Rešitve za ohišje baterij iz ogljikovih vlaken: zmanjšanje teže, dodajanje varnosti električnim vozilom in paketom za shranjevanje energije

Baterija je čudna stvar za inženiring. Celice v njej so občutljive na toploto, drobljenje, vlago in vibracije, vendar pa naj bi ohišje, ki jih ščiti, izginilo iz vozila ali stojala kar zadeva doseg, koristni tovor in dostop do servisov. Ta napetost je točno tam, kjer si ogljikova vlakna zaslužijo svoje mesto. Ta vodnik za rešitve spremlja, kako kompozitna ohišja iz ogljikovih vlaken in konstrukcijski moduli rešujejo resnične težave, s katerimi se srečujejo inženirji akumulatorskih baterij v električnih vozilih, shranjevanju energije v omrežju in prenosnih energetskih sistemih - in kako se naši prepreg iz ogljikovih vlaken, tkanina, plošče in končni kompozitni deli prilegajo vsakemu koraku.

1. Zakaj je ohišje težji del baterijskega paketa

Celice dobijo največjo pozornost, vendar ohišje je tam, kjer se masa, varnost in proizvodni stroški tiho kopičijo. Napačno se pojavi kot izgubljen doseg, neuspešni testi nesreč ali nočna mora. Trije pritiski drug proti drugemu pri vsaki obliki paketa.

1.1 Težava s težo

Običajno jekleno ali aluminijasto ohišje lahko doda 20–35% mase celic, ki jih drži. Pri potniškem električnem vozilu se ta dodatna masa plača dvakrat – enkrat večja konstrukcija in ponovno večja akumulatorska baterija, ki je potrebna za njegovo prenašanje. Vsak kilogram, odstranjen iz ograjenega prostora, je kilogram, ki je na voljo za celice, koristni tovor ali doseg.

1.2 Težava s strmoglavljenjem in vdorom

Paket leži nizko in zunaj krma, točno tam, kjer stranski udarci in udarci pod karoserijo osredotočajo obremenitev. Ohišje se mora upirati vdoru v celični kup, absorbirati energijo na polici in okvirju ter ohraniti obliko, tako da celice niso stisnjene. Jeklo to dobro počne, vendar močno. Aluminij to naredi lažje, vendar potrebuje večjo globino preseka, da doseže enako togost.

1.3 Toplotna in električna težava

Ohišje baterije je tudi toplotna in električna meja. Ne sme skrajšati paketa, upravljati mora toplotne poti, v primeru toplotnega bega pa je zadnja obrambna linija med okvarjeno celico in potnikom ali okoliškim stojalom. Te zahteve medsebojno vplivajo: dober toplotni vodnik je pogosto dober električni vodnik, obe lastnosti pa izhajata iz izbire materiala.

2. Kako ogljikova vlakna rešujejo vsako od teh težav

Polimer, ojačan z ogljikovimi vlakni (CFRP) ni en sam material, temveč oblikovalski prostor. To je njegova prednost: laminat je mogoče nastaviti tako, da postavi togost, trdnost in toplotno obnašanje tam, kjer zahteva obremenitev, in da ostane lahek povsod drugje.

2.1 Trdnost do teže in togost do teže

Kompositi iz ogljikovih vlaken zagotavljajo specifično trdnost in specifično togost večkrat več kot jeklo in izrazito nad aluminijem. To pomeni, da lahko ohišje enake togosti kot aluminijasta konstrukcija tehta 30–50% manj ali pa se lahko enaka masa porabi za dodatno strukturo trka in še vedno pride naprej. Pri mrežnih skladiščnih regalih, kjer se v posodi zloži desetine ohišij, se prihranjena masa širi skozi celotno nosilno strukturo.

2.2 Anisotropija po meri: togost, kjer je pomembna

Ker vlakna nosijo obremenitev samo vzdolž svoje dolžine, je laminat mogoče postaviti smerno. Pokrov je lahko tanek in kvazi-izotropni za ravnanje in modalne cilje; polica se lahko zgradi z vlakni, ki tečejo bočno, da preživijo stranski vdor; tla so lahko pristranska za upogibanje pod celičnim kupom. Ta usmerjena zasnova omogoča, da posamezen material izpolni zahteve, ki bi sicer potrebovale več različnih kovin.

2.3 Toplotno in električno vedenje

Samo ogljikova vlakna prevajajo toploto in elektriko, zato surova površina CFRP ni izolator. To je konstrukcijski vidik, ne napaka: lahko se namerno uporablja kot pot razširjanja toplote in nato električno izolira s steklenimi ali aramidnimi površinskimi plastmi, premazi ali namenskimi izolacijskimi plastmi. Poglavje 5 zajema to v praksi.

3. Kartiranje paketa: Kateri izdelek iz ogljikovih vlaken gre kam

Paket ni en del, prava oblika ogljikovih vlaken pa se razlikuje od dela do dela. Najzanesljivejši pristop je strukturno kartiranje ograje pred izbiro materialov.

3.1 Zgornji pokrov in pokrov

Kaj mora narediti pokrov?

Pokrov ne nosi obremenitve celic, vendar mora ostati ravno, tesniti na pladenj in preživeti ponovno odpiranje med servisiranjem. Je tudi plošča, ki je med montažo najbolj izpostavljena poškodbam pri rokovanju, zato je površinska trpežnost pomembna enako kot togost.

Tipičen položaj

Pokrov je običajno največja posamezna plošča in najlažje mesto za varčevanje z maso.Tank prepreg laminat iz ogljikovih vlaken - dve do štiri plasti v kvazi-izotropnem kupu - daje tog, raven pokrov, ki ohranja obliko skozi toplotno cikliranje in izpolnjuje cilje tesnilne ploščice. Kompresijsko oblikovani ali avtoklavno sušeni pokrovi sprejemajo tudi oblikovana rebra in vložke, zato togost izhaja iz geometrije in ne iz dodatne debeline.

3.2 Spodnji pladenj, osnovna plošča in struktura trka

Najprej pot nalaganja

Pred izbiro materiala sledite, kje udarec pod karoserijo ali bočni udarec pošilja obremenitev. Če poteka pot skozi pladenj, je pladenj strukturni; Če gre skozi okvirne tirnice, je pladenj mogoče optimizirati samo za tesnjenje in togost.

Pladenj proti osnovni plošči

Spodnji pladenj nosi celice in prevzame tovorno ohišje podvozja. Tu zahteva ni le togost, ampak absorpcija energije. Tkanine iz ogljikovih vlaken prepreg in pletene cevi se postopoma in predvidljivo drobijo, zato se pojavljajo v policnih vložkih in pločevinkah okrog embalaže. Ploščata, zatesnjena osnovna plošča je običajno kompresijsko oblikovana ali obdelana CFRP plošča, izbrana zaradi ravnosti in obdelovalnosti.

3.3 Notranji moduli, nosilci busbar in nosilci celic

Znotraj ograjenega prostora je masa še vedno pomembna, vendar tudi prostor in deli štejejo. Tanke plošče iz ogljikovih vlaken in strojno obdelani kompozitni nosilci lahko delujejo kot okvirji modula, nosilci vodilnih palic in nosilci celic, s čimer komplet kovinskih delov nadomesti z manj, lažjimi komponentami. Ker so ti deli pogosto nestrukturni, reciklirane formulacije kratkih vlaken postanejo izvedljive in stroškovno učinkovite.

3.4 Strukturni navzkrižni členi in okvirji baterijskih polj

Dolgi ravni členi - križni členi, tirnice in okvirji baterijske škatle - so kraj, kjer sijejo profili iz pultrudiranih ogljikovih vlaken. Pultrusion proizvaja konstantne profile z neprekinjenimi vlakni vzdolž osi, kar zagotavlja visoko osno togost pri nizkih stroških orodja, kar je idealno za člane, ki mora biti togo, ravno in lahko.

4. Materialne oblike in kako izbirati med njimi

4.1 Prepreg in avtoklav ali Press Cure

Prereg iz ogljikovih vlaken zagotavlja največjo količino vlaken in najbolj dosledne mehanske lastnosti, kar je pomembno za trčenje in konstrukcijske dele, kjer potrebujete predvidljivo in dokumentirano zmogljivost. Nosi višje stroške obdelave, zato je običajno rezerviran za pokrov, strukturo trka in primarne poti obremenitve.

4.2 Tkanine, NCF in reciklirana kratka vlakna

Tkanine iz ogljikovih vlaken in nestiskane tkanine so delovni konji za oblikovane plošče s sestavljeno ukrivljenostjo. Dobro zapirajo, prenašajo vrsto procesov in dajejo dobre zunajravninske lastnosti v območjih nesreč. Če je del nestrukturni, reciklirane spojine kratkih vlaken zmanjšujejo stroške in podpirajo trajnostne cilje.

4.3 Pultrudirani profili in obdelane plošče

Pultrudirani profili in obdelane plošče iz ogljikovih vlaken služijo linearnim in ravnim elementom. Potrebujejo malo ali nič orodja, jih je mogoče rezati, vrtati in prilepiti v hiši in pretvoriti kompleksno ohišje v komplet dobro razumljenih delov. To je pogosto najhitrejša pot od oblikovanja do delovnega prototipa paketa.

5. Matrika izbire: zahteva po izdelku

Spodnja tabela je bližnjica, ki jo uporabljamo pri inženirjih embalaže, ko je dizajn še vedno tekoč. Preberite od leve proti desni: zahteva poganja materialno obliko, ki nato poganja vprašanje javnega naročila.

6. Opombe o izvajanju, ki odločajo, ali oblikovanje deluje

Materialna izbira je le polovica zgodbe. Štiri podrobnosti odločajo, ali ohišje iz ogljikovih vlaken deluje na terenu ali ne uspe pri validaciji.

6.1 Galvanska izolacija

Kjer grize

Korozija se najprej pojavi pri luknjah za vijake, zakovicah in vseh nosilcih, ki se dotikajo surovega CFRP, medtem ko ostanejo mokri. Nosilci so običajna prva točka okvare v terenskem servisu.

Popravek konstrukcije

Ogljikovo vlakno je katodno glede na aluminij in jeklo. Kadar se del CFRP sreča s kovinskim pritrdilnim elementom ali nosilcem, kovina korodira. Standardna pritrditev je steklena ali aramidna izolacijska plast na vmesniku, izolacijske podložke ali puše in tesnilna masa, ki ohranja vlago zunaj spoja. To je poceni za oblikovanje in drago za naknadno vgradnjo.

6.2 Zadrževanje požara in toplotnega pobega

Pričakuje se, da bo ograjeni prostor potnikom in okoliški opremi omogočil čas, da pobegnejo iz toplotnega bega. Komponite ogljikovih vlaken lahko kombiniramo z intumescentnimi premazi, aramidnimi klobučkami ali predoksidiranimi ovirami vlaken, da tvorimo plastni pasivni zaščitni sistem, ki zavlačuje prenos plamena in toplote. Ovira je zasnovana kot sistem, ne kot en sam material.

6.3 Pritrditev, vstavki in tesnjenje

Kompositi ne marajo točkovno naloženih vijakov. Zanesljiv pristop so oblikovani ali lepljeni vložki, razporejene poti obremenitve in tesnilne površine, zasnovane z dovolj ravnostjo, da vzamejo tesnilo. Privijačni spoji skozi laminat morajo biti vedno zasnovani z ustrezno razdaljo robov in ležajno površino ter po možnosti zamenjani s pritrjenimi ali hibridnimi spoji.

6.4 Strategija dielektrične trdnosti in izolacije

Ker vodijo ogljikova vlakna, se električna izolacija paketa ne more zanesti na strukturni kompozit. Oblikujte namensko izolacijo - steklene površine, izolacijske folije ali premaze - in obravnavajte strukturo CFRP kot prevodno telo, ki mora biti električno izolirano in ozemljeno, kot je predvideno.

7. podporni materiali: aramid, predoksidirani in hibridni položaji

Karbonska vlakna redko delujejo sami v ohišju baterije. Aramidna dolga vlakna in aramidna tkanina dodajajo toleranco udarcev in električno izolacijo, zaradi česar sta naravni partner za ogljikova vlakna v hibridnih laminatih. Predoksidirana vlakna preja, tkanina in klobučevina prinašajo odpornost proti ognju in toplotno izolacijo v postavitev, kar je koristno okoli pobegne pregrade in okoli vročih komponent. Steklena vlakna ostajajo standardna izolacijska plast pri kovinskih vmesnikih. Skupaj ti materiali omogočajo, da ohišje izpolnjuje mehanske, toplotne in električne zahteve v eni strukturi in ne v treh ločenih strukturah.

8. Zakaj Tanchain za kompozite akumulatorskega ohišja

Tanchain dobavlja celotno verigo ogljikovih vlaken, ki jo potrebuje program ohišja baterije: predhodnik ogljikovih vlaken, filament ogljikovih vlaken, tkanina ogljikovih vlaken, prepreg ogljikovih vlaken, obdelane plošče ogljikovih vlaken, pultrudirani profili in končni deli ogljikovih vlaken, poleg aramidnih filamentov, aramidnih tkanin in predoksidiranih vlaken preje, tkanine in klobučevine za izolacijske in plamenske pregrade plasti. Ta razpon pomeni, da lahko ekipa za embalažo pridobi ujemajoč, dokumentiran komplet materiala za pokrov, pladenj, strukturo trka, notranje module in ovire od enega samega dobavitelja z doslednimi specifikacijami po celotnem ohišju.

Če načrtujete ali ponovno določate ohišje akumulatorja za električno vozilo, shranjevalnik omrežja ali prenosni električni sistem, nam pošljite zahteve - masna tarča, primer nesreče, toplotno ohišje in arhitekturo ohišja - in priporočili bomo oblike materiala in postavitve, ki ustrezajo. Raziščite naše izdelke iz ogljikovih vlaken in kompozitne rešitve ali zahtevajte ponudbo za vaš program.