Los vehículos eléctricos (VE) se han convertido en un pilar fundamental de la transformación de la industria automotriz. Dado que los VE dependen de baterías para su propulsión, la bandeja de la batería desempeña un papel crucial para garantizar el funcionamiento normal y seguro del sistema. Actualmente, existen tres tipos comunes de bandejas de batería: de acero, de aluminio fundido a presión y de aluminio extruido. De estas, las bandejas de aluminio extruido son las más prestigiosas.
En comparación con las bandejas de acero, elegir aluminio ofrece numerosas ventajas, como una menor densidad y un menor peso para el mismo volumen, lo que contribuye al ahorro de energía. El aluminio también posee una excelente resistencia a la corrosión y a la intemperie, lo que le permite soportar entornos externos adversos. Además, su superior maquinabilidad y plasticidad reducen eficazmente los costes de producción. En comparación con las bandejas de aluminio fundido a presión, los diseños de aluminio extruido son más flexibles y fáciles de modificar o perfeccionar. La diversidad de dimensiones y la amplia gama de aplicaciones de las bandejas de aluminio extruido tampoco tienen parangón con las alternativas de fundición a presión. Por consiguiente, las bandejas de aluminio extruido para baterías se utilizan ampliamente en diversos sectores.
Descripción general de las bandejas para baterías de automóviles
La batería es la principal fuente de energía de un vehículo eléctrico (VE), proporcionando la potencia motriz para todo el vehículo. Como soporte para los módulos de la batería, la bandeja de la batería es vital para la seguridad y protección de estos módulos. Una bandeja de batería para VE consta principalmente de una bandeja inferior y una cubierta superior. La bandeja inferior de la batería suele tener una estructura soldada por fricción-agitación (FSW) hecha de perfiles de aleación de aluminio. Sus componentes estructurales principales incluyen la placa base, el marco y los soportes de montaje, siendo la soldadura el método de conexión principal. La bandeja no solo debe presentar una excelente resistencia a las vibraciones, a los golpes mecánicos y a la compresión para proteger la batería de daños durante colisiones externas o compresión, sino que también debe cumplir con un grado de protección IP67 como mínimo (según GB/T 4208-2017), además de cumplir con los requisitos de las pruebas de corrosión por niebla salina y de choque térmico a altas y bajas temperaturas.
Material para bandejas de baterías de automóviles
El desarrollo de vehículos eléctricos (VE) es una forma eficaz de abordar la contaminación ambiental y los problemas energéticos. En un VE puro, la batería representa aproximadamente el 30 % del peso en vacío del vehículo, mientras que la bandeja inferior de la batería supone entre el 20 % y el 30 % de su peso. Por lo tanto, un diseño estructural y una fabricación ligeros y rentables de la bandeja inferior pueden reducir eficazmente los costes de los VE y aumentar su autonomía.
Las aleaciones de aluminio de la serie 6XXX son ideales para bandejas de baterías de aluminio, ya que no son propensas a la corrosión bajo tensión y ofrecen una excelente soldabilidad. Mediante un diseño estructural racional de los perfiles, se puede reducir el consumo de material sin comprometer la rigidez ni la resistencia estructural. Combinado con la simulación de ingeniería asistida por ordenador (CAE), se puede optimizar la estructura de la cavidad y el espesor de la pared. Esto permite verificar el rendimiento en materia de seguridad, incluyendo la durabilidad ante vibraciones, la resistencia al impacto y la resistencia a la compresión lateral, lo que posibilita una mayor reducción de peso sin comprometer la seguridad.
Estructura de las bandejas de baterías de aluminio
Las bandejas de aluminio para baterías están construidas a partir de perfiles de aluminio extruido, que se unen mediante soldadura para formar una estructura de bastidor integrada completa. Chapa Se utiliza en ciertas áreas para servir como placas de sellado para las cavidades del perfil. Los elementos de fijación incluyen tuercas remachables hexagonales, espárragos de ajuste a presión e insertos roscados M12×1D o M8×1.25D.
Los componentes principales de una bandeja de batería de aluminio incluyen la placa inferior, las vigas laterales izquierda/derecha, las vigas laterales delantera/trasera y las vigas de montaje de módulos. Las cuatro vigas laterales utilizan tres secciones transversales de perfil en forma de L diferentes, que facilitan la soldadura con la placa inferior. Dos vigas de montaje de módulos se ubican sobre las soldaduras entre la placa inferior y las vigas laterales delantera/trasera, sirviendo como superficies de apoyo y puntos de conexión para los módulos de batería. Se instalan múltiples tuercas remachables hexagonales a lo largo de la brida superior de la bandeja para conectar la cubierta superior y formar un espacio sellado. Una base de montaje para extintor, compuesta por un soporte y pernos de ajuste a presión, está soldada al lado interior de la viga lateral delantera. Seis insertos roscados M12×1D se distribuyen uniformemente en la parte inferior exterior de la bandeja para fijarla al vehículo. Además, se instalan seis insertos roscados M8×1.25D en cada una de las dos vigas de montaje de módulos para conectar tres módulos de batería en paralelo.
Proceso y producción de la bandeja de baterías
Las bandejas de aluminio para baterías se fabrican principalmente mediante la soldadura de perfiles de aluminio extruido mecanizados. La estructura consta de una placa base y un marco. La placa base se forma generalmente mediante la unión de 2 a 4 perfiles de aluminio utilizando soldadura por fricción-agitación (FSW). El marco suele estar compuesto por 4 a 6 vigas de perfil de aluminio soldadas entre sí mediante métodos como MIG (Metal Inert Gas), TIG (Tungsten Inert Gas) o CMT (Cold Metal Transfer). La placa base y el marco se unen mediante FSW, MIG, TIG o CMT para formar el conjunto de la bandeja de baterías. El diseño de la sección transversal de los perfiles extruidos debe tener en cuenta los resultados de la simulación CAE, la viabilidad de la extrusión y los métodos de conexión elegidos.
Para minimizar la deformación por soldadura, se utiliza tecnología de simulación de soldadura con antelación para predecir los resultados y optimizar las secuencias y los parámetros de soldadura. Se diseñan plantillas y dispositivos de soldadura especializados para garantizar la precisión dimensional y la exactitud del ensamblaje, lo que reduce los costos de producción, acorta los ciclos y mejora la eficiencia.
La calidad de la bandeja se garantiza mediante un riguroso conjunto de pruebas: inspección de la calidad de la soldadura, precisión dimensional mediante máquinas de medición por coordenadas (MMC), estanqueidad mediante equipos de prueba, resistencia a la corrosión mediante cámaras ambientales y rigidez/resistencia mediante bancos de pruebas de vibración, impacto y compresión. Solo completando estas pruebas se puede garantizar el rendimiento y la calidad de la bandeja.
Procesos para bandejas de baterías de automóviles
Las extrusiones de aluminio en bruto se cortan con sierra para obtener la longitud aproximada de cada pieza o se les da forma directamente. Tras el mecanizado y el rectificado, se completan las piezas. El proceso general para una bandeja de batería de aluminio incluye corte con sierra, corte láser, mecanizado, rectificado, montaje, soldadura, pruebas de estanqueidad, remachado a presión, remachado ciego y unión adhesiva.
Mecanizado de piezas individuales
Todas las partes individuales deben someterse a Mecanizado CNC Para cumplir con las tolerancias dimensionales, la chapa metálica se procesa mediante corte láser, lo que ofrece alta eficiencia y cumple con los requisitos para el ensamblaje no preciso. Los perfiles se procesan mediante aserrado CNC, que es eficiente, rentable y suficientemente preciso para la mayoría de las aplicaciones. Para características complejas o áreas de alta precisión, se utilizan centros de mecanizado CNC de 3 ejes. La calidad de las piezas individuales afecta directamente la precisión del ensamblaje, la tolerancia dimensional, la planitud y el acabado superficial de la bandeja de baterías final.
Asamblea
La precisión del ensamblaje entre las piezas afecta significativamente la calidad de la soldadura posterior y es un factor clave para cumplir con los requisitos de sellado de la bandeja de aluminio para baterías. Específicamente, el ajuste entre los orificios de agua de la placa inferior y los bloques de sellado es decisivo para la soldadura de los canales de refrigeración. La hermeticidad de la bandeja depende del ensamblaje y la soldadura de las vigas frontal, trasera y laterales. Los espacios excesivos entre las piezas pueden imposibilitar la soldadura, mientras que una sujeción deficiente de las secciones débiles puede provocar una deformación térmica severa, afectando las dimensiones. Durante el ensamblaje, las piezas se colocan planas sobre una plataforma multifuncional, se fijan con dispositivos de sujeción, se inspeccionan para verificar las dimensiones iniciales y se sueldan por puntos para prepararlas para la soldadura final.
Soldadura
Una vez verificadas las dimensiones del ensamblaje, se realiza una soldadura por puntos en los puntos de tensión clave para asegurar las piezas y minimizar la deformación durante el proceso final de soldadura completa. Esta etapa final es el paso de "cierre" que garantiza la estanqueidad de la bandeja de aluminio para la batería. Cualquier defecto de soldadura, en cualquier punto, puede provocar un fallo durante la prueba de hermeticidad.
Pruebas de hermeticidad
Las pruebas de estanqueidad se dividen en dos partes: prueba de canales de agua y prueba del cuerpo de la bandeja. Durante la prueba de canales de agua, se utilizan conexiones rápidas para presurizar los canales a aproximadamente 400 kPa. La bandeja se sumerge completamente en un tanque de agua durante 3 minutos. La presencia de burbujas continuas indica un fallo, mientras que la ausencia de burbujas indica que la prueba ha sido superada. Durante la prueba del cuerpo de la bandeja, se utiliza un detector de fugas para presurizar el interior a 3,500 ± 500 Pa. Tras el periodo de estabilización, se realiza una prueba de 60 segundos; una caída de presión no superior a 38 Pa se considera superada.
Mecanizado integral
Las características que requieren tolerancias geométricas elevadas, como la planitud de la superficie de montaje del módulo de 0.3 mm, la posición del orificio hexagonal superior de 0.5 mm y la planitud inferior de 0.5 mm, no pueden garantizarse si se mecanizan en piezas individuales antes de la soldadura, debido a errores acumulativos, desviaciones en el montaje y deformaciones por soldadura. Por ello, se emplea el mecanizado integral posterior a la soldadura para cumplir con estos requisitos de precisión.
Remachado
El remachado incluye el remachado ciego y el remachado a presión. En el remachado ciego, una remachadora instala tuercas hexagonales en la brida superior de la bandeja de aluminio para baterías, que posteriormente se atornillan a la tapa superior durante el montaje final. En el remachado a presión, una prensa aprovecha la plasticidad del perfil de aluminio para unir espárragos de acero a presión con soportes de aluminio, lo que permite fijar componentes pequeños al cuerpo principal de la bandeja.
Inspección dimensional
La inspección se realiza mediante mediciones manuales y con máquinas de medición por coordenadas (MMC). Los inspectores de calidad comprueban las dimensiones lineales utilizando calibradores y cintas métricas, mientras que las tolerancias geométricas, como la posición y la planitud, se verifican mediante MMC.
Sellado del puerto de agua de la placa inferior
Como vía de circulación del refrigerante, la calidad y el sellado de la placa inferior son fundamentales para el proceso de fabricación de la bandeja de aluminio para baterías. La placa inferior se forma mediante el ensamblaje y la soldadura de bloques de sellado a la base del perfil. Las múltiples cavidades dentro de los perfiles extruidos funcionan como canales de refrigeración. Un extremo del perfil conecta la entrada y la salida, que no se comunican entre sí, mientras que el otro extremo sella los orificios para permitir la comunicación entre las cavidades. Esto crea un circuito cerrado, con el refrigerante fluyendo desde la entrada, a través de las cavidades y hacia la salida, para refrigerar eficazmente la batería.
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