Аналіз конструкцій корпусів акумуляторної батареї з алюмінієвого сплаву та технологій з’єднання для транспортних засобів нової енергії

У міру того як системи живлення акумуляторів для нових транспортних засобів з енергоспоживанням розвиваються в напрямку вищої щільності енергії, полегшення та більшої інтеграції, корпус акумуляторної батареї перетворився з простого конструкційного щита на важливий компонент, який одночасно підтримує-навантаження, герметизацію, керування температурою та системну інтеграцію. Для акумуляторів живлення, хоча системи елементів живлення та технології керування батареями продовжують вдосконалюватися, зменшення ваги корпусу для підвищення щільності енергії на-рівні системи є прямим і ефективним інженерним підходом.

 

Алюмінієві сплави мають низьку щільність, високу питому міцність, чудову стійкість до корозії, добру теплопровідність, сприятливу здатність до формування та переробку, що робить їх дуже цінними для нових структур акумуляторних батарей транспортних засобів. Порівняно з традиційними сталевими корпусами, конструкції з алюмінієвого сплаву зменшують вагу, одночасно задовольняючи вимоги-несучої навантаження, забезпечуючи більшу гнучкість конструкції для компонування модулів акумуляторів, інтеграції системи охолодження та оптимізації запасу ходу автомобіля.

 

Загальні структурні конструкції для нових енергосистем транспортних акумуляторів включають екструдовані алюмінієві корпуси, штамповані алюмінієві листові конструкції та гібридні конструкції, що поєднують профілі та листи. Екструдовані профілі, зокрема, пропонують поперечні-перерізи, які можна налаштувати; такі функції, як багато-камерні конструкції, підсилювальні ребра та локалізовані суцільні секції дозволяють збільшити структурну жорсткість при оптимізації використання матеріалу. Для систем призматичних комірок конструкцію корпусу також необхідно узгоджувати з розташуванням комірок, охолоджуючими каналами та структурою ущільнення верхньої кришки.

 

На рівні елемента алюмінієва ємність служить для інкапсуляції внутрішньої частини елемента та забезпечує зовнішній захист, тоді як корпус акумуляторної батареї головним чином відповідає за структурне навантаження-і захист навколишнього середовища всієї акумуляторної системи; обидва суттєво відрізняються за розмірами, товщиною матеріалу, методами формування та вимогами до з’єднання. Отже, вимоги до механічного, електричного та теплового керування як для корпусу елемента, так і для корпусу акумуляторної батареї необхідно оцінювати окремо під час процесу проектування конструкції.

 

 

 

Типовий корпус акумуляторної батареї з алюмінієвого сплаву складається з рами, базової пластини, верхньої кришки та внутрішніх монтажних структур. Каркас і базова плита витримують основне навантаження від акумуляторних модулів і пов’язаних компонентів, тоді як верхня кришка в основному забезпечує захист і герметичність, а також сприяє загальній жорсткості конструкції. Залежно від конкретної моделі транспортного засобу та компоновки акумуляторної системи, такі компоненти, як канали охолодження, монтажні кронштейни, структурні посилення, кріплення джгутів проводів і високо-зони з’єднання напруги також можуть бути інтегровані.

 

Для алюмінієвих корпусів акумуляторів у транспортних засобах на новій енергії конструкція конструкції не може зосереджуватися лише на зменшенні ваги; він повинен одночасно відповідати вимогам щодо міцності, жорсткості, довговічності, ударостійкості, герметичності та технологічності. Зони з’єднання всередині корпусу часто є критичними для конструктивного проектування та перевірки надійності, особливо з огляду на умови експлуатації, пов’язані з довготривалою-вібрацією, термоциклічним циклом і ударами дороги.

 

Рама та опорна плита зазвичай використовують екструдовані профілі з алюмінієвого сплаву з численними внутрішніми порожнинами. Оптимізація поперечного-перерізу профілю забезпечує високий момент інерції площі з відносно обмеженим використанням матеріалу. Підсилювальні ребра або локальні суцільні секції можна вставити в зони, що піддаються високим навантаженням, тоді як непотрібний матеріал можна видалити з не-критичних-несучих зон, зменшивши товщину стінки, оптимізувавши розміри порожнин або застосувавши пост-екструзійну обробку.

 

Окрім підтримки ваги батарейних елементів і модулів, базова пластина акумуляторної батареї може потребувати інтеграції каналів водяного або рідинного охолодження. Отже, конструкція його поперечного-перерізу має збалансувати-несучу здатність, простір для каналів охолодження, можливість виготовлення та вимоги до ущільнення. Для акумуляторних блоків, які використовують рідинне охолодження, суцільність внутрішніх каналів і якість герметизації зварних ділянок мають особливе значення.

 

 

Екструдовані алюмінієві сплави серії 6000--такі як 6061-T6, 6005A-T6 і 6063-T6 зазвичай використовуються для корпусів тягових акумуляторів. Різні сплави відрізняються за міцністю, здатністю до видавлювання, складності поперечного перерізу і вартості матеріалу; отже, вибір матеріалу має визначатися, враховуючи як вимоги до структурного навантаження, так і виробничі процеси.

 

6061-T6 має чудові загальні механічні властивості, що робить його придатним для рам і-несучих компонентів, які вимагають високої міцності та структурної стабільності. 6005A-T6 врівноважує міцність із здатністю до формування екструзією, що робить його придатним для більших профільних конструкцій.

 

6063-T6 забезпечує чудову формувальність, що робить його кращим для складних поперечних-перерізів або структурних ділянок із меншими вимогами до несучих навантажень. У процесі проектування більш товста профільна стіна не обов’язково є кращою. Надмірна товщина стінок збільшує використання матеріалу та структурну вагу, а також підвищує витрати, пов’язані з екструзією, зварюванням і подальшою обробкою. Таким чином, товщина стінки та розташування підсилювальних ребер повинні визначатися на основі фактичних шляхів навантаження, забезпечуючи розподіл матеріалу там, де він може найбільш ефективно витримувати навантаження.

 

Для конструкцій, які потребують вторинної обробки, алюмінієві штамповані деталі можна використовувати для таких компонентів, як локалізовані кронштейни, монтажні вкладки, захисні екрани та з’єднувальні елементи в корпусі. Порівняно з простим збільшенням товщини основного профілю, локальне посилення за допомогою окремих ребер жорсткості іноді може досягти чудового балансу між вагою та конструктивними характеристиками.

 

 

 

Корпуси акумуляторної батареї з алюмінієвого сплаву можуть бути розроблені як цілісні екструдовані конструкції або як вузли, сформовані шляхом зварювання кількох профілів разом. Інтегровані профілі забезпечують чудову структурну безперервність і зменшують кількість інтерфейсів підключення; однак вони можуть спричинити більші розміри профілю, більш вимогливі вимоги до інструменту та збільшення подальшої обробки.

 

Зварні вузли, навпаки, зменшують складність виготовлення, пов’язану з великими складними профілями, і забезпечують більшу гнучкість конструкції. Комбінуючи профілі з різними-перерізами, структурну конфігурацію можна пристосувати до конкретних розмірів акумуляторної батареї та вимог до навантаження, а також потенційно знизити витрати на інструменти та обробку.

 

Для конкретних монтажних зон можна створити локальні монтажні елементи за допомогою алюмінієвого штампування або механічної обробки. Конкретний підхід слід вибирати на основі розмірів деталей, товщини матеріалу, обсягу виробництва та вимог до точності. Для великих{2}}виробничих проектів на ранніх стадіях розробки продукту зазвичай потрібна комплексна оцінка комбінації процесів штампування, екструзії та механічної обробки.

 

 

 

Основні методи з’єднання корпусів акумуляторних батарей із алюмінієвого сплаву включають зварювання тертям із перемішуванням (FSW), зварювання MIG, заклепування, пресове-кріплення (само-проколююче заклепування/заклепування-заклепування) та склеювання. Зварювання тертям із перемішуванням є відомим методом з’єднання-в твердому стані; на відміну від традиційного зварювання плавленням, матеріал не проходить повний процес плавлення під час зварювання.

 

Для -конструкційних з’єднань-на великих відстанях, таких як ті, що з’єднують базову плиту акумуляторної батареї з рамою-, зварювання тертям із перемішуванням пропонує переваги, зокрема мінімальну зварювальну деформацію, стабільну мікроструктуру з’єднання та придатність для безперервних зварювальних операцій. Оскільки процес затвердіння зварювальної ванни, характерний для традиційного зварювання плавленням, відсутній, ризик дефектів, таких як пористість, включення та гарячі тріщини, знижується.

 

У практичному конструктивному проектуванні форма поперечного-перерізу зони зварювання має відповідати зоні руху зварювального інструменту тертям. Внутрішні ребра жорсткості, галтелі та локальні суцільні секції всередині профілів повинні забезпечувати належну підтримку для процесу зварювання. Якщо глибина зварного шва значна, необхідно відповідно збільшити структурну жорсткість відповідної ділянки; інакше під тиском зварювання може виникнути локальна деформація.

 

Для з’єднання між опорними плитами можна вибрати конфігурацію стикового-з’єднання або-нахлесткового з’єднання на основі конструкції конструкції. Дво-стороннє зварювання підвищує структурну стабільність зони з’єднання, але збільшує шлях обробки та час виготовлення; тому вибір залежить від структури продукту та вимог виробничого циклу.

 

 

З’єднання між рамою та базовою плитою є критично важливим-інтерфейсом для корпусу акумуляторної батареї, а спосіб з’єднання безпосередньо впливає на загальну міцність конструкції та ефективність ущільнення. Загальні підходи включають дво-стороннє зварювання тертям із перемішуванням (FSW) або поєднання зовнішнього FSW із внутрішнім MIG зварюванням і ущільненням.

 

Дво-сторонній FSW забезпечує безперервний інтерфейс з’єднання та допомагає мінімізувати деформацію,-спричинену зварюванням. Проте конструктивна конструкція має передбачати достатній зазор для зварювального інструменту, що може вимагати спеціальних розмірів поперечного-перерізу рами.

 

Інший підхід передбачає використання FSW зовні та MIG зварювання всередині. Ця конфігурація забезпечує відносно високу ефективність виробництва та більшу гнучкість у конструкції профілю; однак якість зварного шва та ефективність герметизації у зварених-зонах внутрішнього оплавлення потребують особливої ​​уваги. Якщо можливі шляхи витоку, може знадобитися вторинний захист за допомогою герметика.

 

Для деяких складних зон з’єднання штамповані алюмінієві листові металеві компоненти можуть використовуватися як незалежні з’єднувачі, які потім з’єднуються з основним корпусом за допомогою заклепок, зварювання або болтів. Ця стратегія зменшує складність виробництва, пов’язану з виготовленням складних конструкцій як єдиних інтегрованих одиниць.

 

 

Акумуляторні батареї для транспортних засобів з новими джерелами енергії зазвичай встановлюються в нижній частині автомобіля або біля шасі, піддаючи їх довгостроковій дії таких факторів навколишнього середовища, як дощ, бруд, стояча вода, коливання температури та механічна вібрація. Конструкція герметизації корпусу має вирішальне значення не тільки для довговічності структурних компонентів, але й для електричної безпеки акумуляторної системи.

 

У процесі проектування вкрай важливо контролювати потенційні шляхи витоку, як-от зварні шви опорної плити, з’єднання рам, фланці верхньої кришки, монтажні отвори для кріплень та інтерфейси для джгутів проводів і з’єднань під високою-напругою. Для корпусів, у яких використовуються зварні з’єднання, слід застосовувати контроль якості зварювання та випробування герметичності, щоб переконатися, що немає значного ризику протікання в місцях з’єднання.

 

Між корпусом і верхньою кришкою зазвичай використовуються ущільнювальні стрічки, спінені ущільнювальні матеріали або інші еластичні ущільнювальні структури. Конструкція герметизації також повинна стосуватися зон кріпильних елементів, щоб запобігти тому, щоб отвори для болтів або заклепок ставали шляхами для проникнення вологи в корпус.

 

У деяких конфігураціях електричні компоненти-такі як ізольовані шини-розташовані поблизу внутрішніх структур акумуляторної батареї; отже, слід враховувати такі фактори, як відстань ізоляції, методи монтажу та вплив герметичності середовища на довго-роботу електричних компонентів.

 

 

Акумуляторні блоки з алюмінієвого сплаву не покладаються виключно на процеси екструзії. Такі компоненти, як монтажні кронштейни, з’єднувальні пластини, посилення та локальні конструктивні деталі, можна масово-виробляти за допомогою штампування алюмінію. Штампування пропонує такі переваги, як швидкі виробничі цикли, високий рівень використання матеріалу та придатність для масового виробництва.

 

Для деталей зі складною геометрією та високими вимогами до точності розмірів можна використовувати поєднання штампування алюмінієвого листового металу та обробки з ЧПУ. Штампування використовується для формування основного профілю та основної структури, тоді як механічна обробка виконує точну обробку отворів, монтажних поверхонь і критичних розмірів.

 

На етапі розробки проекту або для невеликого -серійного виробництва індивідуальне штампування алюмінію може зменшити інвестиції в спеціалізований інструмент і полегшити швидке коригування конструкції на основі результатів тестування прототипу. Після переходу до масового виробництва інструменти, використання матеріалів і виробничі цикли повинні бути додатково оптимізовані, щоб контролювати витрати на виробництво одиниці.

 

Для локальних кронштейнів, кріплень і допоміжних конструкцій для електричних з’єднань штамповані алюмінієві деталі доповнюють екструдовані профілі та зварні конструкції, пропонуючи більшу гнучкість у загальній стратегії виробництва акумуляторних блоків.

 

 

Щільність алюмінію становить приблизно-третину густини сталі; отже, заміна деяких сталевих конструкцій на алюмінієві сплави пропонує значний потенціал для зменшення ваги. Однак досягнуте фактичне зменшення ваги є не просто функцією різниці щільності матеріалу; це також залежить від-геометрії поперечного перерізу, товщини стінок, методів з’єднання та структур армування.

 

Основою легкої конструкції є оптимізація шляхів навантаження. Для областей, які зазнають значних навантажень на вигин і удари, жорсткість можна підвищити шляхом збільшення висоти поперечного-перерізу, додавання ребер підсилення або використання багато-камерних конструкцій, а не просто збільшення товщини всієї панелі.

 

Для не-основних{1}}несучих навантажень ділянок використання матеріалу можна зменшити шляхом локального потоншення, включення вирізів і оптимізації конструкції. CAE (Computer-Aided Engineering) аналіз кінцевих елементів дозволяє оцінити напругу та деформацію в корпусі за таких умов, як прискорення, вібрація, розчавлення та інші типові робочі сценарії, дозволяючи визначити потенційні слабкі місця на етапі проектування.

 

Важливо відзначити, що зменшення ваги акумуляторної батареї не повинно відбуватися на шкоду безпеці. Конструкція конструкції вимагає досягнення розумного балансу між вагою, жорсткістю, міцністю, довговічністю, безпекою при зіткненні, витратами на виробництво та ефективністю ущільнення.

 

 

Під час розробки конструкції акумуляторної батареї моделювання CAE використовується для перевірки різних матеріалів і варіантів конструкції поперечних-зрізів. Типові аналізи включають статичну міцність, модальний аналіз, аналіз вібрації, розчавлення, удару та локального напруження в точках з’єднання.

 

Наприклад, щодо конструкцій із використанням сплаву 6005A-T6, розраховані максимальні значення напруги можна порівняти з межею текучості матеріалу, враховуючи при цьому коефіцієнти міцності, характеристики зварного з’єднання та довготривале-втомне навантаження.

 

Сценарії руйнування вимагають особливої ​​уваги до безпечного проміжку між акумуляторними модулями та корпусом. Значна структурна деформація, яка проникає в область клітини, може збільшити ризик механічного пошкодження клітин. Тому результати моделювання необхідно оцінювати в поєднанні з фактичними розмірами акумуляторного модуля, безпечними відстанями та загальною конструкцією автомобіля.

 

Окрім аналізу CAE, стадія створення прототипу повинна включати тестування на герметичність, водонепроникність, вібрацію, механічну міцність і стійкість до навколишнього середовища. У той час як симуляція слугує для скорочення ітераційних циклів проектування, фізичні випробування є важливими для перевірки продуктивності продукту в реальних-умовах експлуатації.

 

 

 

Оскільки нові енергетичні транспортні платформи розвиваються в бік високої напруги, високої ємності та високої інтеграції, функціональність корпусів акумуляторних блоків продовжує розширюватися. Майбутні структурні проекти приділятимуть більшу увагу синергії між корпусом, системою охолодження, електричними з’єднаннями та керуванням теплом.

 

З одного боку, профілі з алюмінієвого сплаву зберігають значну перевагу в легкості; багато{0}}камерні екструдовані конструкції, локалізоване армування та інтегровані канали охолодження залишатимуться ключовими напрямками проектування. З іншого боку, комбіноване застосування штампованих алюмінієвих листів, литих алюмінієвих конструкцій і екструдованих профілів збільшиться, щоб задовольнити виробничі вимоги різноманітних моделей транспортних засобів і акумуляторних платформ.

 

Що стосується упаковки елементів, алюмінієві оболонки для літій-іонних акумуляторів мають збалансувати точність формування, стійкість до корозії, цілісність ущільнення та вимоги до внутрішнього електрохімічного середовища. На рівні акумуляторної батареї фокус зміщується на структурну міцність, герметизацію та захист, керування температурою та безпеку в разі зіткнення.

 

Для призматичних акумуляторних систем конструкція алюмінієвого корпусу та структури блоку повинна повністю враховувати розташування елементів, накопичення допусків і методи монтажу модулів, щоб мінімізувати структурні перешкоди під час складання.

 

Процеси глибокої витяжки підходять для певних металевих корпусів акумуляторів зі складною просторовою геометрією; Основні міркування щодо конструкції включають подовження матеріалу, контроль товщини листа, радіуси кутів і ризик розтріскування під час формування.

 

Для алюмінієвих корпусів майбутні тенденції дизайну віддаватимуть пріоритет інтеграції,-що дозволить структурним компонентам виконувати кілька функцій (таких як охолодження,{1}}витримувати навантаження, монтувати та захистити), щоб зменшити загальну кількість окремих частин.

 

Загалом не існує єдиного фіксованого технічного шляху для корпусів акумуляторних батарей із алюмінієвого сплаву. Виробничі процеси-такі як екструзія, штампування, механічна обробка, зварювання тертям із перемішуванням, зварювання MIG, заклепки та склеювання-потрібно поєднувати на основі розмірів продукту, систем матеріалів, обсягу виробництва, точності та вимог до продуктивності. Технологічні маршрути, прийняті компаніями, що виготовляють алюміній, можуть суттєво відрізнятися залежно від обсягу виробництва та складності конструкції; отже, рішення, визначене на етапі розробки продукту, має визначати пріоритет структурних вимог і здійсненності виробництва.

 

З інженерної точки зору, полегшення корпусу акумуляторної батареї – це не просто заміна сталі на алюміній; скоріше це системна інженерна робота, яка передбачає взаємодію матеріалів, структур-перерізів, процесів з’єднання, конструкцій ущільнення, перевірки симуляції та масового виробництва. Лише враховуючи конструктивні характеристики та виробничі процеси одночасно, можна зменшити вагу, зберігаючи міцність, герметичність і довгострокову-надійність, необхідні для акумуляторної системи.

 

длянові акумуляторні батареї транспортних засобів, групи інженерів, які беруть участь у розробці продукту або закупівлі великого обсягу, повинні додатково підтверджувати конкретні технічні рішення з виробниками, які володіють необхідними можливостями у штампуванні, екструзії та зварюванні алюмінієвих сплавів, беручи до уваги марки матеріалів, структурні розміри, процеси формування, методи зварювання, рейтинги ущільнення та вимоги до перевірки.