Λύσεις περιβλήτου μπαταριών ινών άνθρακα: μείωση βάρους, προσθήκη ασφάλειας στα πακέτα αποθήκευσης ενέργειας και ηλεκτρικών οχημάτων

Μια μπαταρία είναι παράξενο πράγμα για μηχανικό. Τα κύτταρα μέσα του είναι ευαίσθητα στη θερμότητα, τη συντριβή, την υγρασία και τις δονήσεις, ωστόσο το περίβλημα που τα προστατεύει αναμένεται να εξαφανιστεί από το όχημα ή το ράφι όσον αφορά την εμβέλεια, το ωφέλιμο φορτίο και την πρόσβαση στην υπηρεσία. Αυτή η ένταση είναι ακριβώς εκεί που η ίνα άνθρακα κερδίζει τη θέση της. Αυτός ο οδηγός λύσης περιηγείται τον τρόπο με τον οποίο τα σύνθετα περίβλητα από ίνες άνθρακα και οι δομικές ενότητες λύνουν τα πραγματικά προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι μηχανικοί πακέτων μπαταριών σε ηλεκτρικά οχήματα, αποθήκευση ενέργειας δικτύου και φορητά συστήματα ενέργειας - και τον τρόπο με τον οποίο τα προκατασκευασμένα από ίνες άνθρακα, τα υφάσματα, οι πλάκες και τα τελικά σύνθετα

1. Γιατί το περίβλημα είναι το σκληρό μέρος μιας μπαταρίας

Τα κύτταρα παίρνουν την μεγαλύτερη προσοχή, αλλά το περίβλημα είναι όπου συσσωρεύονται σιωπηλά η μάζα, η ασφάλεια και το κόστος κατασκευής. Το λάθος εμφανίζεται ως χαμένη εμβέλεια, αποτυχημένες δοκιμές συντριβής ή εφιάλτης εξυπηρέτησης. Τρεις πιέσεις τραβούν η μία εναντίον της άλλης σε κάθε σχεδιασμό συσκευασίας.

1.1 Το πρόβλημα του βάρους

Ένα συμβατικό περίβλημα συσκευασίας από χάλυβα ή αλουμίνιο μπορεί να προσθέσει 20-35% στη μάζα των κυττάρων που κρατά. Σε ένα επιβατικό ηλεκτρικό όχημα αυτή η επιπλέον μάζα πληρώνεται δύο φορές - μια φορά ως δομή και πάλι ως μεγαλύτερη μπαταρία που χρειάζεται για να τη μεταφέρει. Κάθε κιλό που αφαιρείται από το περίβλημα είναι ένα κιλό διαθέσιμο για κύτταρα, ωφέλιμο φορτίο ή εύρος.

1.2 Το πρόβλημα της κατάρρευσης και της εισβολής

Το πακέτο κάθεται χαμηλά και εξωτερικά, ακριβώς εκεί που πλευρικές κρούσεις και χτυπήσεις κάτω από το σώμα συγκεντρώνει το φορτίο. Το περίβλημα πρέπει να αντισταθεί στην εισβολή στη στοίβα κυττάρων, να απορροφήσει ενέργεια στο κατώφλι και τις ράγες πλαισίου και να κρατήσει το σχήμα του έτσι ώστε τα κύτταρα να μην σφιγίζονται. Ο χάλυβας το κάνει καλά αλλά βαριά. Το αλουμίνιο το κάνει πιο ελαφρά, αλλά χρειάζεται περισσότερο βάθος τμήματος για να φτάσει στην ίδια σκληρότητα.

1.3 Το θερμικό και ηλεκτρικό πρόβλημα

Ένα περίβλημα μπαταρίας είναι επίσης ένα θερμικό και ηλεκτρικό όριο. Δεν πρέπει να συντομεύει τη συσκευασία, πρέπει να διαχειρίζεται τις διαδρομές θερμότητας και σε περίπτωση θερμικής διαρροής είναι η τελευταία γραμμή άμυνας μεταξύ ενός κελιού που δεν λειτουργεί και του επιβάτη ή του περιβάλλοντος ράφι. Αυτές οι απαιτήσεις αλληλεπιδρούν: ένας καλός θερμικός αγωγός είναι συχνά ένας καλός ηλεκτρικός αγωγός και και οι δύο ιδιότητες ακολουθούν από την επιλογή του υλικού.

2. Πώς οι ίνες άνθρακα λύνουν κάθε ένα από αυτά τα προβλήματα

Το πολυμερές ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (CFRP) δεν είναι ένα ενιαίο υλικό αλλά ένας χώρος σχεδιασμού. Αυτό είναι το πλεονέκτημά του εδώ: το laminate μπορεί να ρυθμιστεί για να θέσει την ακαμψία, την αντοχή και τη θερμική συμπεριφορά όπου απαιτεί η περίπτωση φορτίου και να παραμείνει ελαφρύ παντού αλλού.

2.1 Δύναμη σε βάρος και σκληρότητα σε βάρος

Τα σύνθετα από ίνες άνθρακα παρέχουν συγκεκριμένη αντοχή και συγκεκριμένη σκληρότητα αρκετές φορές υψηλότερη από τον χάλυβα και σημαντικά πάνω από το αλουμίνιο. Μεταφρασμένο σε συσκευασία, αυτό σημαίνει ότι ένα περίβλημα της ίδιας σκληρότητας με ένα σχέδιο αλουμινίου μπορεί να ζυγίζει 30-50% λιγότερο, ή η ίδια μάζα μπορεί να δαπανηθεί σε πρόσθετη δομή σύγκρουσης και να εξακολουθεί να βγαίνει μπροστά. Για τα ράφια αποθήκευσης δικτύου, όπου δεκάδες περίβλητα συσσωρεύονται σε ένα δοχείο, η εξοικονομημένη μάζα εξαπλώνεται σε όλη τη δομή υποστήριξης.

2.2 Η προσαρμοσμένη ανισοτροπία: η σκληρότητα όπου έχει σημασία

Επειδή οι ίνες μεταφέρουν φορτίο μόνο κατά μήκος του μήκους τους, το στρωματικό μπορεί να τοποθετηθεί κατευθυνματικά. Ένα κάλυμμα μπορεί να είναι λεπτό και σχεδόν ισοτροπικό για τη διαχείριση και τους στόχους τροποποίησης. ένα κατώφλι μπορεί να κατασκευαστεί με ίνες που τρέχουν πλευρικά για να επιβιώσουν πλευρική εισβολή· ένα πάτωμα μπορεί να είναι προκατελημένο για την κάμψη κάτω από τη στοίβα κυττάρων. Αυτό το κατευθυνόμενο σχέδιο είναι αυτό που επιτρέπει σε ένα ενιαίο υλικό να ικανοποιήσει απαιτήσεις που διαφορετικά θα χρειαζόταν πολλά διαφορετικά μέταλλα.

2.3 Ηλεκτρική και θερμική συμπεριφορά

Η ίδια η ίνα άνθρακα οδηγεί θερμότητα και ηλεκτρική ενέργεια, έτσι μια ακατέργαστη επιφάνεια CFRP δεν είναι μόνωση. Αυτό είναι μια σκέψη σχεδιασμού, όχι ένα ελάττωμα: μπορεί να χρησιμοποιηθεί σκόπιμα ως διαδρομή διάδοσης θερμότητας και στη συνέχεια να απομονωθεί ηλεκτρικά με στρώματα επιφάνειας γυαλιού ή αραμιδίου, επικάλυψη ή ειδικά στρώματα μόνωσης. Το κεφάλαιο 5 το καλύπτει στην πράξη.

3. Χαρτογράφηση της συσκευασίας: Ποιο προϊόν ινών άνθρακα πηγαίνει πού

Μια συσκευασία δεν είναι ένα μέρος και η σωστή μορφή ινών άνθρακα διαφέρει από τμήμα σε τμήμα. Η πιο αξιόπιστη προσέγγιση είναι να χαρτογραφήσετε το περίβλημα δομικά πριν επιλέξετε υλικά.

3.1 Ανώτερο κάλυμμα και καπάκι

Τι πρέπει να κάνει το καπάκι

Το καπάκι δεν μεταφέρει φορτίο κυττάρων, αλλά πρέπει να παραμείνει επίπεδο, να σφραγίσει εναντίον του δίσκου και να επιβιώσει από το επαναλαμβανόμενο άνοιγμα κατά τη διάρκεια της υπηρεσίας. Είναι επίσης ο πίνακας που εκτίθεται περισσότερο σε ζημιές χειρισμού κατά τη διάρκεια της συναρμολόγησης, οπότε η αντοχή της επιφάνειας έχει σημασία τόσο όσο και η σκληρότητα.

Το τυπικό lay-up

Το κάλυμμα είναι συνήθως το μεγαλύτερο μεμονωμένο πάνελ και το ευκολότερο μέρος για να εξοικονομηθεί μάζα. Ένα λεπτό προφυλλωμένο στρώμα από ίνες άνθρακα - δύο έως τέσσερις στρώσεις σε μια σχεδόν ισοτροπική στοίβα - δίνει ένα σκληρό, επίπεδο κάλυμμα που διατηρεί το σχήμα του μέσω θερμικού κύκλου και πληροί τους στόχους επίπεδης σφράγισης. Τα καπάκια που έχουν σχηματιστεί με συμπίεση ή έχουν θεραπευτεί με αυτοκλαβή δέχονται επίσης σχηματισμένες πλευρές και εισαγωγές, οπότε η ακαμψία προέρχεται από τη γεωμετρία και όχι από το επιπλέον πάχος.

3.2 Κάτω δίσκο, πλάκα βάσης και δομή συντριβής

Φορτώστε πρώτα τη διαδρομή

Πριν επιλέξετε ένα υλικό, εντοπίστε πού μια χτύπηση κάτω από το σώμα ή μια πλευρική πρόσκρουση στέλνει φορτίο. Εάν η διαδρομή τρέχει μέσα από τον δίσκο, ο δίσκος είναι δομικός. εάν παρακάμπτει τις ράγες πλαισίου, ο δίσκος μπορεί να βελτιστοποιηθεί μόνο για τη σφράγιση και την ακαμψία.

Δίσκος έναντι πλάκας βάσης

Ο κάτω δίσκος μεταφέρει τα κύτταρα και παίρνει το κάτω φορτίο. Εδώ η απαίτηση δεν είναι μόνο η σκληρότητα αλλά και η απορρόφηση ενέργειας. Τα υφασμένα υφάσματα από ίνες άνθρακα και οι πλεγμένοι σωλήνες συντριβώνουν σταδιακά και προβλέψιμα, γι 'αυτό εμφανίζονται σε εισαγωγές προπέδου και δοχεία συντριβής γύρω από τη συσκευασία. Μια επίπεδη, σφραγισμένη πλάκα βάσης είναι συνήθως ένα φύλλο CFRP που σχηματίζεται με συμπίεση ή επεξεργάζεται με μηχανή, επιλεγμένο για την επίπεδη και την επεξεργασιμότητα.

3.3 Εσωτερικές ενότητες, φορείς busbar και κάτοχοι κυττάρων

Μέσα στο περίβλημα, η μάζα εξακολουθεί να έχει σημασία, αλλά το ίδιο κάνουν και ο χώρος και τα μέρη. Οι λεπτές πλάκες ινών άνθρακα και οι επεξεργασμένες σύνθετες υποστήριξεις μπορούν να λειτουργούν ως πλαίσια μονάδας, φορείς γραμμών και κρατητές κυττάρων, αντικαθιστώντας ένα σύνολο μετάλλων εξαρτημάτων με λιγότερα, ελαφρύτερα εξαρτήματα. Επειδή αυτά τα μέρη είναι συχνά μη δομικά, ανακυκλωμένες σύντομες μορφώσεις ινών γίνονται βιώσιμες και οικονομικά αποδοτικές εδώ.

3.4 Διαρθρωτικά διασταυρούμενα μέλη και πλαίσια κουτιών μπαταριών

Μακρά ευθεία μέλη - διασταυριακά μέλη, ράγες και πλαίσια κουτιών μπαταριών - είναι εκεί που λάμπουν τα προφίλ ινών άνθρακα. Η Pultrusion παράγει προφίλ σταθερής τομής με συνεχείς ίνες κατά μήκος του άξονα, δίνοντας υψηλή αξονική σκληρότητα με χαμηλό κόστος εργαλείων, το οποίο είναι ιδανικό για ένα μέλος που απλά πρέπει να είναι σκληρό, ευθύ και ελαφρύ.

4. Υλικές μορφές και πώς να επιλέξετε ανάμεσά τους

4.1 Προκατασκευή και αυτοκλαβή ή θεραπεία τύπου

Η προφυλακή από ίνες άνθρακα δίνει το υψηλότερο κλάσμα όγκου ινών και τις πιο συνεπείς μηχανικές ιδιότητες, κάτι που έχει σημασία για συντριβές και δομικά μέρη όπου χρειάζεστε προβλέψιμες, τεκμηριωμένες επιδόσεις. Φέρνει το υψηλότερο κόστος επεξεργασίας, έτσι συνήθως διατηρείται για το καπάκι, τη δομή σύγκρουσης και τις πρωτογενείς διαδρομές φορτίου.

4.2 Υφάσματα, NCF και ανακυκλωμένες σύντομες ίνες

Τα υφασμένα υφάσματα από ίνες άνθρακα και τα υφάσματα μη συρρίκνωσης είναι τα άλογα εργασίας για τυπωμένα πάνελ με σύνθετη καμπυλότητα. Ανέχονται μια σειρά από διαδικασίες και δίνουν καλές ιδιότητες εκτός αεροπλάνου στις ζώνες σύγκρουσης. Όπου το μέρος είναι μη διαρθρωτικό, οι ανακυκλωμένες σύνθετες ενώσεις ινών μειώνουν το κόστος και υποστηρίζουν τους στόχους βιωσιμότητας.

4.3 Pultruded προφίλ και επεξεργασμένες πλάκες

Τα ελκυστικά προφίλ και οι μηχανισμένες πλάκες ινών άνθρακα εξυπηρετούν τα γραμμικά και επίπεδα στοιχεία. Χρειάζονται λίγα ή καθόλου εργαλεία, μπορούν να κοπούν, να τρυπάνουν και να συνδέονται εσωτερικά και να μετατρέψουν ένα σύνθετο περίβλημα σε ένα κιτ καλά κατανοητών εξαρτημάτων. Αυτή είναι συχνά η ταχύτερη διαδρομή από το σχεδιασμό σε ένα εργαζόμενο πρωτότυπο.

5. Μία πίνακα επιλογής: Απαιτία για το προϊόν

Ο παρακάτω πίνακας είναι η συντομεύσεις που χρησιμοποιούμε με μηχανικούς συσκευασίας όταν ένας σχεδιασμός είναι ακόμα ρευστός. Διαβάστε το από αριστερά προς τα δεξιά: η απαίτηση οδηγεί την υλική μορφή, η οποία στη συνέχεια οδηγεί το ζήτημα προμήθειας.

6. Σημειώσεις εφαρμογής που αποφασίζουν εάν ο σχεδιασμός λειτουργεί

Η υλική επιλογή είναι μόνο η μισή ιστορία. Τέσσερις λεπτομέρειες αποφασίζουν εάν ένα περίβλημα ινών άνθρακα λειτουργεί στο πεδίο ή αποτυγχάνει στην επικύρωση.

6.1 Γαλβανική μόνωση

Πού δαγκώνει

Η διάβρωση εμφανίζεται πρώτα στις τρύπες των μπουλόνων, στις γραμμές νιδέτων και σε οποιοδήποτε στήριγμα που αγγίζει το ακατέργαστο CFRP ενώ παραμένει υγρό. Τα στηρίγματα είναι το συνηθισμένο πρώτο σημείο αποτυχίας στην υπηρεσία πεδίου.

Διόρθωση σχεδιασμού

Οι ίνες άνθρακα είναι καθοδικές σε σχέση με το αλουμίνιο και τον χάλυβα. Όταν ένα κομμάτι CFRP συναντά ένα μεταλλικό στερεωτήριο ή στήριγμα, το μέταλλο διαβρώνεται. Η τυποποιημένη λύση είναι ένα γυαλί ή αραμίδιο μονωτικό στρώμα στη διεπαφή, που απομονώνει πλυντήρια ή θάλασσες και ένα σφραγιστικό που διατηρεί την υγρασία έξω από την άρθρωση. Αυτό είναι φθηνό να σχεδιαστεί και ακριβό να προσαρμοστεί.

6.2 Πυρκαγιά και θερμική απόρριψη

Ένας περίβλημα αναμένεται να δώσει στους επιβάτες και στον γύρω εξοπλισμό χρόνο για να ξεφύγουν από μια θερμική απόδραση. Τα σύνθετα συστατικά από ίνες άνθρακα μπορούν να συνδυαστούν με επενδύσεις, αραμιδικά φίλτρα ή προοξειδωμένα εμπόδια ινών για να σχηματίσουν ένα στρωματικό παθητικό σύστημα προστασίας που καθυστερεί τη φλόγα και τη μεταφορά θερμότητας. Το φράγμα έχει σχεδιαστεί ως ένα σύστημα και όχι ως ένα ενιαίο υλικό.

6.3 Σύνδεση, εισαγωγές και σφράγιση

Τα σύνθετα συστατικά δεν αρέσουν στους βούλους με φορτίο σημείου. Η αξιόπιστη προσέγγιση είναι τα ενσωματωμένα ή συνδεδεμένα εισάγματα, οι διαδρομές φορτίου διάδοσης και τα πρόσωπα σφράγισης που σχεδιάζονται με αρκετή ισοπαλότητα για να λάβουν μια σφράγιση. Οι μπουλωμένες αρθρώσεις μέσω ενός στρωματικού υλικού πρέπει πάντα να σχεδιάζονται με επαρκή απόσταση άκρων και περιοχή ρουλεμάν και, όπου είναι δυνατόν, να αντικαθίστανται με συνδεδεμένες ή υβριδικές αρθρώσεις.

6.4 Διηλεκτρική αντοχή και στρατηγική μόνωσης

Επειδή οι ίνες άνθρακα αγωγούν, η ηλεκτρική μόνωση της συσκευασίας δεν μπορεί να βασιστεί στο δομικό σύνθετο. Σχεδιασμός σε ειδική μόνωση - στρώματα επιφάνειας γυαλιού, μονωτικές ταινίες ή επικάλυψεις - και αντιμετωπίστε τη δομή CFRP ως ένα αγωγικό σώμα που πρέπει να είναι ηλεκτρικά απομονωμένο και γείωση όπως προορίζεται.

7. Υλικά υποστήριξης: Αραμίδιο, προοξειδωμένο και υβριδικές διατάξεις

Οι ίνες άνθρακα σπάνια λειτουργούν μόνες τους σε ένα περίβλημα μπαταρίας. Τα υφάσματα από μακριές ίνες αραμιδίου και αραμιδίου προσθέτουν ανοχή κρούσης και ηλεκτρική μόνωση, γεγονός που τα καθιστά φυσικούς εταίρους για τις ίνες άνθρακα σε υβριδικά στρώματα. Προοξειδωμένα νήματα ινών, υφάσματα και αισθάνθηκαν φέρνουν αντοχή στη φλόγα και θερμική μόνωση στην τοποθέτηση, χρήσιμη γύρω από το φράγμα και γύρω από ζεστά εξαρτήματα. Οι ίνες γυαλιού παραμένουν το τυποποιημένο απομονωτικό στρώμα στις μεταλλικές διεπαφές. Μαζί αυτά τα υλικά επιτρέπουν στο περίβλημα να πληροί τις μηχανικές, θερμικές και ηλεκτρικές απαιτήσεις σε μια δομή αντί για τρεις ξεχωριστές.

8. Γιατί Tanchain για σύνθετα περιθώρια μπαταριών

Η Tanchain προμηθεύει την πλήρη αλυσίδα ινών άνθρακα που χρειάζεται ένα πρόγραμμα περίβλεψης μπαταριών: πρόδρομο ινών άνθρακα, νήμα ινών άνθρακα, ύφασμα ινών άνθρακα, prepreg ινών άνθρακα, επεξεργασμένες πλάκες ινών άνθρακα, pultruded προφίλ και τελικά μέρη ινών άνθρακα, παράλληλα με αραμιδικό νήμα, αραμιδικό ύφασμα και προοξειδωμένα νήματα ινών, ύφασμα και αισθάνθηκε για τα στρώματα μόνωσης και φρ Αυτή η σειρά σημαίνει ότι μια ομάδα συσκευασίας μπορεί να προμηθεύσει ένα ταιριασμένο, τεκμηριωμένο σύνολο υλικού για το καπάκι, τον δίσκο, τη δομή σύγκρουσης, τις εσωτερικές ενότητες και τα φράγματα από έναν ενιαίο προμηθευτή, με σταθερές προδιαγραφές σε όλο το περίβλημα.

Εάν σχεδιάζετε ή επαναπροσδιορίζετε ένα περίβλημα μπαταρίας για ένα ηλεκτρικό όχημα, δοχείο αποθήκευσης δικτύου ή φορητό σύστημα ενέργειας, στείλτε μας τις απαιτήσεις - στόχο μάζας, περίπτωση σύγκρουσης, θερμική περίπτωση και αρχιτεκτονική περίβλημα - και θα συστήσουμε τις μορφές υλικών και τις διατάξεις που ταιριάζουν. Εξερευνήστε τα προϊόντα ινών άνθρακα και τις σύνθετες λύσεις μας ή ζητήστε μια προσφορά για το πρόγραμμα σας.