Naujų energetinių transporto priemonių aliuminio lydinio baterijų korpusų konstrukcijų ir sujungimo technologijų analizė

Naujų energetinių transporto priemonių maitinimo akumuliatorių sistemoms tobulėjant, siekiant didesnio energijos tankio, lengvumo ir geresnės integracijos, akumuliatoriaus korpuso korpusas iš paprasto konstrukcinio skydo tapo svarbiu komponentu, kuris vienu metu tvarko apkrovos{0}}guolius, sandarinimą, šilumos valdymą ir sistemos integravimą. Maitinimo baterijų atveju, kol elementų medžiagų sistemos ir baterijų valdymo technologijos ir toliau tobulėja, korpuso svorio mažinimas siekiant padidinti sistemos{2}} energijos tankį yra tiesioginis ir efektyvus inžinerinis metodas.

 

Aliuminio lydiniai pasižymi mažu tankiu, dideliu specifiniu stiprumu, puikiu atsparumu korozijai, geru šilumos laidumu, palankiu formavimu ir perdirbamumu, todėl jie yra labai vertingi naujų energijos transporto priemonių akumuliatorių blokų konstrukcijoms. Palyginti su tradiciniais plieniniais korpusais, aliuminio lydinio konstrukcijos sumažina svorį ir atitinka apkrovos-reikalavimus, suteikia daugiau dizaino lankstumo dėl akumuliatoriaus modulio išdėstymo, aušinimo sistemos integravimo ir transporto priemonių diapazono optimizavimo.

 

Įprasti naujų energetinių transporto priemonių akumuliatorių sistemų konstrukciniai projektai apima ekstruzinio aliuminio korpusus, štampuoto aliuminio lakšto konstrukcijas ir hibridines konstrukcijas, kuriose derinami profiliai ir lakštai. Ypač ekstruziniai profiliai siūlo labai pritaikomus skerspjūvius-; Tokios funkcijos kaip kelių kamerų konstrukcija, sutvirtinantys briaunos ir vietinės vientisos dalys leidžia padidinti konstrukcijos tvirtumą ir optimizuoti medžiagų naudojimą. Prizminių elementų sistemų korpuso konstrukcija taip pat turi būti suderinta su elementų išdėstymu, aušinimo kanalais ir viršutinio dangčio sandarinimo konstrukcija.

 

Ląstelių lygyje aliuminio skardinė yra skirta elemento vidui apgaubti ir išorinei apsaugai užtikrinti, o akumuliatoriaus korpusas pirmiausia yra atsakingas už visos akumuliatoriaus sistemos konstrukcinę apkrovą{0}} ir aplinkos apsaugą; jie abu labai skiriasi matmenimis, medžiagos storiu, formavimo būdais ir sujungimo reikalavimais. Vadinasi, mechaniniai, elektriniai ir šilumos valdymo reikalavimai tiek elementų korpusui, tiek akumuliatoriaus korpusui turi būti vertinami atskirai konstrukcijų projektavimo procese.

 

 

 

Tipiškas aliuminio lydinio akumuliatoriaus korpusas susideda iš rėmo, pagrindo plokštės, viršutinio dangčio ir vidinių tvirtinimo konstrukcijų. Rėmas ir pagrindo plokštė atlaiko pagrindines akumuliatoriaus modulių ir susijusių komponentų apkrovas, o viršutinis dangtis pirmiausia užtikrina apsaugą ir sandarumą, be to, prisideda prie bendro konstrukcijos tvirtumo. Atsižvelgiant į konkretų transporto priemonės modelį ir akumuliatoriaus sistemos išdėstymą, taip pat gali būti integruoti komponentai, pvz., aušinimo kanalai, tvirtinimo laikikliai, konstrukciniai sutvirtinimai, laidų laikikliai ir aukštos įtampos jungčių zonos.

 

Naujų energetinių transporto priemonių aliuminio akumuliatorių korpusų konstrukcija negali būti skirta vien svorio mažinimui; jis turi vienu metu atitikti stiprumo, standumo, nuovargio naudojimo, smūgių saugos, sandarinimo ir gamybos reikalavimus. Korpuso jungčių zonos dažnai yra kritinės sritys konstrukcijų projektavimui ir patikimumui patvirtinti, ypač atsižvelgiant į eksploatavimo sąlygas, susijusias su ilgalaike vibracija, šiluminiu ciklu ir kelio poveikiu.

 

Rėmas ir pagrindo plokštė paprastai naudoja ekstruzinio aliuminio lydinio profilius su keliomis vidinėmis ertmėmis. Profilio skerspjūvio optimizavimas{1}} leidžia pasiekti didelį inercijos momentą naudojant santykinai ribotą medžiagų naudojimą. Sutvirtinančios briaunelės arba vietinės vientisos dalys gali būti įtrauktos tose vietose, kuriose yra didelė apkrova, o nereikalingą medžiagą galima pašalinti iš ne-kritinę apkrovą-laikančių zonų, sumažinant sienelės storį, optimizuojant ertmės matmenis arba naudojant po-ekstruzijos apdirbimą.

 

Be akumuliatoriaus elementų ir modulių svorio, akumuliatoriaus pagrindo plokštėje gali tekti integruoti vandens arba skysčio aušinimo kanalus. Todėl jo skerspjūvio-konstrukcijoje turi būti subalansuota apkrovos-laikomoji galia, erdvė aušinimo kanalams, gamybos galimybė ir sandarinimo reikalavimai. Akumuliatoriams, kuriuose naudojamas aušinimas skysčiu, ypač svarbus vidinių kanalų tęstinumas ir suvirintų zonų sandarumo kokybė.

 

 

Ekstruziniai 6000-serijos aliuminio lydiniai-, pvz., 6061-T6, 6005A-T6 ir 6063-T6, dažniausiai naudojami traukos akumuliatoriaus korpusams. Skirtingi lydiniai skiriasi stiprumu, ekstruduotumu, skerspjūvio sudėtingumu ir medžiagų kaina; todėl medžiagų parinkimas turi būti nustatomas atsižvelgiant tiek į konstrukcijos apkrovos reikalavimus, tiek ir gamybos procesus.

 

6061-T6 pasižymi puikiomis bendromis mechaninėmis savybėmis, todėl tinka rėmams ir apkrovą-nešantiems komponentams, kuriems reikalingas didelis stiprumas ir konstrukcinis stabilumas. 6005A-T6 subalansuoja stiprumą ir ekstruzijos formuojamumą, todėl tinka didesnėms profilio konstrukcijoms.

 

6063-T6 pasižymi puikiu formavimu, todėl geriau tinka sudėtingiems skerspjūviams-ar konstrukcijoms, kurioms keliami mažesni apkrovos reikalavimai. Projektavimo metu storesnė profilio siena nebūtinai yra geresnė. Per didelis sienelės storis padidina medžiagų sunaudojimą ir konstrukcijos svorį, taip pat padidina išlaidas, susijusias su ekstruzija, suvirinimu ir tolesniu apdorojimu. Todėl sienelės storis ir sutvirtinančių briaunų išdėstymas turėtų būti nustatomi pagal faktinius apkrovos kelius, užtikrinant, kad medžiaga būtų paskirstyta ten, kur ji gali efektyviausiai atlaikyti apkrovas.

 

Konstrukcijoms, kurioms reikalingas antrinis apdorojimas, galima naudoti aliuminio štampuotas dalis komponentams, tokiems kaip vietiniai laikikliai, tvirtinimo ąselės, apsauginiai skydai ir pagalbinės jungiamosios detalės korpuse. Palyginti su tiesiog pagrindinio profilio storio padidinimu, vietinis sutvirtinimas naudojant atskirus standiklius kartais gali pasiekti puikią svorio ir konstrukcijos savybių pusiausvyrą.

 

 

 

Aliuminio lydinio akumuliatorių korpusai gali būti suprojektuoti kaip vientisos ekstruzinės konstrukcijos arba kaip mazgai, suformuoti suvirinant kelis profilius. Integruoti profiliai užtikrina puikų struktūrinį tęstinumą ir sumažina jungčių sąsajų skaičių; tačiau jie gali reikšti didesnius profilio matmenis, griežtesnius įrankių reikalavimus ir didesnį apdirbimą pasroviui.

 

Suvirinti mazgai, atvirkščiai, sumažina gamybos sudėtingumą, susijusį su dideliais, sudėtingais profiliais, ir suteikia daugiau dizaino lankstumo. Derinant skirtingų skerspjūvių profilius{1}}, struktūrinė konfigūracija gali būti pritaikyta prie konkrečių akumuliatoriaus matmenų ir apkrovos reikalavimų, taip pat galimai sumažinti įrankių ir apdorojimo išlaidas.

 

Konkrečioms montavimo sritims galima sukurti vietines montavimo funkcijas naudojant aliuminio štampavimą arba apdirbimą. Konkretus metodas turėtų būti pasirinktas atsižvelgiant į dalių matmenis, medžiagos storį, gamybos apimtį ir tikslumo reikalavimus. Didelės apimties gamybos projektams paprastai reikia atlikti išsamų štampavimo, ekstruzijos ir apdirbimo procesų derinio įvertinimą ankstyvosiose produkto kūrimo stadijose.

 

 

 

Pagrindiniai aliuminio lydinio baterijų blokų korpusų sujungimo būdai yra frikcinis maišomasis suvirinimas (FSW), MIG suvirinimas, kniedijimas, presavimas{0}}(savaime-praduriamas kniedijimas / klijuojantis{2}}kniedijimas) ir klijavimas. Frikcinis maišomasis suvirinimas yra puikus kietojo kūno sujungimo būdas; Skirtingai nuo tradicinio lydinio suvirinimo, suvirinimo metu medžiaga nevyksta visiško lydymosi proceso.

 

Didelio-atstumo struktūrinėms jungtims-, pvz., jungiančioms akumuliatoriaus pagrindo plokštę su rėmu-, trintis maišomasis suvirinimas suteikia privalumų, įskaitant minimalią suvirinimo deformaciją, stabilią jungties mikrostruktūrą ir tinkamumą nuolatiniams suvirinimo darbams. Kadangi nėra tradiciniam lydomajam suvirinimui būdingo suvirinimo baseino kietėjimo proceso, sumažėja defektų, tokių kaip poringumas, intarpai ir karštas įtrūkimai, rizika.

 

Praktiniame konstrukcijos projekte suvirinimo zonos skerspjūvio -forma turi sutapti su frikcinio maišymo suvirinimo įrankio judėjimo apvalkalu. Vidiniai standikliai, filė ir lokalios kietos profilių dalys turi pakankamai palaikyti suvirinimo procesą. Jei suvirinimo gylis yra reikšmingas, reikia atitinkamai padidinti atitinkamo ploto konstrukcinį standumą; priešingu atveju, esant suvirinimo slėgiui, gali atsirasti vietinė deformacija.

 

Sujungimui tarp pagrindo plokščių, atsižvelgiant į konstrukcijos konstrukciją, gali būti parinktos užpakalinės{0}}sujungimo arba skersinės{1}}jungtys. Dvipusis suvirinimas padidina jungties srities struktūrinį stabilumą, bet padidina apdorojimo kelią ir gamybos laiką; todėl pasirinkimas priklauso nuo gaminio struktūros ir gamybos ciklo reikalavimų.

 

 

Ryšys tarp rėmo ir pagrindo plokštės yra kritinė akumuliatoriaus bloko Įprasti metodai apima dvipusį -frikcinį maišomąjį suvirinimą (FSW) arba išorinio FSW derinį su vidiniu MIG suvirinimu ir sandarinimo apdorojimu.

 

Dvipusis -FSW užtikrina nenutrūkstamą jungties sąsają ir padeda sumažinti suvirinimo -sukeliamą deformaciją. Tačiau konstrukcijoje turi būti pakankamai vietos suvirinimo įrankiui, todėl gali prireikti konkrečių rėmo skerspjūvio matmenų.

 

Kitas metodas apima FSW naudojimą išorėje ir MIG suvirinimą viduje. Ši konfigūracija užtikrina gana aukštą gamybos efektyvumą ir didesnį profilio dizaino lankstumą; tačiau suvirinimo kokybei ir sandarinimo veiksmingumui vidinėse suvirintose -suvirintose zonose reikia atidžiai stebėti. Jei yra galimų nuotėkio kelių, gali prireikti antrinės apsaugos naudojant sandariklį.

 

Tam tikrose sudėtingose ​​jungčių zonose štampuoto aliuminio lakštinio metalo komponentai gali būti naudojami kaip nepriklausomos jungtys, vėliau sujungiamos su pagrindiniu korpusu kniedijant, suvirinant arba prisukant varžtus. Ši strategija sumažina gamybos sudėtingumą, susijusį su sudėtingų struktūrų, kaip atskirų integruotų vienetų, gamyba.

 

 

Naujų energetinių transporto priemonių baterijų blokai paprastai montuojami transporto priemonės apačioje arba šalia važiuoklės, todėl ilgą laiką juos veikia aplinkos veiksniai, tokie kaip lietus, purvas, stovintis vanduo, temperatūros svyravimai ir mechaninė vibracija. Korpuso sandarinimo konstrukcija yra labai svarbi ne tik konstrukcinių komponentų ilgaamžiškumui, bet ir akumuliatoriaus sistemos elektrinei saugai.

 

Projektavimo procese labai svarbu kontroliuoti galimus nuotėkio kelius, pvz., pagrindo plokščių suvirinimo siūles, rėmo jungtis, viršutinio dangčio flanšus, tvirtinimo detalių tvirtinimo angas ir laidų jungčių bei aukštos{0}}įtampos jungčių sąsajas. Korpusams, kuriuose naudojamos suvirintos jungtys, turi būti taikoma suvirinimo kokybės kontrolė ir sandarinimo bandymai, siekiant užtikrinti, kad jungčių vietose nėra didelės nuotėkio pavojaus.

 

Tarp korpuso ir viršutinio dangčio paprastai naudojamos sandarinimo juostelės, putplasčio sandarinimo medžiagos ar kitos elastingos sandarinimo konstrukcijos. Sandarinimo konstrukcija taip pat turi atitikti tvirtinimo detalių sritis, kad varžtų ar kniedžių skylės netaptų drėgmės patekimo į korpusą keliais.

 

Kai kuriose konfigūracijose elektriniai komponentai,{0}}pvz., izoliuotos šynos-yra šalia akumuliatoriaus vidinių konstrukcijų; todėl reikia atsižvelgti į tokius veiksnius kaip izoliacijos atstumas, montavimo būdai ir sandarios aplinkos poveikis ilgalaikiam-elektrinių komponentų veikimui.

 

 

Aliuminio lydinio baterijos priklauso ne tik nuo ekstruzijos procesų. Komponentai, tokie kaip tvirtinimo kronšteinai, jungiamosios plokštės, sutvirtinimai ir vietinės konstrukcinės dalys, gali būti gaminami masiškai{1}}naudojant aliuminio metalo štampavimą. Štampavimas suteikia tokius pranašumus kaip greiti gamybos ciklai, didelis medžiagų panaudojimas ir tinkamumas masinei gamybai.

 

Sudėtingos geometrijos ir didelių matmenų tikslumo reikalavimų dalims gali būti naudojamas aliuminio lakštinio metalo štampavimo ir CNC apdirbimo derinys. Štampavimas naudojamas pagrindiniam profiliui ir pirminei konstrukcijai formuoti, o apdirbant atliekama tiksli skylių, montavimo paviršių ir kritinių matmenų apdaila.

 

Projekto kūrimo etape arba mažų{0}}partijų gamyboje pritaikytas aliuminio štampavimas gali sumažinti investicijas į specializuotus įrankius ir palengvinti greitus struktūrinius koregavimus remiantis prototipo bandymų rezultatais. Pereinant prie masinės gamybos, įrankiai, medžiagų panaudojimas ir gamybos ciklai turi būti toliau optimizuojami, kad būtų galima kontroliuoti vieneto gamybos sąnaudas.

 

Lokalizuotiems laikikliams, laikikliams ir pagalbinėms elektros jungčių konstrukcijoms štampuotos aliuminio dalys papildo ekstruzinius profilius ir suvirintas konstrukcijas, suteikdamos daugiau lankstumo taikant bendrą akumuliatorių bloko gamybos strategiją.

 

 

Aliuminio tankis yra maždaug vienas{0}}trečdalis plieno tankio; todėl tam tikrų plieno konstrukcijų pakeitimas aliuminio lydiniais suteikia daug galimybių sumažinti svorį. Tačiau faktinis pasiektas svorio sumažėjimas nėra tik medžiagos tankio skirtumų funkcija; tai taip pat priklauso nuo skerspjūvio geometrijos-, sienelės storio, sujungimo būdų ir armatūros konstrukcijų.

 

Lengvos konstrukcijos esmė – optimizuoti apkrovos kelius. Vietose, kurioms būdinga didelė lenkimo ir smūgio apkrova, standumą galima padidinti padidinus skerspjūvio aukštį, sutvirtinančias briaunas arba naudojant daugiakameres konstrukcijas, o ne tiesiog padidinus visos plokštės storį.

 

Ne{0}}pagrindinėse apkrovą-nešančiose srityse medžiagų sunaudojimą galima sumažinti vietiniu retėjimu, įtraukiant išpjovas ir optimizuojant konstrukciją. CAE (Computer-Aided Engineering) baigtinių elementų analizė leidžia įvertinti įtempius ir deformacijas korpuse tokiomis sąlygomis kaip pagreitis, vibracija, gniuždymas ir kiti tipiniai veikimo scenarijai, todėl projektavimo etape galima nustatyti galimas silpnąsias vietas.

 

Svarbu pažymėti, kad baterijos paketo sumažinimas neturi būti susijęs su sauga. Struktūrinis projektavimas reikalauja tinkamo svorio, standumo, stiprumo, nuovargio naudojimo, avarijos saugos, gamybos sąnaudų ir sandarinimo savybių pusiausvyros.

 

 

Kuriant akumuliatoriaus struktūrą, CAE modeliavimas naudojamas įvairioms medžiagų ir{0}}skerspjūvio projektavimo galimybėms patvirtinti. Įprastos analizės apima statinį stiprumą, modalinę analizę, vibraciją, gniuždymą, smūgio ir vietinio įtempio analizę sujungimo taškuose.

 

Pavyzdžiui, konstrukcijų, kuriose naudojamas 6005A-T6 lydinys, apskaičiuotas didžiausias įtempių vertes galima palyginti su medžiagos takumo riba, taip pat atsižvelgiant į saugos veiksnius, suvirinimo jungčių veikimą ir ilgalaikę-nuovargio apkrovą.

 

Gniuždymo scenarijus reikalauja ypatingo dėmesio saugaus atstumo tarp akumuliatoriaus modulių ir korpuso. Didelė struktūrinė deformacija, kuri įsiskverbia į ląstelės plotą, gali padidinti ląstelių mechaninio pažeidimo riziką. Todėl modeliavimo rezultatai turi būti vertinami kartu su faktiniais akumuliatoriaus modulio matmenimis, saugos atstumais ir bendra transporto priemonės konstrukcija.

 

Be CAE analizės, prototipų kūrimo etape turėtų būti tikrinamas sandarumas, atsparumas vandeniui, vibracija, mechaninis stiprumas ir atsparumas aplinkai. Nors modeliavimas padeda sutrumpinti projektavimo iteracijos ciklus, fizinis bandymas yra būtinas norint patikrinti gaminio veikimą realiomis{1}} eksploatavimo sąlygomis.

 

 

 

Naujoms energetinių transporto priemonių platformoms tobulėjant link aukštos įtampos, didelės talpos ir didelės integracijos, baterijų blokų korpusų funkcionalumas ir toliau plečiasi. Būsimuose konstrukcijų projektuose didesnis dėmesys bus skiriamas korpuso, aušinimo sistemos, elektros jungčių ir šilumos valdymo sinergijai.

 

Viena vertus, aliuminio lydinio profiliai išlaiko reikšmingą lengvumo pranašumą; kelių kamerų ekstruzinės konstrukcijos, lokalizuotas sutvirtinimas ir integruoti aušinimo kanalai išliks pagrindinėmis projektavimo kryptimis. Kita vertus, bendras štampuotų aliuminio lakštų, aliuminio konstrukcijų ir ekstruzinių profilių naudojimas padidės, kad atitiktų įvairių transporto priemonių modelių ir akumuliatorių platformų gamybos reikalavimus.

 

Kalbant apie elementų pakuotę, ličio{0}}jonų akumuliatorių aliuminio korpusai turi subalansuoti formavimo tikslumą, atsparumą korozijai, sandarinimo vientisumą ir vidinės elektrocheminės aplinkos reikalavimus. Akumuliatoriaus lygiu dėmesys sutelkiamas į konstrukcijos stiprumą, sandarinimą ir apsaugą, šilumos valdymą ir avarijų saugą.

 

Prizminėms akumuliatorių sistemoms aliuminio korpuso ir pakuotės konstrukcijos konstrukcijoje turi būti visiškai atsižvelgta į elementų išdėstymą, tolerancijos kaupimąsi ir modulio montavimo būdus, kad surinkimo metu būtų kuo mažiau struktūrinių trikdžių.

 

Giluminio tempimo procesai tinka tam tikriems baterijų metaliniams korpusams su sudėtinga erdvine geometrija; Pagrindiniai projektavimo aspektai apima medžiagos pailgėjimą, lakšto storio kontrolę, kampų spindulius ir įtrūkimo riziką formuojant.

 

Aliuminio paketų korpusų projektavimo tendencijos ateityje pirmenybę teiks integracijai,{0}}kurios konstrukciniai komponentai galėtų atlikti kelias funkcijas (pvz., aušinimas, apkrovos{1}}guolis, montavimas ir apsauga), kad būtų sumažintas bendras atskirų dalių skaičius.

 

Apskritai nėra vieno fiksuoto techninio kelio aliuminio lydinio akumuliatorių korpusams. Gamybos procesai-, pvz., ekstruzija, štampavimas, apdirbimas, suvirinimas frikciniu maišytuvu, MIG suvirinimas, kniedijimas ir klijavimas-, turi būti derinami atsižvelgiant į gaminio matmenis, medžiagų sistemas, gamybos apimtį, tikslumą ir našumo reikalavimus. Aliuminio štampavimo įmonių taikomi proceso maršrutai gali labai skirtis priklausomai nuo gamybos apimties ir konstrukcijos sudėtingumo; todėl gaminio kūrimo etape nustatytas sprendimas turėtų teikti pirmenybę struktūriniams reikalavimams ir gamybos pagrįstumui.

 

Žvelgiant iš inžinerijos perspektyvos, akumuliatoriaus korpuso supaprastinimas nėra tik plieno pakeitimas aliuminiu; veikiau tai yra sistemų inžinerijos siekis, apimantis medžiagų sąveiką,{0}}skerspjūvio struktūras, sujungimo procesus, sandarinimo projektus, modeliavimo patvirtinimą ir masinę gamybą. Tik vienu metu įvertinus konstrukcijos našumą ir gamybos procesus, galima sumažinti svorį, išlaikant akumuliatoriaus sistemos tvirtumą, sandarinimo vientisumą ir ilgalaikį patikimumą.

 

Užnaujų energetinių transporto priemonių akumuliatorių korpusų, inžinierių komandos, dalyvaujančios gaminių kūrimo ar apimties pirkime, turėtų toliau patvirtinti konkrečius techninius sprendimus su gamintojais, turinčiais reikiamas aliuminio lydinio štampavimo, ekstruzijos ir suvirinimo galimybes, atsižvelgdamos į medžiagų klases, konstrukcinius matmenis, formavimo procesus, suvirinimo būdus, sandarinimo įvertinimus ir tikrinimo reikalavimus.