Hiilikuitupakkujen koteloratkaisut: painon leikkaus, sähköautojen ja energiavarastointipakettien turvallisuuden lisääminen

Akku on outoa asiaa insinöörille. Sen sisäiset solut ovat herkkiä lämmölle, murskaukselle, kosteudelle ja tärinälle, mutta niiden suojaavan kotelon odotetaan katoavan ajoneuvosta tai hyllystä matkan, hyötykuormituksen ja palvelun pääsyn osalta. Tämä jännite on juuri siellä, missä hiilikuitu ansaitsee paikansa. Tämä ratkaisuopas käsittelee, miten hiilikuitu komposiittikotelot ja rakenteelliset moduulit ratkaisevat todelliset ongelmat, joita akku-insinöörit kohtaavat sähköajoneuvoissa, verkon energiavarastoinnissa ja kannettavissa virtajärjestelmissä - ja miten hiilikuitu-prepreg, kankas, levyt ja valmiit komposiittiosat sopivat jokaiseen vaiheeseen.

1. Miksi kotelo on akun kova osa

Solut saavat suurimman osan huomiosta, mutta kotelossa massa, turvallisuus ja valmistuskustannukset kerääntyvät hiljaisesti. Väärinpäätös ilmenee kadonneena etäisyytena, epäonnistuneina törmäystesteinä tai palvelun painajaisena. Kolme painetta vetää toisiaan vastaan jokaisessa pakkausmuotoilussa.

1.1 Painoongelma

Perinteinen teräs- tai alumiinipakkaus voi lisätä 20–35 % solujen massaan. Matkustajaajoneuvossa tämä ylimääräinen massa maksetaan kahdesti - kerran rakenteena ja jälleen suuremmana akkuna, jota tarvitaan sen kuljettamiseen. Kun kotelo on asennettu korkealle ajoneuvoon, se nostaa myös painopistettä ja vahingoittaa käsittelyä. Jokainen kilogramma, joka poistetaan kotelosta, on kilogramma, joka on käytettävissä soluille, hyötykuormitukselle tai alueelle.

1.2 Syöksymys- ja tunkeutumissongelma

Pakkaus istuu alhaalla ja ulkolaivalla, juuri siellä, missä sivuiskut ja alakoneen iskut keskittyvät kuormitukseen. Kotelon on vastustettava solupinoon tunkeutumista, imettävä energiaa kynnyssä ja kehyksen raiteilla ja pidettävä muotoaan niin, että soluja ei puristeta. Teräs tekee tämän hyvin, mutta raskaasti. Alumiini tekee sen kevyemmin, mutta tarvitsee enemmän osasyvyyttä saavuttaakseen saman jäykkyyden.

1.3 Sähkö- ja lämpöongelma

Akku on myös lämpö- ja sähköraja. Se ei saa lyhyttää pakkausta, sen on hallittava lämpöpolkuja ja lämpöpakotapahtumassa se on viimeinen puolustuslinja epäonnistuneen solun ja matkustajan tai ympäröivän hyllyn välillä. Nämä vaatimukset ovat vuorovaikutuksessa: hyvä lämpöjohtaja on usein hyvä sähköjohtaja, ja molemmat ominaisuudet seuraavat materiaalin valinnasta.

2. Miten hiilikuitu ratkaisee kunkin näistä ongelmista

Hiilikuituvahvistettu polymeeri (CFRP) ei ole yksittäinen materiaali vaan suunnittelutila. Tämä on sen etu täällä: laminaattia voidaan säätää siten, että se asettaa jäykkyyden, lujuuden ja lämpökäyttäytymisen kuormituskotelossa vaadittaviin ja pysyy kevyenä kaikkialla muualla.

2.1 Vahvuus painoon ja jäykkyys painoon

Hiilikuitukomposiitit tarjoavat erityisen lujuuden ja erityisen jäykkyyden useita kertoja korkeamman kuin teräs ja huomattavasti enemmän kuin alumiini. Tämä tarkoittaa, että samaa jäykkyyttä kuin alumiini muotoilu voi painaa 30–50 % vähemmän tai samaa massaa voidaan käyttää ylimääräiseen törmäysrakenteeseen ja silti lähteä eteenpäin. Verkkokaupan varastointihyllyissä, joissa kymmeniä koteloja pinotaan säiliöön, säästetty massa leviää koko tukirakenteen läpi.

2.2 Räätälöity anisotropia: jäykkyys, missä sillä on merkitystä

Koska kuidut kantavat kuormitusta vain pitkällä pituudellaan, laminaatti voidaan asettaa suuntaisesti. Kanni voi olla ohut ja quasi-isotrooppinen käsittelyyn ja modaalisiin kohteisiin; lattia voidaan rakentaa kuituilla, jotka kulkevat sivupäin selviytyäkseen sivutunkeutumisesta; lattia voi olla puolueellinen taivuttamiseen solupinon alla. Tämä suuntautunut muotoilu mahdollistaa yhden materiaalin täyttävän vaatimukset, jotka muuten tarvitsisi useita erilaisia ​​metalleja.

2.3 Sähkö- ja lämpökäyttäytyminen

Hiilikuitu itse johtaa lämpöä ja sähköä, joten raaka CFRP-pinta ei ole eristys. Tämä on suunnittelunäkökohta, ei virhe: sitä voidaan käyttää tarkoituksellisesti lämmön leviämisen polkuna ja sitten eristää sähköisesti lasi- tai aramidipintakerroksilla, pinnoitteilla tai erityisillä eristyskerroksilla. Luku 5 käsittelee tätä käytännössä.

3. Pakkauksen kartointi: Mikä hiilikuitutuote menee mihin

Pakkaus ei ole yksi osa, ja oikea hiilikuitu muoto vaihtelee osiolta osiolle. Luotettavin lähestymistapa on kartoida kotelo rakenteellisesti ennen materiaalien valintaa.

3.1 Yleinen kansi ja kanne

Mitä kannen on tehtävä

Kanni ei kanta solukuormitusta, vaan sen on pysyttävä tasaisena, suljettava lautaseen ja selviytyä toistuvasta avaamisesta huollon aikana. Se on myös paneeli, joka altistuu eniten käsittelyvaurioille kokoonpanon aikana, joten pinnan kestävyys on yhtä tärkeää kuin jäykkyys.

Tyypillinen layup

Kanni on yleensä suurin yksittäinen paneeli ja helpoin paikka säästää massaa. Ohkea hiilikuitu prepreg-laminaatti - kaksi-neljä kerrosta quasi-isotrooppisessa pinossa - antaa jäykkän, tasaisen kansin, joka pitää muotonsa lämpökierroksen kautta ja täyttää tiivistepinnan tasaisuuden tavoitteet. Pakkausmuotoituilla tai autoklaavilla kovennetuilla kanneilla hyväksytään myös muovatut kylukaudet ja lisäosat, joten jäykkyys johtuu geometriasta eikä ylimääräisestä paksuudesta.

3.2 Alakanta, pohjalevy ja törmäysrakenne

Lataa polku ensin

Ennen materiaalin valintaa seuraa, missä alakoneen isku tai sivuisku lähettää kuormituksen. Jos polku kulkee laation läpi, laatio on rakenteellinen; jos se ohittaa kehyksen raiteille, laatio voidaan optimoida vain tiivisteen ja jäykkyyden kannalta.

Lauta vs. pohjalevy

Alhainen laatikko kantaa soluja ja ottaa alakoneen kuormituksen. Tässä vaatimus ei ole vain jäykkyys vaan energian imeytyminen. Kudotut hiilikuitukangas prepreg ja punetut putket murskaavat asteittain ja ennustettavasti, minkä vuoksi ne ilmestyvät kynnyslisäyksissä ja törmäystölkkeissä pakkauksen ympärillä. Tasa, tiivistetty pohjalevy on tyypillisesti puristusmuovattu tai koneistettu CFRP-levy, joka valitaan tasaisuuden ja koneistettavuuden vuoksi.

3.3 Sisäiset moduulit, busbar kuljettajat ja solun haltijat

Kotelun sisällä massa on edelleen tärkeää, mutta niin myös tila ja osa. Oheat hiilikuitulevyt ja koneistetut komposiittikiinnitykset voivat toimia moduulikehyksinä, busbar-kantajina ja soluhaltijoina, korvaamalla joukon metalliosia vähemmällä, kevyemmillä komponenteilla. Koska nämä osat ovat usein rakenteellisia, kierrätetyt lyhyt kuitu muotoilut tulevat elinkelpoisia ja kustannustehokkaita täällä.

3.4 Rakenteelliset ristiriidat ja akulaatikon kehykset

Pitkät suorat jäsenet - ristialueet, raidat ja akulaatikon kehykset - ovat siellä, missä pultruded hiilikuitu profiilit kiiltävät. Pultrusion tuottaa pysyvän leikkauksen profiileja, joissa on jatkuva kuitu akselin pitkin, mikä antaa korkean aksiaalisen jäykkyyden alhaisilla työkalukustannuksilla, mikä on ihanteellinen jäsenelle, jonka on yksinkertaisesti oltava jäykkä, suora ja kevyt.

4. Materiaalilomakkeet ja miten valita niiden välillä

4.1 Prepreg ja Autoklaavi tai Press Cure

Hiilikuitu-prepreg tarjoaa korkeimman kuitu-tilavuusrakon ja yhdenmukaisin mekaaniset ominaisuudet, mikä on tärkeää törmäys- ja rakenteellisille osille, joissa tarvitaan ennustettavaa ja dokumentoitavaa suorituskykyä. Se kantaa korkeammat käsittelykustannukset, joten se on yleensä varattu kannelle, törmäysrakenteelle ja ensisijaisille kuormituspoluille.

4.2 Kangas, NCF ja kierrätetty lyhyt kuitu

Kudottu hiilikuitukangas ja ei-krimppikangas ovat työhevosia muovattuille paneeleille, joissa on yhdistetty kaarevuus. Ne peittävät hyvin, sietävät useita prosesseja ja antavat hyviä lentokoneen ulkopuolisia ominaisuuksia törmäysvyöhykkeillä. Jos osa ei ole rakenteellinen, kierrätetyt lyhyt kuitusyhdisteet vähentävät kustannuksia ja tukevat kestävyystavoitteita.

4.3 Pultruded profiilit ja koneistetut levyt

Pultruded profiilit ja koneistettu hiilikuitu levyt palvelevat lineaarisia ja tasaisia elementtejä. Ne tarvitsevat vähän tai ei mitään työkaluja, voidaan leikata, porata ja liittää sisäisesti ja muuntaa monimutkainen kotelo hyvin ymmärrettyjen osien sarjaksi. Tämä on usein nopein reitti suunnittelusta toimivaan prototyyppipakettiin.

5. Valintamatriisi: Tuotteen vaatimus

Alla oleva taulukko on pikakohta, jota käytämme pakkausinsinöörien kanssa, kun suunnittelu on edelleen sujuva. Lue se vasemmalta oikealle: vaatimus ohjaa aineellista muotoa, joka sitten ohjaa hankintakysymystä.

6. Täytäntöönpanohuomautukset, jotka päättävät, toimiiko suunnittelu

Materiaalinen valinta on vain puolet tarinasta. Neljä yksityiskohtaa päättää, toimiiko hiilikuitukotelo kentällä vai epäonnistuu validoinnissa.

6.1 Galvaninen eristys

Missä puree

Korrosio ilmenee ensin pulttireikissä, niittilinjoissa ja missä tahansa kiinnikössä, joka koskettaa raakaa CFRP:tä, kun se pysyy märkänä. Kiinnit ovat tavallinen ensimmäinen vikakohta kenttäpalvelussa.

Suunnittelukorjaus

Hiilikuitu on katodin suhteessa alumiiniin ja teräkseen. Kun CFRP-osa kohtaa metallin kiinnikkeen tai kiinnikkeen, metalli korroosioituu. Vakioasennus on lasi- tai aramidieristyskerros rajapinnassa, joka eristää pesut tai suolat ja tiivisteaine, joka pitää kosteuden pois liitoksesta. Tämä on halpaa suunnitella ja kallista jälleenrakentaa.

6.2 Palo- ja lämpöpoistotilanne

Kotelun odotetaan antavan matkustajille ja ympäröiville laitteille aikaa paeta lämpöpakoon. Hiilikuitukomposiitit voidaan yhdistää intumessenttiiviin pinnoitteisiin, aramidiviltoihin tai esihapettuihin kuitusesteisiin muodostaakseen kerroksinen passiivisen suojajärjestelmän, joka viivästää liekkiä ja lämmönsiirtoa. Esteet on suunniteltu järjestelmänä, ei yksittäisenä materiaalina.

6.3 Kiinnitys, lisäykset ja tiivisteys

Komposiitit eivät pidä pistekuormitetuista pulteista. Luotettava lähestymistapa on muovattu tai liimattu insertit, levittää kuormitus polut ja tiiviste kasvot suunniteltu riittävän tasainen ottaa tiiviste. Pulttiliitokset laminaatin kautta on aina suunniteltava riittävän reuna-etäisyys ja laakeriala, ja mahdollisuuksien mukaan korvataan liimattu tai hybridi liitokset.

6.4 Dielektrinen lujuus ja eristysstrategia

Koska hiilikuitu johtaa, pakkauksen sähköinen eristys ei voi luottaa rakenteelliseen komposiittiin. Suunnittele erityisellä eristyksellä - lasipintakerroksilla, eristyskalvoilla tai pinnoitteilla - ja käsittele CFRP-rakennetta johtavana kehoksi, joka on eristettävä sähköisesti ja maadoitettava tarkoitetun mukaisesti.

7. Tukemateriaalit: Aramid, esioksitoitu ja hybridi Lay-Ups

Hiilikuitu toimii harvoin yksin akukotelossa. Aramidikuitu- ja aramidikankaat lisäävät iskutoleranssia ja sähköistä eristystä, mikä tekee niistä luonnollisen kumppanin hiilikuitolle hybridilaminaateissa. Esihapettu kuitulanga, kankas ja tunto tuovat liekkien kestävyyden ja lämpöeristyksen asettamiseen, joka on hyödyllinen karkuun esteen ja kuumien komponenttien ympärillä. Lasikuitu pysyy tavanomaisena eristyskerroksena metalliliittymässä. Näiden materiaalien avulla kotelo täyttää mekaaniset, lämpö- ja sähkövaatimukset yhdessä rakenteessa kolmen erillisen rakenteen sijaan.

8. Miksi Tanchain akun kotelon komposiitit

Tanchain toimittaa täyden hiilikuituketjun, jota akku-koteloohjelma tarvitsee: hiilikuitu-edeltäjä, hiilikuitu-filamenttia, hiilikuitu-kangasta, hiilikuitu-prepregiä, koneistettuja hiilikuitu-levyjä, pultrudoituja profiileja ja valmiita hiilikuitu-osia, aramidifilamentin, aramidikankaan ja esihapettuun kuitulankaan, kankaan ja tunteen rinnalla eristys- ja liekkien estekerroksille. Tämä valikoima tarkoittaa sitä, että pakkausryhmä voi hankkia yhdeltä toimittajalta kannelle, lautaseelle, törmäysrakenteelle, sisäisille moduuleille ja esteille yhtenäisen, dokumentoitun materiaaliasetyn koko kotelossa.

Jos suunnittelet tai määrität uudelleen akun koteloa sähköautolle, verkkokauppaan tai kannettavaan sähköjärjestelmään, lähetä meille vaatimukset - massakohde, onnettomuuskohta, lämpökotelo ja koteloarkkitehtuuri - ja suosittelemme sopivia materiaalimuodoksia ja asetteluja. Tutustu hiilikuitutuotteisiimme ja komposiittiratkaisuihimme tai pyydä tarjousta ohjelmalle.