí z vozidla nebo stojanu, pokud jde o dosah, užitečné zatížení a přístup k službám. Toto napětí je přesně tam, kde uhlíkové vlákno získává své místo. Tento průvodce řešením prochází tím, jak kompozitní kryty z uhlíkových vláken a konstrukční moduly řeší skutečné problémy, s nimiž čelí inženýři baterií v elektrických vozidlech, úložištích energie v síti a přenosných napájecích systémech - a jak naše prepreg z uhlíkových vláken, tkaniny, desky a hotové kompozitní díly zapadají do každého kroku.

1. Proč je kryt těžkou částí baterie

Buňky získají většinu pozornosti, ale kryt je místo, kde se tiše hromadí hmotnost, bezpečnost a výrobní náklady. Mýlení se ukazuje jako ztracený dosah, neúspěšné nárazové testy nebo noční můra. Tři tlaky se proti sobě táhnou v každém balení.

1.1 Problém s váhou

Konvenční ocelový nebo hliníkový obal může přidat 20 až 35% hmotnosti buněk, které drží. V osobním elektrickém vozidle se za tuto nadměrnou hmotnost zaplatí dvakrát – jednou jako konstrukce a opět jako větší baterie potřebná k jeho přenosu. Pokud je kabina namontována vysoko do vozidla, také zvyšuje těžební střed a poškozuje ovládání. Každý kilogram odstraněný z krytu je kilogram k dispozici pro buňky, užitečné zatížení nebo dosah.

1.2 Problém pádu a narušení

Balíček sedí nízko a venkovní, přesně tam, kde boční nárazy a údery podkaroserie soustředit zatížení. Obklopení musí odolat proniknutí do zásobníku buněk, absorbovat energii na prahu a rámových kolejnicích a udržovat svůj tvar tak, aby buňky nebyly stisknuty. Ocel to dělá dobře, ale těžko. Hliník to dělá lehce, ale potřebuje větší hloubku řezu, aby dosáhl stejné tuhosti.

1.3 Tepelní a elektrický problém

Obklopení baterie je také tepelnou a elektrickou hranicí. Nesmí zkrátit balíček, musí řídit tepelné cesty a v případě tepelného úniku je to poslední obranná linie mezi selhávající buňkou a cestujícím nebo okolním stojanem. Tyto požadavky vzájemně působí: dobrý tepelný vodič je často dobrým elektrickým vodičem a obě vlastnosti vyplývají z výběru materiálu.

2. Jak uhlíkové vlákno řeší každý z těchto problémů

Polymer vyztužený uhlíkovými vlákny (CFRP) není jediným materiálem, ale designovým prostorem. To je jeho výhoda: laminát lze nastavit tak, aby přinesl tuhost, pevnost a tepelné chování tam, kde požaduje zatížení a aby zůstal lehký všude jinde.

2.1 Síla k hmotnosti a tuhost k hmotnosti

Kompozity z uhlíkových vláken poskytují specifickou pevnost a specifickou tuhost několikrát vyšší než ocel a výrazně vyšší než hliník. Přeloženo do balení, to znamená, že kryt se stejnou tuhostí jako hliníkový design může vážit o 30 až 50% méně, nebo stejnou hmotnost může být utracena na další nárazovou konstrukci a stále vyjít vpřed. U síťových skladovacích stojanů, kde se do nádoby stohují desítky skříní, se ušetřená hmota šíří celou nosnou strukturou.

2.2 Anisotropie na míru: tuhost tam, kde záleží

Vzhledem k tomu, že vlákna nosí zatížení pouze po své délce, může být laminát položen směrně. Víko může být tenké a kvazi-izotropní pro manipulaci a modální cíle; parapet může být postaven s vlákny běžící bočně přežít boční vniknutí; podlaha může být nakloněna k ohýbání pod komodou buněk. Tento směrový design umožňuje jedinému materiálu splnit požadavky, které by jinak potřebovaly několik různých kovů.

2.3 Tepelné a elektrické chování

Samotné uhlíkové vlákno vede teplo a elektřinu, takže surový povrch CFRP není izolátorem. Jedná se o konstrukční úvahu, nikoli o vadu: může být záměrně použit jako cesta šíření tepla a poté elektricky izolován skleněnými nebo aramidovými povrchovými vrstvami, povlaky nebo speciálními izolačními vrstvami. Kapitola 5 se o tom zabývá v praxi.

3. Mapování balení: Který výrobek z uhlíkových vláken jde kam

Balení není jedna část a správná forma uhlíkových vláken se liší od sekce k sekci. Nejspolehlivějším přístupem je strukturální mapování krytu před výběrem materiálů.

3.1 Horní kryt a víko

Co má dělat víko

Víko nenese žádné zatížení buňky, ale musí zůstat ploché, uzavřené proti zásobníku a přežít opakované otevírání během obsluhy. Je to také panel nejvíce vystavený poškození při manipulaci během montáže, takže trvanlivost povrchu je důležitá stejně jako tuhost.

Typické lay-up

Víko je obvykle největším jednotlivým panelem a nejsnadnějším místem pro úsporu hmoty. Tenký laminát z uhlíkových vláken - dvě až čtyři vrstvy v kvazi-izotropním stohu - poskytuje tuhý, plochý kryt, který udržuje svůj tvar prostřednictvím tepelného cyklu a splňuje cíle plochosti těsnění. Kompresní nebo autoklávem vytvrzené víčka také přijímají tvarované žebra a vložky, takže tuhost pochází spíše z geometrie než z extra tloušťky.

3.2 Dolní zásobník, základní deska a nárazová konstrukce

Nejdřív načítat cestu

Před výběrem materiálu sledujte, kde dopad podkaroserie nebo boční náraz pošle zatížení. Pokud cesta prochází zásobníkem, zásobník je strukturální; pokud obchází do rámových kolejnic, může být zásobník optimalizován pouze pro těsnění a tuhost.

Podložka vs. základní deska

Dolní zásobník nese buňky a nese zátěžový pouzdro pod tělem. Zde není požadována jen tuhost, ale absorpce energie. Tkané tkaniny z uhlíkových vláken prepreg a pletené trubky drtí postupně a předvídatelně, což je důvod, proč se objevují v prahu vložky a crash plechovky kolem balení. Plochá, uzavřená základní deska je obvykle stlačeným nebo obráběným plechem z CFRP, vybraným pro rovinost a obrábětelnost.

3.3 Vnitřní moduly, nosiče sběrnice a držáky buněk

Uvnitř krytu stále záleží na hmotě, ale stejně tak i na prostoru a částech. Tenké listy z uhlíkových vláken a obráběné kompozitní držáky mohou působit jako rámy modulů, nosiče sběrnice a držáky buněk a nahradit sadu kovových dílů méně lehčími komponenty. Vzhledem k tomu, že tyto části jsou často nestrukturální, recyklované krátké vlákniny se zde stávají životaschopnými a nákladově efektivními.

3.4 Strukturální křížové členy a rámy baterií

Dlouhé rovné členy - průčelníky, kolejnice a rámy baterií - jsou tam, kde lesklé profily z pultrudovaných uhlíkových vláken. Pultrusion vyrábí profily s konstantním průřezem s nepřetržitým vláknem podél osy, což dává vysokou axiální tuhost za nízké náklady na nástroje, což je ideální pro člen, který prostě musí být tuhý, rovný a lehký.

4. Materiální formy a jak si mezi nimi vybrat

4.1 Prepreg a Autokláv nebo Press Cure

Prepreg z uhlíkových vláken poskytuje nejvyšší část objemu vlákna a nejkonzistentnější mechanické vlastnosti, což je důležité pro nárazové a konstrukční části, kde potřebujete předvídatelný a dokumentovatelný výkon. Nese vyšší náklady na zpracování, takže je obvykle vyhrazen pro víko, nárazovou strukturu a primární zatížení.

4.2 Tkaniny, NCF a recyklované krátké vlákno

Tkané tkaniny z uhlíkových vláken a netkané tkaniny jsou pracovními koněmi pro tvarované panely se složeným zakřivením. Dobře se drapují, tolerují řadu procesů a dávají dobré mimoletadelní vlastnosti v pásmech havaru. Pokud je součást nestrukturální, recyklované sloučeniny krátkých vláken snižují náklady a podporují cíle udržitelnosti.

4.3 Pultrudované profily a obráběné desky

Pultrudované profily a obráběné listy z uhlíkových vláken slouží lineárním a plochým prvkům. Potřebují málo nebo žádné nástroje, mohou být řezány, vrtány a lepeny v domácnosti a přeměňují složitý kryt na sadu dobře pochopených dílů. Toto je často nejrychlejší cesta od návrhu k pracovnímu prototypu.

5. Matice výběru: Požadavky na produkt

Níže uvedená tabulka je zkratka, kterou používáme u inženýrů balení, když je návrh stále tekutý. Přečtěte si ji vlevo doprava: požadavek řídí materiální formulář, který pak řídí otázku zakázky.

6. Poznámky k provedení, které rozhodují, zda návrh funguje

Výběr materiálu je jen polovina příběhu. Čtyři podrobnosti určují, zda kryt z uhlíkových vláken funguje v terénu nebo selže v validaci.

6.1 Galvanická izolace

Kde kouse

Koroze se objevuje nejprve u šroubových otvorů, nítových linek a jakéhokoli držáku, který se dotkne surového CFRP, zatímco zůstává mokrý. Držáky jsou obvyklým prvním bodem poruchy v terénní službě.

Oprava návrhu

Uhlíkové vlákno je katodické ve srovnání s hliníkem a ocelí. Pokud se část z CFRP setká s kovovým spojovacím prvkem nebo držákem, kov koroduje. Standardní opravou je skleněná nebo aramidová izolační vrstva na rozhraní, izolační podložky nebo pouzdra a těsnění, které udržuje vlhkost mimo spoj. Je to levné navrhnout a drahé upravit.

6.2 Odstranění požáru a tepelného úniku

Očekává se, že kryt poskytne cestujícím a okolním zařízením čas uniknout tepelnému úniku. Kompozity z uhlíkových vláken mohou být kombinovány s intumescentními povlaky, aramidovými plšti nebo předoxidovanými vláknovými bariérami, aby vytvořily vrstvený pasivní ochranný systém, který zpomaluje plamen a přenos tepla. Bariéra je navržena jako systém, ne jako jediný materiál.

6.3 Upevnění, vložky a těsnění

Kompozity nemají rády bodové šrouby. Spolehlivým přístupem jsou vložené nebo lepené vložky, rozložené zatížení a těsnění tváří navržené s dostatečnou rovinou k těsnění. Šroubované spoje prostřednictvím laminátu by měly být vždy navrženy s přiměřenou vzdáleností hran a plochou ložiska a pokud je to možné nahrazeny lepenými nebo hybridními spoji.

6.4 Dielektrická pevnost a izolační strategie

Vzhledem k tomu, že uhlíkové vlákno vede, nemůže se elektrická izolace balení spolehnout na konstrukční kompozit. Navrhněte speciální izolaci - povrchové vrstvy skla, izolační filmy nebo povlaky - a zacházejte se strukturou CFRP jako vodivým tělesem, které musí být elektricky izolováno a uzemněno podle zamýšlení.

7. Podporné materiály: Aramid, předoxidovaný a hybridní rozložení

Uhlíkové vlákno zřídka funguje samo v baterii. Aramidové dlouhé vlákno a aramidové tkaniny přidávají odolnost vůči nárazu a elektrickou izolaci, což je činí přirozeným partnerem pro uhlíkové vlákno v hybridních laminátech. Předoxidovaná vláknová příze, tkanina a felt přinášejí odolnost vůči plamenu a tepelnou izolaci do uspořádání, což je užitečné kolem únikové bariéry a kolem horkých komponentů. Skleněné vlákno zůstává standardní izolační vrstvou na kovových rozhraních. Společně tyto materiály umožňují krytu splnit mechanické, tepelné a elektrické požadavky v jedné konstrukci spíše než tři samostatné.

8. Proč Tanchain pro baterie kryt kompozity

Tanchain dodává celý řetězec uhlíkových vláken, který potřebuje program baterie: předchůdce uhlíkových vláken, vlákno z uhlíkových vláken, tkaninu z uhlíkových vláken, prepreg z uhlíkových vláken, obráběné desky z uhlíkových vláken, pultrudované profily a hotové části z uhlíkových vláken, vedle aramidového vlákna, aramidové tkaniny a předoxidované vláknové příze, tkaniny a filce pro izolační a plameňové bariérové vrstvy. Tento rozsah znamená, že tým balení může získat odpovídající, zdokumentovanou sadu materiálů pro víko, zásobník, nárazovou strukturu, vnitřní moduly a bariéry od jednoho dodavatele s konzistentními specifikacemi po celém krytu.

Pokud navrhujete nebo přestavujete pouzdro baterie pro elektrické vozidlo, síťový úložný kontejner nebo přenosný napájecí systém, pošlete nám požadavky - hmotnostní cíl, nárazový pouzdro, tepelný pouzdro a architekturu pouzdra - a doporučíme materiálové formy a uspořádání, které vyhovují. Prozkoumejte naše produkty z uhlíkových vláken a kompozitní řešení nebo požádejte o cenovou nabídku pro váš program.