Giải pháp vỏ pin sợi carbon: Cắt trọng lượng, Thêm an toàn cho EV và gói lưu trữ năng lượng

Một gói pin là một điều kỳ lạ đối với kỹ sư. Các tế bào bên trong nó nhạy cảm với nhiệt, nghiền nát, độ ẩm và rung động, nhưng vỏ bảo vệ chúng dự kiến ​​sẽ biến mất khỏi xe hoặc giá về phạm vi, tải trọng và truy cập dịch vụ. Căng thẳng đó chính xác là nơi mà sợi carbon kiếm được vị trí của nó. Hướng dẫn giải pháp này đi bộ qua cách các vỏ hợp chất sợi carbon và các mô-đun cấu trúc giải quyết các vấn đề thực sự mà các kỹ sư gói pin phải đối mặt trong xe điện, lưu trữ năng lượng lưới và hệ thống điện di động - và cách prepreg sợi carbon, vải, tấm và các bộ phận hợp chất hoàn thành của chúng tôi phù hợp với mỗi bước.

1. Tại sao vỏ là phần cứng của một gói pin

Các tế bào nhận được hầu hết sự chú ý, nhưng vỏ là nơi khối lượng, an toàn và chi phí sản xuất lặng lẽ tích lũy. Nhầm lẫn xuất hiện như mất phạm vi, thử nghiệm tai nạn thất bại hoặc ác mộng dịch vụ. Ba áp lực kéo vào nhau trong mỗi thiết kế gói.

1.1 Vấn đề cân nặng

Một bao bì thép hoặc nhôm thông thường có thể thêm 20-35% vào khối lượng của các tế bào mà nó giữ. Trong một EV hành khách khối lượng phụ được trả hai lần - một lần là cấu trúc, và một lần nữa là pin lớn hơn cần thiết để mang nó. Khi một vỏ được lắp đặt cao trong xe, nó cũng làm tăng trung tâm hấp dẫn và làm tổn thương việc xử lý. Mỗi kilogram được loại bỏ khỏi vỏ là một kilogram có sẵn cho các tế bào, tải trọng hoặc phạm vi.

1.2 Vấn đề Crash và Intrusion

Gói ngồi thấp và ngoài tàu, chính xác nơi tác động bên và tấn công dưới cơ thể tập trung tải. Vỏ vỏ phải chống lại sự xâm nhập vào ngăn xếp tế bào, hấp thụ năng lượng tại cửa và đường ray khung, và giữ hình dạng của nó để các tế bào không bị chặt. Thép làm điều này tốt nhưng nặng nề. Nhôm làm nó nhẹ hơn nhưng cần nhiều chiều sâu phần để đạt được độ cứng tương tự.

1.3 Vấn đề nhiệt và điện

Một vỏ pin cũng là một ranh giới nhiệt và điện. Nó không được ngắn gói, phải quản lý các con đường nhiệt, và trong một sự kiện chạy trốn nhiệt, nó là tuyến phòng thủ cuối cùng giữa một tế bào bị thất bại và người cư trú hoặc giá xung quanh. Những yêu cầu này tương tác: một dây dẫn nhiệt tốt thường là một dây dẫn điện tốt, và cả hai tính chất đều theo sự lựa chọn vật liệu.

2. Làm thế nào sợi carbon giải quyết mỗi vấn đề đó

Polyme tăng cường sợi carbon (CFRP) không phải là một vật liệu duy nhất mà là một không gian thiết kế. Đó là lợi thế của nó ở đây: laminate có thể được điều chỉnh để đặt độ cứng, độ bền và hành vi nhiệt mà trường hợp tải yêu cầu, và để giữ ánh sáng ở mọi nơi khác.

2.1 Sức mạnh đối với trọng lượng và độ cứng đối với trọng lượng

Hợp chất sợi carbon cung cấp độ bền cụ thể và độ cứng cụ thể cao hơn nhiều lần so với thép và cao hơn nhôm. Được dịch thành một gói, có nghĩa là một vỏ có cùng độ cứng như một thiết kế nhôm có thể giảm trọng lượng 30-50%, hoặc cùng khối lượng có thể được chi tiêu cho cấu trúc tai nạn bổ sung và vẫn đi trước. Đối với giá lưu trữ lưới, nơi hàng chục vỏ xếp chồng trong một container, khối lượng được tiết kiệm lan truyền qua toàn bộ cấu trúc hỗ trợ.

2.2 Anisotropy tùy chỉnh: Độ cứng nơi nó quan trọng

Bởi vì các sợi chỉ mang tải dọc theo chiều dài của chúng, lớp laminate có thể được đặt theo hướng. Một nắp có thể mỏng và gần đồng nhiệt để xử lý và mục tiêu modal; một cửa có thể được xây dựng với sợi chạy bên để tồn tại xâm nhập bên; một sàn có thể bị thiên vị để uốn cong dưới ngăn xếp tế bào. Thiết kế theo hướng này là điều cho phép một vật liệu duy nhất đáp ứng các yêu cầu mà nếu không sẽ cần một số kim loại khác nhau.

2.3 Hành vi nhiệt và điện

Bản thân sợi carbon dẫn nhiệt và điện, vì vậy bề mặt CFRP thô không phải là chất cách nhiệt. Đó là một cân nhắc thiết kế, không phải là một khuyết tật: nó có thể được sử dụng cố ý như một con đường lan truyền nhiệt, và sau đó được cô lập bằng điện với các lớp bề mặt thủy tinh hoặc aramid, lớp phủ hoặc lớp cách nhiệt chuyên dụng. Chương 5 đề cập đến điều này trong thực tế.

3. Lập bản đồ gói: Sản phẩm sợi carbon nào đi đâu

Một gói không phải là một phần, và hình thức sợi carbon đúng khác nhau từng phần. Cách tiếp cận đáng tin cậy nhất là lập bản đồ vỏ về cấu trúc trước khi chọn vật liệu.

3.1 Nắp trên và nắp

Nắp phải làm gì

Nắp không mang tải tế bào nhưng phải giữ phẳng, niêm phong chống lại khay và sống sót khi mở lặp đi lặp lại trong khi phục vụ. Nó cũng là bảng điều khiển tiếp xúc nhiều nhất với thiệt hại xử lý trong quá trình lắp ráp, vì vậy độ bền bề mặt quan trọng như độ cứng.

Lay-up điển hình

Nắp thường là tấm đơn lớn nhất và nơi dễ dàng nhất để tiết kiệm khối lượng. Một lớp laminate sợi carbon mỏng - hai đến bốn lớp trong một ngăn chồng gần đồng nhiệt - cung cấp một nắp cứng, phẳng giữ hình dạng của nó thông qua chu kỳ nhiệt và đáp ứng các mục tiêu độ phẳng của khuôn mặt niêm phong. Nắp được ép nén hoặc chữa trị bằng autoclave cũng chấp nhận sườn xương và chèn được ép, vì vậy độ cứng đến từ hình học thay vì độ dày bổ sung.

3.2 Khay dưới, tấm cơ sở và cấu trúc tai nạn

Load path trước

Trước khi chọn một vật liệu, theo dõi nơi một cuộc tấn công dưới cơ thể hoặc một tác động phụ gửi tải. Nếu con đường chạy qua khay, khay là cấu trúc; nếu nó bỏ qua vào đường ray khung, khay có thể được tối ưu hóa để niêm phong và độ cứng một mình.

Khay so với tấm cơ sở

Khay dưới mang các tế bào và lấy trường hợp tải dưới cơ thể. Ở đây yêu cầu không chỉ là độ cứng mà còn là sự hấp thụ năng lượng. Vải sợi carbon dệt prepreg và ống bện nghiền dần dần và có thể dự đoán được, đó là lý do tại sao chúng xuất hiện trong chèn cửa và hộp tai nạn xung quanh gói. Một tấm cơ sở phẳng, niêm phong thường là một tấm CFRP được ép nén hoặc gia công, được chọn cho độ phẳng và khả năng gia công.

3.3 Mô-đun nội bộ, máy vận chuyển Busbar và máy giữ tế bào

Bên trong vỏ, khối lượng vẫn quan trọng nhưng không gian và số phần cũng vậy. Tấm sợi carbon mỏng và dấu khung hợp chất được gia công có thể hoạt động như khung mô-đun, máy vận chuyển thanh bus và máy giữ tế bào, thay thế một bộ bộ phận kim loại bằng ít thành phần nhẹ hơn. Bởi vì các bộ phận này thường không có cấu trúc, các công thức sợi ngắn tái chế trở nên khả thi và hiệu quả về chi phí ở đây.

3.4 Các thành viên chéo cấu trúc và khung hộp pin

Các thành viên thẳng dài - các thành viên chéo, đường ray và khung hộp pin - là nơi mà các cấu hình sợi carbon pultruded tỏa sáng. Pultrusion sản xuất các hồ sơ phần không đổi với sợi liên tục dọc theo trục, cung cấp độ cứng trục cao với chi phí dụng cụ thấp, lý tưởng cho một thành viên chỉ cần cứng, thẳng và nhẹ.

4. Mẫu vật liệu và cách lựa chọn giữa chúng

4.1 Prepreg và Autoclave hoặc Press Cure

Sợi carbon prepreg cung cấp tỷ lệ khối lượng sợi cao nhất và các đặc tính cơ học nhất quán nhất, điều quan trọng cho các bộ phận tai nạn và cấu trúc nơi bạn cần hiệu suất có thể dự đoán được và có thể tài liệu được. Nó mang theo chi phí xử lý cao hơn, vì vậy nó thường được dành riêng cho nắp, cấu trúc tai nạn và đường dẫn tải chính.

4.2 Vải, NCF và sợi ngắn tái chế

Vải sợi carbon dệt và vải không uốn là những con ngựa làm việc cho các tấm đúc có độ cong hợp chất. Họ bọc tốt, chịu đựng một loạt các quy trình, và cung cấp các tính chất tốt ngoài máy bay trong các khu vực tai nạn. Khi phần không có cấu trúc, các hợp chất sợi ngắn tái chế làm giảm chi phí và hỗ trợ các mục tiêu bền vững.

4.3 Hồ sơ Pultruded và tấm gia công

Các hồ sơ kéo và tấm sợi carbon được gia công phục vụ các yếu tố tuyến tính và phẳng. Chúng cần ít hoặc không có công cụ, có thể được cắt, khoan và liên kết trong nhà, và chuyển đổi một vỏ phức tạp thành một bộ phận được hiểu rõ. Đây thường là con đường nhanh nhất từ thiết kế đến một gói nguyên mẫu làm việc.

5. Một ma trận lựa chọn: Yêu cầu đối với sản phẩm

Bảng dưới đây là lối tắt chúng tôi sử dụng với các kỹ sư gói khi một thiết kế vẫn còn lỏng. Đọc từ trái sang phải: yêu cầu điều khiển hình thức vật liệu, sau đó điều khiển câu hỏi mua sắm.

6. Ghi chú thực hiện quyết định liệu thiết kế có hoạt động hay không

Sự lựa chọn vật chất chỉ là một nửa câu chuyện. Bốn chi tiết quyết định liệu một vỏ sợi carbon có hoạt động trong lĩnh vực hay không xác nhận.

6.1 Cách nhiệt mạ kẽm

Nơi nó cắn

Măn mòn xuất hiện đầu tiên tại các lỗ bu lông, các dòng rivet và bất kỳ khoang nào chạm vào CFRP thô trong khi vẫn ướt. Dấu chốt là điểm lỗi đầu tiên thông thường trong dịch vụ thực địa.

Thiết kế sửa chữa

Sợi carbon là cathode so với nhôm và thép. Khi một bộ phận CFRP gặp một phần dính kim loại hoặc khoang, kim loại bị ăn mòn. Sửa chữa tiêu chuẩn là một lớp cách nhiệt kính hoặc aramid ở giao diện, cách nhiệt máy giặt hoặc ống lót, và một chất niêm phong giữ độ ẩm ra khỏi khớp. Đây là giá rẻ để thiết kế và đắt tiền để trang bị lại.

6.2 Hỏa hoạn và nhiệt chạy chứa

Một vỏ được dự kiến ​​sẽ cung cấp cho hành khách và thiết bị xung quanh thời gian để thoát khỏi một chạy trốn nhiệt. Hợp chất sợi carbon có thể được kết hợp với lớp phủ intumescent, felt aramid hoặc rào cản sợi oxy hóa trước để tạo thành một hệ thống bảo vệ thụ động lớp làm trì hoãn ngọn lửa và truyền nhiệt. Ràng rào được thiết kế như một hệ thống, chứ không phải là một vật liệu duy nhất.

6.3 Kết nối, chèn và niêm phong

Composite không thích các bu lông có tải điểm. Cách tiếp cận đáng tin cậy là chèn đúc hoặc liên kết, đường dẫn tải lan rộng và khuôn mặt niêm phong được thiết kế với độ phẳng đủ để lấy một đệm. Các khớp nối được bolt thông qua một lớp laminate nên luôn được thiết kế với khoảng cách cạnh và diện tích mang đủ, và khi có thể được thay thế bằng các khớp nối liên kết hoặc lai.

6.4 Chiến lược độ bền điện và cách điện

Bởi vì sợi carbon dẫn điện, cách điện của gói không thể dựa vào kết hợp cấu trúc. Thiết kế trong cách nhiệt chuyên dụng - các lớp bề mặt kính, phim cách nhiệt hoặc lớp phủ - và đối xử với cấu trúc CFRP như một cơ thể dẫn điện phải được cách điện và đặt đất theo ý định.

7. Vật liệu hỗ trợ: Aramid, Pre-oxy hóa và Hybrid Lay-Ups

Sợi carbon hiếm khi hoạt động một mình trong vòng pin. Sợi dài aramid và vải aramid bổ sung khả năng chịu đựng tác động và cách điện, làm cho chúng trở thành đối tác tự nhiên cho sợi carbon trong các loại laminate lai. Sợi sợi oxy hóa trước, vải và cảm thấy mang lại khả năng chống cháy và cách nhiệt vào lắp đặt, hữu ích xung quanh rào cản chạy trốn và xung quanh các thành phần nóng. Sợi thủy tinh vẫn là lớp cách ly tiêu chuẩn tại các giao diện kim loại. Cùng nhau các vật liệu này cho phép vỏ đáp ứng các yêu cầu cơ học, nhiệt và điện trong một cấu trúc thay vì ba cấu trúc riêng biệt.

8. Tại sao Tanchain cho pin bao vây hợp chất

Tanchain cung cấp chuỗi sợi carbon đầy đủ mà một chương trình vỏ pin cần: tiền chất sợi carbon, sợi carbon, vải sợi carbon, sợi carbon prepreg, tấm sợi carbon gia công, hồ sơ pultruded và các bộ phận sợi carbon hoàn thành, cùng với sợi aramid, vải aramid và sợi sợi oxy hóa trước, vải và cảm thấy cho các lớp cách nhiệt và rào cản ngọn lửa. Phạm vi đó có nghĩa là một nhóm gói có thể cung cấp một bộ vật liệu được ghi chép phù hợp cho nắp, khay, cấu trúc tai nạn, mô-đun nội bộ và rào cản từ một nhà cung cấp duy nhất, với các thông số kỹ thuật nhất quán trên toàn bộ vỏ.

Nếu bạn đang thiết kế hoặc xác định lại một vỏ pin cho một EV, container lưu trữ lưới hoặc hệ thống điện di động, hãy gửi cho chúng tôi các yêu cầu - mục tiêu khối lượng, trường hợp tai nạn, trường hợp nhiệt và kiến trúc vỏ - và chúng tôi sẽ đề nghị các hình thức vật liệu và bố trí phù hợp. Khám phá các sản phẩm sợi carbon và giải pháp tổng hợp của chúng tôi, hoặc yêu cầu báo giá cho chương trình của bạn.