Для повышения запаса хода и емкости электромобилей Силовые аккумуляторные батареи переходят от однослойной компоновки к Многослойным штабельным структурам. Этот переход значительно повышает Энергетическую плотность, но также создает совершенно новые структурные вызовы. В данной статье рассматриваются три аспекта: основные проблемы,主流ные решения и будущие технологические направления.

1-Основные вызовы: Механические проблемы многослойного штабелирования

Расширение Аккумуляторных батарей от одного слоя до Нескольких слоев - это далеко не простое штабелирование. Это изменяет внутреннюю механическую среду и внешние Пути нагрузки, создавая четыре основных вызова:

a.Вертикальный Нагрузка всплеск и риск Ползучести материала

・В Многослойных структурах вес Элементов, Модулей и Структурных компонентов накапливается слой за слоем. Статическая  нагрузка, воспринимаемая нижним слоем, значительно выше, чем у верхнего слоя.

・Эта постоянная Высоконапряженная среда создает серьезные испытания для Долгосрочной производительности материалов, особенно Сопротивления ползучести (медленная Пластическая деформация материалов под Постоянным напряжением с течением времени).

・Если Межслойные опоры или Компоненты крепления элементов подвергаются Ползучести, это может привести к Релаксации предварительного натяжения, влияя на Срок службы элементов и Стабильность контакта на границе раздела. Поэтому крайне важно найти материалы, сочетающие Легкость с отличными Характеристиками сопротивления ползучести.

b.Сила расширенияЭффект суммирования и Структурная стабильность

・Литий-ионные аккумуляторы испытывают "Эффект дыхания" во время Зарядки и разрядки из-за Изменения объемаМатериалов электродов, что приводит к Расширению элемента. В М многослойных штабельных структурах Силы расширения накапливаются слой за слоем, заставляя Модули нижнего слоя выдерживать огромное давление.

・Это Циклическое напряжение может легко вызвать Вздутие корпуса, Разгерметизацию, Сжатие структурных компонентов, Короткое замыкание элементов и ускоренную Деградацию производительности аккумулятора. Эффективный контроль требует Встроенных датчиков для Мониторинга в реальном времени в сочетании с Цифровым моделированием для руководства Оптимизацией структурного проектирования.

c.Основное противоречие между Использованием пространства и Энергетической плотностью

・Решение Гравитации и Сил расширения требует Усиленных структур (таких как добавление Поперечных балок или утолщение Пластин), но это занимает ценное пространство и увеличивает вес, противореча основным целям повышения Объемной энергетической плотности и Весовой энергетической плотности.

・Решение заключается в Структурной оптимизации и применении Эффективных материалов, что стимулирует переход Аккумуляторных батарей к Гибридным многоматериальным конструкциям.

d.Нагрузка при столкновенииПуть передачи и Резервирование безопасности модернизация

・Увеличенная высота Аккумуляторных батарей усиливает Механические нагрузки во время Боковых  или Ударов снизу; Увеличенная структура усиливает Эффект рычага, предъявляя более высокие требования к Прочности точек соединения и Собственной жесткости аккумуляторной батареи.

・Необходимо использование Ударопрочных материалов и Интегрированного дизайна для оптимизации Передачи усилия и Поглощения энергии, обеспечения Безопасности элементов в Экстремальных условиях, тем самым способствуя развитию технологии Интеграции аккумулятора с кузовом (CTC), делая Аккумуляторную батарею неотъемлемой частью Структуры кузова автомобиля.

2- Сравнительный анализ основных структурных решений

Для решения этих вызовов отрасль исследовала различные инновационные решения:

a.Цельнолитой поддон(One-piece Die-cast Tray)

・Преимущества: Высокая Интеграция, сокращение Количества деталей, улучшенная Общая жесткость, Единообразие и Герметичность. Процесс поддерживает Сложные геометрические формы, облегчая интеграцию Охлаждения, Усиливающих ребер и Точек крепления. Монолитная структура помогает управлять Сложными напряжениями.

・Вызовы: Цельное литье под давлением Многослойных каркасов предъявляет чрезвычайно высокие требования к Оборудованию, Штампам и Процессам, что делает его дорогостоящим. Ремонт после столкновения затруднен или невозможен. Монолитная жесткая структура может не иметь Гибкости для управления Разными силами расширения между Слоями.

b.Многоуровневая модульная рама(Multi-level Frame Modular)

・Преимущества: Гибкость Проектирования и изготовления, облегчающая Производство, Обслуживание и Замену. Естественно подходит для Гибридных многоматериальных конструкций, позволяя оптимизировать Производительность и Стоимость для разных Уровней. Использование концепции "Квази-изотропное наслоение" Композитных материалов для оптимизации Общего механического отклика и распределения Напряжения.

・Вызовы: Многочисленные Компоненты и Соединители, Сложная сборка, Накопленные допуски, влияющие на Точность и Предварительный натяг. Многочисленные Интерфейсы соединения (Болты, Заклепки) являются Потенциальными точками отказа и увеличивают вес.

c.Гибридная сэндвич-структура(Hybrid Material Sandwich Structure)

・Преимущества: Отличная Эффективность облегчения и чрезвычайно высокая Удельная жесткость (Высокопрочные панели + Легкие основные материалы, такие как Пена/Алюминиевый сот). Высокая Сопротивление изгибу, при этом Основные материалы обладают как Теплоизоляцией, так и Характеристиками поглощения энергии, повышая Тепловую безопасность и Безопасность при столкновении. Соответствует тенденции Многофункциональной интеграции.

・Вызовы: Сложный Производственный процесс и высокая стоимость. Прочность сцепления на границе раздела и Долговечность между Панелями и Основными материалами являются ключевыми. Основные материалы должны обладать отличным Сопротивлением сжатию и ползучести.

d.Бионическая сотововая структура

・Преимущества: Теоретически идеальный Бионический дизайн (подражание ШестиугольнойСоте) для достижения Предельного облегчения, Высокой жесткости и Прочности на сжатие. Обеспечивает Равномерную поддержку с сильной Способностью поглощения удара.

・Вызовы: Чрезвычайно сложное Производство и высокая стоимость, с значительными Трудностями интеграции с Системами охлаждения и т.д. В настоящее время в основном на этапе Передовых исследований, требуется больше времени для крупномасштабного Коммерческого применения.

3- Ключевые направления технологического прорыва

Будущие ключевые прорывы в решении Проблем проектирования Многослойного штабелирования заключаются в:

a.Материал и Инновации процесса для Облегчения и Баланса жесткости

・Материалы: Постоянная оптимизация CFRP, Алюминиевых сплавов, Магниевых сплавов; разработка новых Многофункциональных полимеров и Композитных материалов, сочетающих Низкую ползучесть, Высокую изоляцию, Хорошую теплопроводность и Легкость обработки.

・Процессы: Разработка Передовых технологий соединения (Сопротивление точечной сварке, Лазерная сварка, Ультразвуковая сварка) для достижения надежных, легких Многоматериальных соединений.

Рисунок 1：Лазерная сварка корпуса аккумулятора электромобиля роботом 

b. Адаптивное управление Силами расширения

Сдвиг подхода от "Жесткого сопротивления" к "Гибкой адаптации", создание Динамических систем для поддержания Элементов в Оптимальной стрессовой среде на протяжении всего Жизненного цикла.

c.Межслойное соединение и Интеграционная революция

・Технологии соединения: Эволюция от БолтовыхМеханических соединений к Структурному клеюСклеиванию и Передовой сварке для более равномерного Распределения напряжений, Хорошей герметизации и Сопротивления усталости.

・Конечная интеграция: CTC/CTB (Cell-to-Chassis/Body) является важным будущим направлением для ИнтеграцииАккумуляторной батареи. Путем устранения Независимых корпусов и прямой интеграции Элементов или Модулей в Шасси, сама Многослойная укладка становится Структурным компонентом кузова автомобиля (таким как Поперечные балки или Полы),  решая Ограничения пространства и максимизируя Функциональность структуры аккумулятора. Достижение этой технологии требует Глубокого сотрудничества между множеством областей, включая Аккумуляторы, Структуры, Теплоуправление и Безопасность, представляя Конечную форму концепции "Структура как функция".

Рисунок 2：корпус аккумулятора электромобиля

Многослойное штабелирование является неизбежным выбором для увеличения Энергетической плотностиАккумулятора, но оно также приносит огромные вызовы в Структуре, Силах расширения и Безопасности. Решение заключается в Инновациях материалов, Бионической структурной оптимизации и Интеллектуальном управлении Силами расширения. В конечном итоге Аккумуляторные батареи Глубоко интегрируются с Кузовами автомобилей, становясь интегрированным "Энергетическим шасси".

Мы будем регулярно обновлять технологии и информацию о тепловых проектах и оптимизации, и делиться этой информацией с вами для справки. Благодарим вас за интерес к компании Walmate.