Alumīnija sakausējuma bateriju komplekta korpusa konstrukciju un savienošanas tehnoloģiju analīze jauniem transportlīdzekļiem ar enerģiju

Tā kā jaunu enerģijas transportlīdzekļu jaudas akumulatoru sistēmas attīstās uz lielāku enerģijas blīvumu, vieglu svaru un lielāku integrāciju, akumulatora korpuss ir kļuvis no vienkārša konstrukcijas vairoga par kritisku sastāvdaļu, kas vienlaikus apstrādā slodzes{0}}nesšanu, blīvējumu, siltuma pārvaldību un sistēmas integrāciju. Jaudas akumulatoriem, lai gan elementu materiālu sistēmas un akumulatoru pārvaldības tehnoloģijas turpina uzlaboties, korpusa svara samazināšana, lai palielinātu sistēmas enerģijas blīvumu, ir tieša un efektīva inženierijas pieeja.

 

Alumīnija sakausējumi piedāvā zemu blīvumu, augstu īpatnējo izturību, izcilu izturību pret koroziju, labu siltumvadītspēju, labvēlīgu formējamību un pārstrādājamību, padarot tos ļoti vērtīgus jaunu enerģijas transportlīdzekļu akumulatoru bloku konstrukcijās. Salīdzinot ar tradicionālajiem tērauda korpusiem, alumīnija sakausējuma konstrukcijas samazina svaru, vienlaikus izpildot slodzes -nesuma prasības, nodrošinot lielāku dizaina elastību akumulatora moduļu izkārtojumam, dzesēšanas sistēmas integrācijai un transportlīdzekļa diapazona optimizēšanai.

 

Jaunu enerģijas transportlīdzekļu akumulatoru sistēmu izplatītākie konstrukciju projekti ietver ekstrudēta alumīnija korpusus, štancētas alumīnija loksnes konstrukcijas un hibrīda konstrukcijas, kas apvieno profilus un loksnes. Jo īpaši ekstrudētie profili piedāvā ļoti pielāgojamas šķērsgriezuma{1}}griezumus; Tādas funkcijas kā vairāku-kameru dizains, pastiprinošās ribas un lokalizētas cietās sekcijas ļauj palielināt konstrukcijas stingrību, vienlaikus optimizējot materiālu izmantošanu. Prizmatisko šūnu sistēmām korpusa konstrukcija jāsaskaņo arī ar šūnu izvietojumu, dzesēšanas kanāliem un augšējā vāka blīvējuma konstrukciju.

 

Elementu līmenī alumīnija kārba kalpo, lai iekapsulētu elementu iekšpusi un nodrošinātu ārējo aizsardzību, savukārt akumulatora korpuss galvenokārt ir atbildīgs par visas akumulatora sistēmas strukturālo slodzi{0}} un vides aizsardzību; abi ievērojami atšķiras pēc izmēriem, materiāla biezuma, formēšanas metodēm un savienojuma prasībām. Līdz ar to mehāniskās, elektriskās un termiskās pārvaldības prasības gan elementa korpusam, gan akumulatora korpusam ir jānovērtē atsevišķi konstrukcijas projektēšanas procesā.

 

 

 

Tipisks alumīnija sakausējuma akumulatora korpuss sastāv no rāmja, pamatplāksnes, augšējā vāka un iekšējām montāžas konstrukcijām. Rāmis un pamatplāksne iztur primārās slodzes no akumulatora moduļiem un saistītajiem komponentiem, savukārt augšējais vāks galvenokārt nodrošina aizsardzību un blīvējumu, kā arī veicina vispārējo konstrukcijas stingrību. Atkarībā no konkrētā transportlīdzekļa modeļa un akumulatora sistēmas izkārtojuma var tikt integrēti arī tādi komponenti kā dzesēšanas kanāli, montāžas kronšteini, konstrukcijas pastiprinājumi, vadu instalācijas stiprinājumi un augstsprieguma savienojuma zonas.

 

Alumīnija akumulatoru korpusiem jaunos enerģijas transportlīdzekļos konstrukcijas projektēšanā nevar koncentrēties tikai uz svara samazināšanu; tai vienlaikus jāatbilst izturības, stingrības, noguruma, avārijas drošības, blīvējuma un izgatavojamības prasībām. Savienojuma zonas korpusā bieži ir kritiskas jomas konstrukcijas projektēšanai un uzticamības apstiprināšanai, jo īpaši ņemot vērā ekspluatācijas apstākļus, kas saistīti ar ilgstošu-vibrāciju, termisko cikliskumu un ceļa ietekmi.

 

Rāmis un pamatplāksne parasti izmanto ekstrudētu alumīnija sakausējuma profilus ar vairākiem iekšējiem dobumiem. Profila šķērsgriezuma-optimizēšana nodrošina lielu laukuma inerces momentu ar salīdzinoši ierobežotu materiālu izmantošanu. Pastiprinošas ribas vai lokalizētas cietās sekcijas var iestrādāt vietās, kas pakļautas lielai slodzei, savukārt nevajadzīgus materiālus var noņemt no ne-kritiskās slodzes-nesošajām zonām, samazinot sienas biezumu, optimizējot dobuma izmērus vai izmantojot pēc-ekstrūzijas apstrādi.

 

Papildus akumulatora elementu un moduļu svara atbalstam akumulatora bloka pamatplāksnē var būt nepieciešams integrēt ūdens vai šķidruma dzesēšanas kanālus. Līdz ar to tā šķērsgriezuma-konstrukcijā ir jāsabalansē slodzes-nestspēja, vieta dzesēšanas kanāliem, ražošanas iespējamība un blīvējuma prasības. Akumulatoru blokiem, kas izmanto šķidruma dzesēšanu, iekšējo kanālu nepārtrauktība un metināto vietu blīvējuma kvalitāte ir īpaši svarīga.

 

 

Vilces akumulatoru korpusos parasti izmanto ekstrudētus 6000-sērijas alumīnija sakausējumus-, piemēram, 6061-T6, 6005A-T6 un 6063-T6. Dažādi sakausējumi atšķiras pēc stiprības, ekstrudējamības, šķērsgriezuma sarežģītības un materiālu izmaksām; tādēļ materiālu izvēle ir jānosaka, ņemot vērā gan konstrukcijas slodzes prasības, gan ražošanas procesus.

 

6061-T6 piedāvā lieliskas vispārējās mehāniskās īpašības, padarot to piemērotu rāmjiem un nesošajiem-detaļām, kurām nepieciešama augsta izturība un konstrukcijas stabilitāte. 6005A-T6 līdzsvaro izturību ar ekstrūzijas formējamību, padarot to piemērotu lielākām profila konstrukcijām.

 

6063-T6 piedāvā izcilu formējamību, padarot to labāk piemērotu sarežģītiem-šķērsgriezumiem vai konstrukciju zonām ar zemākām nestspējas prasībām. Projektēšanas procesā biezāka profila siena ne vienmēr ir labāka. Pārmērīgs sienu biezums palielina materiālu izmantošanu un konstrukcijas svaru, vienlaikus palielinot izmaksas, kas saistītas ar ekstrūzijas, metināšanas un pakārtoto apstrādi. Tāpēc sienu biezums un stiegrojuma ribu izvietojums jānosaka, pamatojoties uz faktiskajiem slodzes ceļiem, nodrošinot, ka materiāls tiek sadalīts tur, kur tas visefektīvāk var izturēt slodzi.

 

Konstrukcijām, kurām nepieciešama otrreizēja apstrāde, alumīnija štancētas detaļas var izmantot tādām sastāvdaļām kā lokalizēti kronšteini, montāžas cilpas, aizsargvairogi un savienošanas palīglīdzekļi korpusa iekšpusē. Salīdzinot ar vienkāršu galvenā profila biezuma palielināšanu, lokāla pastiprināšana, izmantojot atsevišķus stingrības elementus, dažkārt var sasniegt izcilu līdzsvaru starp svaru un konstrukcijas veiktspēju.

 

 

 

Alumīnija sakausējuma akumulatoru korpusus var veidot kā integrālas ekstrudētas konstrukcijas vai kā mezglus, kas izveidoti, metinot kopā vairākus profilus. Integrētie profili nodrošina izcilu strukturālo nepārtrauktību un samazina savienojuma saskarņu skaitu; tomēr tie var ietvert lielākus profila izmērus, stingrākas prasības attiecībā uz instrumentiem un palielinātu pakārtoto apstrādi.

 

Savukārt metinātie mezgli samazina ražošanas sarežģītību, kas saistīta ar lieliem, sarežģītiem profiliem, un piedāvā lielāku dizaina elastību. Apvienojot profilus ar dažādiem šķērsgriezumiem{1}}, konstrukcijas konfigurāciju var pielāgot konkrētiem akumulatora bloka izmēriem un slodzes prasībām, vienlaikus potenciāli samazinot instrumentu un apstrādes izmaksas.

 

Konkrētām montāžas vietām var izveidot lokālas montāžas funkcijas, izmantojot alumīnija štancēšanu vai apstrādi. Konkrētā pieeja jāizvēlas, pamatojoties uz detaļu izmēriem, materiāla biezumu, ražošanas apjomu un precizitātes prasībām. Liela apjoma ražošanas projektiem produktu izstrādes sākumposmā parasti ir nepieciešams visaptverošs štancēšanas, ekstrūzijas un apstrādes procesu kombinācijas novērtējums.

 

 

 

Alumīnija sakausējuma akumulatoru korpusu galvenās savienošanas metodes ir berzes maisīšanas metināšana (FSW), MIG metināšana, kniedēšana, presēšana- (paš-caurduroša kniedēšana/kniedēšana{2}}) un līmējošā savienošana. Berzes maisīšanas metināšana ir ievērojams cietvielu savienošanas paņēmiens; atšķirībā no tradicionālās kausēšanas metināšanas metināšanas laikā materiāls nepakļaujas pilnīgam kušanas procesam.

 

Liela attāluma -konstrukciju savienojumiem-, piemēram, tiem, kas savieno akumulatora bloka pamatplāksni ar rāmi,-berzes metināšana piedāvā priekšrocības, tostarp minimālu metināšanas deformāciju, stabilu savienojumu mikrostruktūru un piemērotību nepārtrauktām metināšanas darbībām. Tā kā tradicionālajai kausētai metināšanai raksturīgā metināšanas baseina sacietēšanas procesa nav, ir samazināts tādu defektu risks kā porainība, ieslēgumi un karstā plaisāšana.

 

Praktiskā konstrukcijas projektēšanā metināšanas zonas šķērsgriezuma-formai ir jāsakrīt ar berzes maisīšanas metināšanas instrumenta kustības apvalku. Iekšējiem stingrības elementiem, filejām un lokālām cietajām sekcijām profilos ir jānodrošina atbilstošs atbalsts metināšanas procesam. Ja metinājuma dziļums ir būtisks, attiecīgi jāpalielina attiecīgā laukuma konstrukcijas stingrība; pretējā gadījumā zem metināšanas spiediena var rasties lokāla deformācija.

 

Savienojumam starp pamatplāksnēm var izvēlēties sadursavienojumu-vai pārlaides{1}}savienojumu konfigurācijas, pamatojoties uz konstrukcijas dizainu. Divpusējā -metināšana uzlabo savienojuma vietas strukturālo stabilitāti, bet palielina apstrādes ceļu un ražošanas laiku; tāpēc izvēle ir atkarīga no produkta struktūras un ražošanas cikla prasībām.

 

 

Savienojums starp rāmi un pamatplāksni ir kritiska slodzes -nesošā saskarne akumulatora korpusam, un savienošanas metode tieši ietekmē kopējo konstrukcijas izturību un blīvējuma veiktspēju. Izplatītas pieejas ietver divpusējo -berzes maisīšanas metināšanu (FSW) vai ārējās FSW kombināciju ar iekšējo MIG metināšanu un blīvēšanas apstrādi.

 

Divpusējs -FSW nodrošina nepārtrauktu savienojuma saskarni un palīdz samazināt metināšanas -izraisītu deformāciju. Tomēr konstrukcijas projektā ir jāparedz pietiekams attālums metināšanas instrumentam, tāpēc var būt nepieciešami īpaši rāmja šķērsgriezuma izmēri.

 

Vēl viena pieeja ietver FSW izmantošanu ārpusē un MIG metināšanu iekšpusē. Šī konfigurācija piedāvā salīdzinoši augstu ražošanas efektivitāti un lielāku profila dizaina elastību; tomēr metināšanas kvalitātei un blīvējuma veiktspējai iekšējās saplūšanas -metinātajās zonās jāpievērš īpaša uzmanība. Ja ir iespējami noplūdes ceļi, var būt nepieciešama sekundārā aizsardzība, izmantojot hermētiķi.

 

Noteiktām sarežģītām savienojuma zonām štancētas alumīnija lokšņu metāla detaļas var izmantot kā neatkarīgus savienotājus, kas pēc tam savienotas ar galveno korpusu, izmantojot kniedēšanas, metināšanas vai skrūvju palīdzību. Šī stratēģija samazina ražošanas sarežģītību, kas saistīta ar sarežģītu struktūru kā atsevišķu integrētu vienību ražošanu.

 

 

Akumulatoru bloki jauniem enerģijas transportlīdzekļiem parasti tiek uzstādīti transportlīdzekļa apakšā vai netālu no šasijas, ilgstoši pakļaujot tos vides faktoriem, piemēram, lietum, dubļiem, stāvošam ūdenim, temperatūras svārstībām un mehāniskām vibrācijām. Korpusa blīvējuma konstrukcija ir ļoti svarīga ne tikai konstrukcijas komponentu ilgmūžībai, bet arī akumulatora sistēmas elektrodrošībai.

 

Projektēšanas procesā ir ļoti svarīgi kontrolēt iespējamās noplūdes ceļus, piemēram, pamatplākšņu šuves, rāmja savienojumus, augšējā vāka atlokus, stiprinājumu montāžas caurumus un saskarnes vadu instalācijām un augstsprieguma{0}}savienojumiem. Korpusiem, kuros izmantoti metinātie savienojumi, ir jāizmanto metināšanas kvalitātes kontrole un blīvējuma pārbaude, lai nodrošinātu, ka savienojumu zonās nepastāv ievērojams noplūdes risks.

 

Starp korpusu un augšējo vāku parasti izmanto blīvējuma sloksnes, putotus blīvējuma materiālus vai citas elastīgas blīvējuma struktūras. Blīvējuma konstrukcijai jāattiecas arī uz stiprinājumu zonām, lai novērstu skrūvju caurumus vai kniežu caurumus no mitruma iekļūšanas korpusā.

 

Dažās konfigurācijās elektriskie komponenti,-piemēram, izolētās kopnes-atrodas akumulatora bloka iekšējo konstrukciju tuvumā; tādēļ ir jāņem vērā tādi faktori kā izolācijas klīrenss, montāžas metodes un noslēgtās vides ietekme uz elektrisko komponentu ilgtermiņa darbību.

 

 

Alumīnija sakausējuma akumulatoru komplekti nav atkarīgi tikai no ekstrūzijas procesiem. Tādas sastāvdaļas kā montāžas kronšteini, savienojošās plāksnes, pastiprinājumi un lokalizētas konstrukcijas daļas var tikt ražotas masveidā,{1}}izmantojot alumīnija metāla štancēšanu. Štancēšana piedāvā tādas priekšrocības kā ātri ražošanas cikli, augsta materiāla izmantošana un piemērotība masveida ražošanai.

 

Detaļām ar sarežģītu ģeometriju un augstu izmēru precizitātes prasībām var izmantot alumīnija lokšņu metāla štancēšanas un CNC apstrādes kombināciju. Štancēšana tiek izmantota, lai veidotu pamatprofilu un primāro struktūru, savukārt mehāniskā apstrāde veic urbumu, montāžas virsmu un kritisko izmēru precīzu apdari.

 

Projekta izstrādes fāzē vai mazo{0}}sēriju ražošanā pielāgota alumīnija štancēšana var samazināt ieguldījumus specializētos instrumentos un atvieglot ātru strukturālu pielāgošanu, pamatojoties uz prototipa pārbaudes rezultātiem. Pārejot uz masveida ražošanu, instrumenti, materiālu izmantošana un ražošanas cikli ir jāturpina optimizēt, lai kontrolētu vienības ražošanas izmaksas.

 

Lokalizētiem kronšteiniem, stiprinājumiem un elektrisko savienojumu palīgkonstrukcijām štancētas alumīnija daļas papildina presētos profilus un metinātās konstrukcijas, piedāvājot lielāku elastību kopējā akumulatoru komplekta ražošanas stratēģijā.

 

 

Alumīnija blīvums ir aptuveni viena{0}}trešdaļa no tērauda blīvuma; līdz ar to atsevišķu tērauda konstrukciju aizstāšana ar alumīnija sakausējumiem piedāvā ievērojamu svara samazināšanas potenciālu. Tomēr faktiskais sasniegtais svara samazinājums nav tikai materiāla blīvuma atšķirību funkcija; tas ir atkarīgs arī no šķērsgriezuma-ģeometrijas, sienu biezuma, savienošanas metodēm un stiegrojuma konstrukcijām.

 

Vieglā dizaina pamatā ir slodzes ceļu optimizēšana. Vietām, kas pakļautas ievērojamai lieces un trieciena slodzei, stingrību var palielināt, palielinot šķērsgriezuma-augstumu, iekļaujot pastiprinošās ribas vai izmantojot daudzkameru konstrukcijas, nevis vienkārši palielinot visa paneļa biezumu.

 

Ne{0}}primārās slodzes-zonās materiālu patēriņu var samazināt, veicot lokālu retināšanu, iestrādājot izgriezumus un optimizējot struktūru. CAE (Computer{3}}Aided Engineering) galīgo elementu analīze ļauj novērtēt spriegumu un deformāciju korpusā tādos apstākļos kā paātrinājums, vibrācija, saspiešana un citi tipiski darbības scenāriji, ļaujot identificēt potenciālos vājos punktus projektēšanas fāzē.

 

Ir svarīgi atzīmēt, ka akumulatora bloka mazināšana nedrīkst apdraudēt drošību. Konstrukcijas projektēšanai ir nepieciešams panākt saprātīgu līdzsvaru starp svaru, stingrību, izturību, noguruma ilgumu, avārijas drošību, ražošanas izmaksām un blīvējuma veiktspēju.

 

 

Akumulatora struktūras izstrādes laikā CAE simulācija tiek izmantota, lai apstiprinātu dažādas materiālu un šķērsgriezuma{0}}projektēšanas iespējas. Tipiskās analīzes ietver statisko izturību, modālo analīzi, vibrāciju, saspiešanu, triecienu un lokālā sprieguma analīzi savienojuma punktos.

 

Piemēram, attiecībā uz konstrukcijām, kurās tiek izmantots 6005A-T6 sakausējums, aprēķinātās maksimālās sprieguma vērtības var salīdzināt ar materiāla tecēšanas robežu, vienlaikus ņemot vērā arī drošības faktorus, metināto savienojumu veiktspēju un ilgstošu-noguruma slodzi.

 

Saspiešanas scenārijos īpaša uzmanība jāpievērš drošības attālumam starp akumulatora moduļiem un korpusu. Būtiska strukturāla deformācija, kas iekļūst šūnas zonā, var palielināt šūnu mehānisku bojājumu risku. Tāpēc simulācijas rezultāti ir jānovērtē saistībā ar faktiskajiem akumulatora moduļa izmēriem, drošības attālumiem un transportlīdzekļa kopējo struktūru.

 

Papildus CAE analīzei prototipu izstrādes posmā jāietver hermētiskuma, ūdensizturības, vibrācijas, mehāniskās izturības un vides izturības validācijas pārbaude. Lai gan simulācija palīdz saīsināt projektēšanas iterācijas ciklus, fiziskā testēšana ir būtiska, lai pārbaudītu produkta veiktspēju reālos{1}}darbības apstākļos.

 

 

 

Tā kā jaunas enerģijas transportlīdzekļu platformas attīstās pret augstu spriegumu, lielu jaudu un augstu integrāciju, akumulatoru komplektu korpusu funkcionalitāte turpina paplašināties. Nākotnes konstrukcijas projektos lielāks uzsvars tiks likts uz sinerģiju starp korpusu, dzesēšanas sistēmu, elektriskajiem savienojumiem un siltuma vadību.

 

No vienas puses, alumīnija sakausējuma profili saglabā ievērojamas priekšrocības viegluma ziņā; daudzkameru ekstrudētas konstrukcijas, lokalizēts pastiprinājums un integrēti dzesēšanas kanāli arī turpmāk būs galvenie dizaina virzieni. No otras puses, štancētu alumīnija lokšņu, liet alumīnija konstrukciju un ekstrudētu profilu kombinētais pielietojums palielināsies, lai apmierinātu dažādu transportlīdzekļu modeļu un akumulatoru platformu ražošanas prasības.

 

Attiecībā uz elementu iepakojumu litija{0}}jonu akumulatoru alumīnija apvalkiem ir jāsabalansē formēšanas precizitāte, izturība pret koroziju, blīvējuma integritāte un iekšējās elektroķīmiskās vides prasības. Akumulatora līmenī uzmanība tiek pievērsta konstrukcijas izturībai, blīvēšanai un aizsardzībai, siltuma pārvaldībai un avārijas drošībai.

 

Prizmatiskām akumulatoru sistēmām alumīnija korpusa un iepakojuma konstrukcijas dizainā pilnībā jāņem vērā šūnu izvietojums, pielaides uzkrāšanās un moduļu montāžas metodes, lai montāžas laikā samazinātu strukturālos traucējumus.

 

Dziļās vilkšanas procesi ir piemēroti noteiktiem akumulatoru metāla korpusiem ar sarežģītu telpisko ģeometriju; Galvenie dizaina apsvērumi ietver materiāla pagarinājumu, loksnes biezuma kontroli, stūra rādiusus un plaisāšanas risku formēšanas laikā.

 

Alumīnija iepakojuma korpusiem nākotnes dizaina tendences par prioritāti piešķirs integrāciju,{0}}ļaujot strukturālajiem komponentiem veikt vairākas funkcijas (piemēram, dzesēšanu, slodzes-nešanu, montāžu un aizsardzību), lai samazinātu kopējo atsevišķu daļu skaitu.

 

Kopumā alumīnija sakausējuma akumulatoru korpusiem nav vienota, fiksēta tehniska ceļa. Ražošanas procesi-, piemēram, ekstrūzija, štancēšana, mehāniskā apstrāde, berzes metināšana, MIG metināšana, kniedēšana un līmēšana-ir jāapvieno, pamatojoties uz izstrādājuma izmēriem, materiālu sistēmām, ražošanas apjomu, precizitāti un veiktspējas prasībām. Alumīnija štancēšanas uzņēmumu pieņemtie procesa ceļi var ievērojami atšķirties atkarībā no ražošanas apjoma un struktūras sarežģītības; tādēļ produkta izstrādes posmā noteiktajam risinājumam par prioritāti ir jāizvirza strukturālās prasības un ražošanas iespējamība.

 

No inženiertehniskā viedokļa akumulatora korpusa atvieglošana nav tikai tērauda aizstāšana ar alumīniju; drīzāk tie ir sistēmu inženierijas centieni, kas ietver materiālu mijiedarbību,-šķērsgriezuma struktūras, savienošanas procesus, blīvējuma dizainus, simulācijas validāciju un masveida ražošanu. Tikai vienlaikus ņemot vērā konstrukcijas veiktspēju un ražošanas procesus, var samazināt svaru, vienlaikus saglabājot akumulatora sistēmas izturību, blīvējuma integritāti un ilgtermiņa uzticamību.

 

Parjauni enerģijas transportlīdzekļu akumulatoru korpusi, inženieru komandām, kas iesaistītas produktu izstrādē vai apjoma iegādē, būtu papildus jāapstiprina konkrēti tehniskie risinājumi ar ražotājiem, kuriem ir vajadzīgās iespējas alumīnija sakausējuma štancēšanai, ekstrūzijai un metināšanai, ņemot vērā materiālu kategorijas, strukturālos izmērus, formēšanas procesus, metināšanas metodes, blīvējuma vērtējumus un pārbaudes prasības.