Решения для корпусов аккумуляторов из углеродного волокна: снижение веса, повышение безопасности для электромобилей и пакетов для хранения энергии

Батарея - странная вещь для инженера. Клетки внутри него чувствительны к теплу, дроблению, влаге и вибрации, но корпус, который защищает их, как ожидается, исчезнет с транспортного средства или стойки, что касается дальности, полезной нагрузки и доступа к обслуживанию. Это напряжение именно там, где углеродное волокно заслуживает своего места. В этом руководстве по решению рассматриваются, как углеродные композитные корпусы и конструктивные модули решают реальные проблемы, с которыми сталкиваются инженеры аккумуляторных батарей в электромобилях, хранении энергии сети и портативных энергосистемах, и как наши углеродные прегреги, ткани, пластины и готовые композитные детали вписываются в каждый этап.

1. Почему корпус является жесткой частью аккумулятора

Клетки привлекают большую часть внимания, но корпус - это место, где масса, безопасность и производственные затраты тихо накапливаются. Неправильно делать это представляется потерянной дальностью, неудачными краш-тестами или сервисным кошмаром. Три давления тянутся друг против друга в каждой конструкции упаковки.

1.1 Проблема веса

Обычный стальный или алюминиевый корпус может добавить 20-35% к массе клеток, которые он держит. В пассажирском электромобиле эта дополнительная масса оплачивается дважды - однажды как конструкция, а затем как большая батарея, необходимая для ее перевозки. Каждый килограмм, удаленный из корпуса, является килограммом, доступным для клеток, полезной нагрузки или диапазона.

1.2 Проблема краха и вторжения

Пакет сидит низко и вне борта, именно там, где боковые удары и удары под корпусом концентрируют нагрузку. Оборудование должно сопротивляться вторжению в стек клеток, поглощать энергию на пороге и рамных рельсах и удерживать свою форму, чтобы клетки не зажимались. Сталь делает это хорошо, но тяжело. Алюминий делает это легче, но нуждается в большей глубине секции, чтобы достичь той же жесткости.

1.3 Термическая и электрическая проблема

Аккумуляторный корпус также является тепловой и электрической границей. Он не должен сокращать упаковку, должен управлять тепловыми путями, и в случае теплового утечки он является последней линией защиты между поврежденной ячейкой и пассажиром или окружающей стойкой. Эти требования взаимодействуют: хороший теплопроводник часто является хорошим электропроводником, и оба свойства следуют от выбора материала.

2. Как углеродное волокно решает каждую из этих проблем

Углеродоволоконный полимер (CFRP) - это не один материал, а конструктивное пространство. В этом и есть его преимущество: ламинат может быть настроен так, чтобы придавать жесткость, прочность и тепловое поведение там, где требует корпус нагрузки, и оставаться легким везде.

2.1 Прочность-вес и жесткость-вес

Композиты из углеродного волокна обеспечивают определенную прочность и жесткость в несколько раз выше, чем сталь, и значительно выше алюминия. Это означает, что корпус с той же жесткостью, что и алюминиевая конструкция, может весить на 30-50% меньше, или такая же масса может быть потрачена на дополнительную столкновенную структуру и все же выйти вперед. Для сетевых стойок для хранения, где десятки корпусов накладываются в контейнер, сэкономленная масса распространяется по всей опорной структуре.

2.2 Индивидуальная анизотропия: жесткость там, где это важно

Поскольку волокна несут нагрузку только по своей длине, ламинат может быть установлен в направлении. Крышка может быть тонкой и квази-изотропной для обработки и модальных целей; порог может быть построен из волокон, проходящих боково, чтобы выжить боковое вторжение; пол может быть предвзятым для изгибания под стеком клеток. Эта направленная конструкция позволяет одному материалу удовлетворять требованиям, которые в противном случае потребовали бы несколько различных металлов.

2.3 Термическое и электрическое поведение

Углеродное волокно само по себе проводит тепло и электричество, поэтому сырая поверхность ХФРП не является изолятором. Это соображение конструкции, а не дефект: он может использоваться намеренно в качестве пути распространения тепла, а затем изолироваться электрически стеклянными или арамидными поверхностными слоями, покрытиями или специальными изоляционными слоями. Глава 5 рассматривает это на практике.

3. Картирование упаковки: какой продукт из углеродного волокна идет куда

Упаковка - это не одна часть, а форма углеродного волокна отличается от секции к секции. Наиболее надежным подходом является структурное отображение корпуса перед выбором материалов.

3.1 Верхняя крышка и крышка

Что должна делать крышка

Крышка не несет нагрузки клетки, но должна оставаться плоской, уплотнить к подносу и пережить повторное открытие во время обслуживания. Это также панель, наиболее подверженная повреждениям при обработке во время сборки, поэтому долговечность поверхности имеет такое же значение, как и жесткость.

Типичный layup

Крышка обычно является самой большой отдельной панелей и самым простым местом для экономии массы. Тонкий прегрег-ламинат из углеродного волокна - от двух до четырех слоев в квази-изотропной стеке - дает жесткую, плоскую крышку, которая сохраняет свою форму через термический цикл и соответствует целям плоскости герметической поверхности. Крышки, сжатые или вытвержденные автоклавом, также принимают сжатые ребра и вставки, поэтому жесткость происходит от геометрии, а не от дополнительной толщины.

3.2 Нижний поднос, базовая пластина и структура краха

Первый путь загрузки

Прежде чем выбрать материал, проследите, где удар нижнего тела или боковое удар отправляет нагрузку. Если путь проходит через лоток, лоток является структурным; если он обходит рамковые рельсы, поднос может быть оптимизирован только для герметизации и жесткости.

Поднос против базовой пластины

Нижний лоток несет клетки и берет грузовый корпус. Здесь требуется не только жесткость, но и поглощение энергии. Тканная ткань из углеродного волокна и плетеные трубки постепенно и предсказуемо раздавляются, поэтому они появляются в пороговых вставках и резервуарах вокруг упаковки. Плоская, герметизированная базовая пластина обычно представляет собой лист из сжатого или обработанного ХФРП, выбранный для плоскости и обрабатываемости.

3.3 Внутренние модули, носители шины и держатели клеток

Внутри корпуса масса все еще имеет значение, но так же и пространство и количество частей. Тонкие пластины углеродного волокна и обработанные композитные кронштейны могут выступать в качестве рам модулей, носителей шин и держателей ячеек, заменяя набор металлических деталей меньшим количеством легких компонентов. Поскольку эти детали часто неструктурны, переработанные короткие волокна становятся жизнеспособными и экономически эффективными здесь.

3.4 Структурные перекрестные элементы и рамки батарейной коробки

Длинные прямые элементы - поперечные элементы, рельсы и рамки аккумуляторной коробки - там, где блестят пультрудированные профили углеродного волокна. Пультрузия производит профили постоянного сечения с непрерывным волоконом вдоль оси, обеспечивая высокую осиевую жесткость при низких затратах на оборудование, что идеально подходит для элемента, который просто должен быть жестким, прямым и легким.

4. Материальные формы и как выбрать между ними

4.1 Препрег и автоклав или пресс-куер

Препрег из углеродного волокна дает самую высокую фракцию объема волокна и самые последовательные механические свойства, что имеет значение для аварийных и конструктивных частей, где вам нужны предсказуемые, документируемые характеристики. Он несет более высокую стоимость обработки, поэтому он обычно зарезервирован для крышки, структуры сбоя и первичных нагрузочных путей.

4.2 Ткань, NCF и переработанные короткие волокна

Тканная ткань из углеродного волокна и ткань без прессования являются рабочими лошадями для формовых панелей с соединенным искривлением. Они хорошо драпируются, переносят ряд процессов и дают хорошие внеплановые свойства в зонах крушения. В тех случаях, когда часть является неструктурной, переработанные коротковолоконные соединения снижают затраты и поддерживают цели устойчивости.

4.3 Полтрудированные профили и обрабатываемые пластины

Пультрудированные профили и обрабатываемые пластины углеродного волокна служат линейным и плоским элементам. Они требуют мало или никаких инструментов, могут быть разрезаны, сверлены и приклеены внутри дома, а также преобразовать сложный корпус в комплект хорошо понятных частей. Это часто самый быстрый путь от проектирования до рабочего прототипа.

5. Матрица выбора: требование к продукту

Таблица ниже представляет собой краткий путь, который мы используем с инженерами по упаковке, когда дизайн все еще является жидким. Читайте его слева направо: требование управляет материальной формой, которая затем управляет вопросом о закупках.

6. Примечания о реализации, которые определяют, работает ли проект

Материальный выбор – это только половина истории. Четыре детали определяют, работает ли корпус из углеродного волокна на поле или не справляется с проверкой.

6.1 Гальваническая изоляция

Где он кусает

Коррозия появляется сначала в отверстиях для болтов, линиях клепок и любом кронштейне, который касается сырой ХФКП, оставаясь влажной. Стойники являются обычной первой точкой сбоя в полевой службе.

Фикс дизайна

Углеродное волокно является катодным по сравнению с алюминием и сталью. Когда часть из ХФРП встречается с металлическим креплением или кронштейном, металл коррозируется. Стандартной фиксацией является стеклянный или арамидный изоляционный слой на интерфейсе, изолирующий шайбы или корпусы, и герметик, который удерживает влагу из соединения. Это дешево в проектировании и дорого в модернизации.

6.2 Пожарные и тепловые утечки

Ожидается, что корпус даст пассажирам и окружающему оборудованию время, чтобы избежать тепловой утечки. Композиты из углеродного волокна могут быть сочетаны с интумесцентными покрытиями, арамидными филцами или предокисленными волоконными барьерами, чтобы сформировать слойную систему пассивной защиты, которая задерживает пламя и теплопередачу. Барьер создан как система, а не как единый материал.

6.3 Крепление, вставки и уплотнение

Композиты не любят точковые болты. Надежным подходом являются вставки, сформованные или приклеенные, пути распространенной нагрузки и герметические лица, разработанные с достаточной плоскостью для уплотнения. Болтовые соединения через ламинат всегда должны быть конструированы с адекватным расстоянием края и площадью подшипника, и, когда это возможно, заменяются связанными или гибридными соединениями.

6.4 Стратегия диэлектрической прочности и изоляции

Поскольку углеродное волокно проводит, электрическая изоляция упаковки не может полагаться на конструктивный композит. Проектируйте специальную изоляцию - стеклянные поверхностные слои, изоляционные пленки или покрытия - и обрабатывайте структуру из ХФРП как проводящее тело, которое должно быть электрически изолировано и заземлено в соответствии с предназначением.

7. Поддерживающие материалы: арамид, предокисленные и гибридные размещения

Углеродное волокно редко работает в одиночку в корпусе батареи. Арамидные длинные волокна и арамидные ткани добавляют толерантность к ударам и электрическую изоляцию, что делает их естественным партнером для углеродного волокна в гибридных ламинатах. Предокисленная волокнная пряжа, ткань и филц приносят огнестойкость и теплоизоляцию в расположение, полезные вокруг утечного барьера и вокруг горячих компонентов. Стеклянное волоконо остается стандартным изолирующим слоем на металлических интерфейсах. Вместе эти материалы позволяют корпусу удовлетворять механическим, тепловым и электрическим требованиям в одной структуре, а не трех отдельных.

8. Почему Tanchain для композитов корпуса батареи

Tanchain поставляет полную цепочку углеродного волокна, которая необходима программе корпуса батареи: углеродное волокно, углеродное волокно, углеродное волокно, углеродное волокно, обработанные пластины углеродного волокна, пультрудированные профили и готовые детали углеродного волокна, наряду с арамидной нитью, арамидной тканью и предварительно окисленной волокнной пряжей, тканью и филцем для изоляционных и пламяно-барьерных слоев. Этот диапазон означает, что команда по упаковке может приобрести соответствующий, документированный набор материалов для крышки, подноса, конструкции сбоя, внутренних модулей и барьеров от одного поставщика с последовательными спецификациями по всему корпусу.

Если вы разрабатываете или переопределяете корпус батареи для электромобиля, сетевого контейнера для хранения или портативной энергосистемы, отправьте нам требования - массовую цель, случай аварии, тепловый корпус и архитектуру корпуса, и мы рекомендуем соответствующие формы материалов и расположения. Исследуйте наши продукты из углеродного волокна и композитные решения или запросите цену для вашей программы.