حلول غلاف بطاريات ألياف الكربون: خفض الوزن وإضافة السلامة إلى حزم تخزين الطاقة والسيارات الكهربائية

حزمة البطارية شيء غريب للهندسة. الخلايا الداخلية فيها حساسة للحرارة والسحق والرطوبة والاهتزاز ، ومع ذلك من المتوقع أن يختفي الغلاف الذي يحميها من السيارة أو الرف فيما يتعلق بالمدى والحمولة المفيدة والوصول إلى الخدمة. هذا التوتر هو بالضبط المكان الذي يكسب فيه ألياف الكربون مكانها. هذا دليل الحل يمشي عن طريق كيفية حل الأغلفة المركبة من ألياف الكربون والوحدات الهيكلية للمشاكل الحقيقية التي يواجهها مهندسو حزمة البطارية في السيارات الكهربائية وتخزين الطاقة في الشبكة وأنظمة الطاقة المحمولة - وكيفية تناسب أجزاء الألياف الكربونية والمقمشة والألواح والأجزاء المركبة النهائية في كل خطوة.

1. لماذا الحاجز هو الجزء الصعب من حزمة البطارية

الخلايا تحصل على معظم الاهتمام، ولكن الحاجز هو المكان الذي تتراكم فيه الكتلة والسلامة وتكلفة التصنيع بهدوء. تظهر الخطأ على شكل مسافة ضائعة أو اختبارات تحطم فاشلة أو كابوس خدمة. ثلاثة ضغوط تسحب ضد بعضها البعض في كل تصميم حزمة.

1.1 مشكلة الوزن

يمكن للغلاف التقليدي من الفولاذ أو الألومنيوم أن يضيف 20-35٪ إلى كتلة الخلايا التي يحملها. في سيارة كهربائية للركاب، يتم دفع ثمن الكتلة الإضافية مرتين - مرة واحدة كهيكل، ومرة أخرى كبطارية أكبر بحاجة إلى حملها. عندما يتم تركيب غلاف عالي في السيارة، فإنه يرفع أيضًا مركز الجاذبية ويؤذي التعامل. كل كيلوغرام يتم إزالته من الحاجز هو كيلوغرام متاح للخلايا أو الحمولة المفيدة أو المدى.

1.2 مشكلة الاصطدام والتسلل

الحزمة تقع منخفضة وخارجها ، بالضبط حيث تركز التأثيرات الجانبية والضربات تحت الجسم على الحمل. يجب على الغلاف مقاومة التسلل في كومة الخلايا ، وامتصاص الطاقة على عتبة وقطاع الإطار ، والاحتفاظ بشكلها بحيث لا يتم ضبط الخلايا. الفولاذ يقوم بذلك بشكل جيد ولكن بقوة. الألومنيوم يفعل ذلك أكثر خفيفة ولكن يحتاج إلى عمق القسم أكثر للوصول إلى نفس الصلابة.

1.3 المشكلة الحرارية والكهربائية

غطاء البطارية هو أيضا حدود حرارية وكهربائية. يجب ألا يكون قصير الحزمة، يجب أن تدير مسارات الحرارة، وفي حالة الهروب الحراري هو آخر خط دفاع بين الخلية الفاشلة والمساكن أو الرف المحيط. تتفاعل هذه المتطلبات: غالبا ما يكون موصل حراري جيد موصل كهربائي جيد ، ويتبع كل من الخصائص من اختيار المادة.

2. كيف يحل ألياف الكربون كل من هذه المشاكل

البوليمر المعزز بألياف الكربون (CFRP) ليس مادة واحدة بل مساحة تصميم. هذه هي ميزته هنا: يمكن ضبط الصفيحة لوضع الصلابة والقوة والسلوك الحراري حيث تتطلب حالة الحمل ، والبقاء خفيفة في كل مكان آخر.

2.1 القوة إلى الوزن والصلابة إلى الوزن

توفر المواد المركبة من ألياف الكربون قوة محددة وصلابة محددة أعلى عدة مرات من الفولاذ وأعلى بكثير من الألومنيوم. يترجم هذا إلى حزمة ، مما يعني أن غلاف بنفس صلابة تصميم الألومنيوم يمكن أن يزن أقل بنسبة 30-50 ٪ ، أو يمكن إنفاق نفس الكتلة على هيكل اصطدام إضافي ولا يزال يخرج إلى الأمام. بالنسبة لرفوف تخزين الشبكة ، حيث تتراكم عشرات الحاويات في حاوية ، تنتشر الكتلة المحفوظة عبر هيكل الدعم بأكمله.

2.2 الأنيسوتروبي المخصص: الصلابة حيث يهم

لأن الألياف تحمل حمولة فقط على طول طولها ، يمكن وضع الصفيحة في اتجاه. يمكن أن يكون الغطاء رقيق وشبه متساوي للتعامل مع الأهداف الوضعية. يمكن بناء عتبة مع الألياف التي تعمل جانبيا للبقاء على قيد الحياة التسلل الجانبي. يمكن أن يكون الأرضية متحيزة للانحناء تحت كومة الخلايا. هذا التصميم الاتجاهي هو ما يسمح لمادة واحدة تلبي المتطلبات التي ستحتاج إلى عدة معادن مختلفة.

2.3 السلوك الحراري والكهربائي

ألياف الكربون نفسها توصل الحرارة والكهرباء، لذلك سطح CFRP الخام ليس عازلا. هذا اعتبار تصميم، وليس عيب: يمكن استخدامه عمدا كمسار لانتشار الحرارة، ثم عزله كهربائيا مع طبقات سطح الزجاج أو الأراميد، أو الطلاءات، أو طبقات العزل المخصصة. ويتناول الفصل الخامس هذا في الممارسة العملية.

3. رسم خرائط الحزمة: أي منتج من ألياف الكربون يذهب إلى أين

حزمة ليست جزء واحد، وشكل ألياف الكربون الصحيح يختلف قسم من قسم إلى آخر. النهج الأكثر موثوقية هو رسم خريطة للغلاف هيكليا قبل اختيار المواد.

3.1 الغطاء العلوي والغطاء

ما الذي يجب أن يفعله الغطاء

الغطاء لا يحمل حمولة الخلية ولكن يجب أن تبقى مسطحة ، وتختم ضد الصنية ، وتبقى على قيد الحياة فتح متكرر أثناء الخدمة. كما أنها اللوحة الأكثر عرضة للتعامل مع الضرر أثناء التجميع ، لذلك فإن متانة السطح مهمة بقدر الصلابة.

التخطيط النموذجي

عادة ما يكون الغطاء أكبر لوحة واحدة وأسهل مكان لتوفير الكتلة. يعطي الغطاء الرقيق من ألياف الكربون - من طبقتين إلى أربع طبقات في كومة شبه متماثلة - غطاءًا صلبًا مسطحًا يحتفظ بشكله من خلال الدراجات الحرارية ويلبي أهداف مسطحة الوجه الختم. كما تقبل الأغطية المصبوبة بالضغط أو المعالجة بالأوتوكلاف الأضلاع والإدراجات المصبوبة ، لذلك تأتي الصلابة من الهندسة بدلاً من السمك الإضافي.

3.2 علبة أسفل، لوحة قاعدة، وهيكل الاصطدام

مسار التحميل أولاً

قبل اختيار المادة، تتبع حيث إضراب تحت الجسم أو تأثير جانبي يرسل الحمل. إذا كان المسار يمر عبر الصنية ، فإن الصنية هيكلية ؛ إذا تجاوزت في السكك الحديدية الإطار، يمكن تحسين علبة الختم والصلابة وحدها.

علبة مقابل لوحة قاعدة

الصانية السفلية تحمل الخلايا وتأخذ حالة التحميل تحت الجسم. هنا الشرط ليس فقط صلابة ولكن امتصاص الطاقة. النسيج المنسوج من ألياف الكربون والأنابيب المنسوجة تسحق تدريجيا وبشكل قابل للتنبؤ ، وهذا هو السبب في ظهورها في إدراجات عتبة وعلبات الاصطدام حول الحزمة. وعادة ما تكون لوحة قاعدة مسطحة ومغلقة ورقة CFRP مصبوبة بالضغط أو مصنوعة بالآلة ، يتم اختيارها للسطحة والقدرة على التصنيع.

3.3 وحدات داخلية، ناقلات الحافلة، وحاملي الخلايا

داخل الحاجز، الكتلة لا تزال مهمة ولكن أيضا المساحة والجزء العد. يمكن أن تعمل لوحات ألياف الكربون الرقيقة والأقواس المركبة المعالجة كأطر وحدات وناقلات الحافلات وأحامل الخلايا ، واستبدال مجموعة من الأجزاء المعدنية بمكونات أقل وأخفف وزنا. لأن هذه الأجزاء غالبا ما تكون غير هيكلية ، تصبح صيغ الألياف القصيرة المعاد تدويرها قابلة للتطبيق وفعالة من حيث التكلفة هنا.

3.4 الهيكلية عبر الأعضاء وإطارات صندوق البطارية

الأعضاء المستقيمة الطويلة - الأعضاء المتقاطعة والسكك الحديدية وإطارات صندوق البطارية - هي المكان الذي تلمع فيه ملفات الألياف الكربونية المقطوعة. ينتج Pultrusion ملامح ذات قسم ثابت مع ألياف مستمرة على طول المحور ، مما يعطي صلابة محورية عالية بتكلفة أدوات منخفضة ، وهو أمر مثالي لعضو يحتاج ببساطة إلى أن يكون جامدًا ومستقيمًا وخفيفًا.

4. أشكال المواد وكيفية الاختيار بينها

4.1 Prepreg والأوتوكلاف أو الصحافة علاج

تعطي الألياف الكربونية مسبقا أعلى جزء من حجم الألياف والخصائص الميكانيكية الأكثر اتساقا، والذي يهم للأجزاء الهيكلية والاصطدامية حيث تحتاج إلى أداء قابل للتنبؤ ويمكن توثيقه. يحمل تكلفة معالجة أعلى ، لذلك عادة ما يكون مخصصًا للغطاء وهيكل التحطم ومسارات الحمل الأولية.

4.2 النسيج ، NCF ، والألياف القصيرة المعاد تدويرها

النسيج المنسوج من ألياف الكربون والنسيج غير التقطيع هو حصان العمل للألواح المصبوبة مع الانحناء المركب. إنها تتغطي بشكل جيد ، وتتحمل مجموعة من العمليات ، وتعطي خصائص جيدة خارج الطائرة في مناطق التحطم. عندما يكون الجزء غير هيكلي، فإن مركبات الألياف القصيرة المعاد تدويرها تقلل من التكلفة وتدعم أهداف الاستدامة.

4.3 الملفات الشخصية Pultruded واللوحات الآلية

تخدم الملفات الشخصية المقطوعة وألواح ألياف الكربون المصنعة العناصر الخطية والمسطحة. يحتاجون إلى أدوات قليلة أو لا أدوات ، ويمكن قطعها وحفرها وربطها داخليا ، وتحويل غلاف معقد إلى مجموعة من الأجزاء المفهومة جيدا. غالبا ما يكون هذا أسرع طريق من التصميم إلى حزمة النموذج الأولي العاملة.

5. مصفوفة الاختيار: متطلبات المنتج

الجدول أدناه هو الاختصار الذي نستخدمه مع مهندسي الحزم عندما لا يزال التصميم سائلاً. اقرأها من اليسار إلى اليمين: يقود المتطلب النموذج المادي ، الذي يقود بعد ذلك مسألة الشراء.

6. ملاحظات التنفيذ التي تقرر ما إذا كان التصميم يعمل

اختيار المواد هو نصف القصة فقط. أربع تفاصيل تحدد ما إذا كانت غلافة ألياف الكربون تعمل في الميدان أو تفشل في التحقق من صحتها.

6.1 العزل الجلفاني

حيث يعض

يظهر التآكل أولاً في ثقوب المسامير وخطوط المرافق وأي قوس يلمس CFRP الخام أثناء البقاء رطبًا. القواسين هي نقطة الفشل الأولى المعتادة في الخدمة الميدانية.

تصميم إصلاح

ألياف الكربون كاثودية بالنسبة للألومنيوم والصلب. عندما يلتقي جزء من CFRP بمثبت معدني أو قوس ، يتآكل المعدن. الإصلاح القياسي هو طبقة عزل زجاجية أو أراميد في الواجهة ، وعزل غسالات أو بوشات ، ومواد ختم تبقي الرطوبة خارج المفصل. هذا رخيص للتصميم ومكلف للتجديد.

6.2 احتواء الحريق والهروب الحراري

ومن المتوقع أن يمنح الحاجز الساكنين والمعدات المحيطة الوقت للهروب من الهروب الحراري. يمكن الجمع بين المركبات من ألياف الكربون مع الطلاءات المتحركة ، أو شعور الأراميد ، أو حواجز الألياف المأكسدة مسبقا لتشكيل نظام حماية سلبي طبقات يؤخر نقل اللهب والحرارة. تم تصميم الحاجز كنظام ، وليس كمادة واحدة.

6.3 تثبيت وإدراج وختم

المركبات لا تحب المسامير المحمولة بالنقاط. النهج الموثوق به هو إدراجات مصبوبة أو مرتبطة ، ومسارات تحميل منتشرة ، ووجوه ختم مصممة مع مسطحة كافية لاتخاذ طبق. يجب تصميم المفاصل المسمارة من خلال الصفيحة دائما مع مسافة حافة كافية ومساحة تحمل، واستبدالها، حيثما أمكن، بالمفاصل المرتبطة أو الهجينة.

6.4 القوة العازلية واستراتيجية العزل

لأن ألياف الكربون تقود، لا يمكن للعزل الكهربائي للحزمة الاعتماد على المركب الهيكلي. تصميم في عزل مخصص - طبقات سطح الزجاج ، أو الأفلام العازلة ، أو الطلاءات - ومعاملة هيكل CFRP كجسم موصل يجب أن يكون معزولا كهربائيا وتربيته كما هو مقصود.

7. المواد الداعمة: الأراميد، ما قبل الأكسدة، والتخطيطات الهجينة

ألياف الكربون نادرا ما تعمل لوحدها في غلاف البطارية. تضيف الألياف الطويلة والأقمشة الأراميدية تسامح التأثير والعزل الكهربائي ، مما يجعلها شريكًا طبيعيًا لألياف الكربون في الألياف المختلطة الهجينة. خيوط الألياف المسبقة الأكسدة والنسيج والشعور يجلب مقاومة اللهب والعزل الحراري في التركيب ، مفيد حول الحاجز الهارب وحول المكونات الساخنة. يبقى الألياف الزجاجية طبقة العزل القياسية في الواجهات المعدنية. معًا ، تسمح هذه المواد للغلاف بتلبية المتطلبات الميكانيكية والحرارية والكهربائية في هيكل واحد بدلاً من ثلاثة منفصلة.

8. لماذا Tanchain للبطارية غلاف المركبات

توفر Tanchain سلسلة ألياف الكربون الكاملة التي يحتاجها برنامج غلاف البطارية: سليفة ألياف الكربون ، خيوط ألياف الكربون ، نسيج ألياف الكربون ، ألياف الكربون المسبقة ، لوحات ألياف الكربون المصنوعة بالآلات ، الملفات الشخصية المضغوطة ، وأجزاء ألياف الكربون النهائية ، جنبًا إلى جنب مع خيوط الأراميد ، نسيج الأراميد ، وخيوط الألياف المسبقة الأكسدة ، نسيج ، وشعرت بطبقات العزل والحاجز على اللهب. يعني هذا النطاق أنه يمكن لفريق التعبئة الحصول على مجموعة مواد موثقة ومطابقة للغطاء والصينية وهيكل الاصطدام والوحدات الداخلية والحواجز من مورد واحد ، مع مواصفات متسقة عبر الحاجز بأكمله.

إذا كنت تقوم بتصميم أو إعادة تحديد غلاف بطارية للسيارة الكهربائية أو حاوية تخزين الشبكة أو نظام الطاقة المحمول ، ارسل لنا المتطلبات - الهدف الكلي ، حالة الاصطدام ، الحالة الحرارية ، وهندسة المعمارية - وسوف نوصي بأشكال المواد والتخطيطات التي تناسب. استكشف منتجاتنا من ألياف الكربون وحلولنا المركبة ، أو اطلب اقتباسًا لبرنامجك.