Les véhicules électriques (VE) sont devenus un axe majeur de la transformation de l'industrie automobile. Puisqu'ils fonctionnent grâce à des batteries, le plateau de batterie joue un rôle crucial pour garantir le bon fonctionnement et la sécurité du système. On distingue actuellement trois types courants de plateaux de batterie : en acier, en aluminium moulé sous pression et en aluminium extrudé. Parmi ceux-ci, les plateaux en aluminium extrudé sont les plus appréciés.
Comparativement aux plateaux en acier, l'aluminium offre de nombreux avantages, tels qu'une densité et un poids inférieurs à volume égal, contribuant ainsi aux économies d'énergie. L'aluminium possède également une excellente résistance à la corrosion et aux intempéries, lui permettant de supporter des environnements extérieurs difficiles. De plus, son usinabilité et sa plasticité supérieures réduisent efficacement les coûts de production. Comparés aux plateaux en aluminium moulé sous pression, les plateaux en aluminium extrudé sont plus flexibles et plus faciles à modifier ou à perfectionner. La diversité des dimensions et le large éventail d'applications des plateaux en aluminium extrudé sont également inégalés par les alternatives moulées sous pression. Par conséquent, les plateaux de batteries en aluminium extrudé sont largement utilisés dans divers secteurs.
Aperçu des plateaux de batterie automobile
Le bloc-batterie est la principale source d'énergie d'un véhicule électrique, assurant la propulsion de l'ensemble du véhicule. Supportant les modules de batterie, le plateau de batterie est essentiel à leur sécurité et à leur protection. Un plateau de batterie de véhicule électrique se compose principalement d'un plateau inférieur et d'un couvercle supérieur. Le plateau inférieur est généralement constitué de profilés en alliage d'aluminium soudés par friction-malaxage (FSW). Ses principaux composants structurels comprennent la plaque de fond, le cadre et les supports de fixation, la soudure étant le principal mode d'assemblage. Le plateau doit non seulement présenter une excellente résistance aux vibrations, aux chocs mécaniques et à la compression afin de protéger la batterie des dommages lors de collisions ou de compressions externes, mais aussi répondre à un indice de protection minimal IP67 (selon la norme GB/T 4208-2017), ainsi qu'aux exigences des tests de corrosion par brouillard salin et de chocs thermiques (hautes et basses températures).
Matériau pour plateaux de batteries automobiles
Le développement des véhicules électriques (VE) constitue une solution efficace pour lutter contre la pollution environnementale et les problèmes énergétiques. Dans un VE, la batterie représente environ 30 % du poids à vide du véhicule, tandis que le support inférieur de la batterie représente environ 20 à 30 % de ce poids. Par conséquent, la conception et la fabrication d'un support inférieur léger et économique permettent de réduire efficacement le coût des VE et d'accroître leur autonomie.
Les alliages d'aluminium de la série 6XXX sont idéaux pour les plateaux de batteries en aluminium car ils résistent à la fissuration par corrosion sous contrainte et offrent une excellente soudabilité. Grâce à une conception structurelle rationnelle des profilés, la quantité de matériau utilisée est réduite tout en garantissant la rigidité et la résistance de la structure. La simulation par ingénierie assistée par ordinateur (IAO) permet d'optimiser la structure des cavités et l'épaisseur des parois. Ceci permet de vérifier les performances de sécurité – notamment la durabilité sous vibrations, la résistance aux chocs et la résistance à la compression latérale – et ainsi d'alléger la structure sans compromettre la sécurité.
Structure des plateaux de batterie en aluminium
Les plateaux de batterie en aluminium sont fabriqués à partir de profilés en aluminium extrudé, assemblés par soudage pour former une structure de cadre intégrée complète. Tôle Dans certains cas, ces plaques servent à l'étanchéité des cavités des profilés. La fixation comprend des écrous à sertir hexagonaux, des goujons à pression et des inserts filetés M12×1D ou M8×1.25D.
Les principaux composants d'un plateau de batterie en aluminium comprennent la plaque de fond, les traverses latérales gauche/droite, les traverses latérales avant/arrière et les supports de modules. Les quatre traverses latérales utilisent trois profils en L différents, facilitant la soudure avec la plaque de fond. Deux supports de modules sont positionnés au-dessus des cordons de soudure entre la plaque de fond et les traverses latérales avant/arrière, servant de surfaces d'appui et de points de connexion pour les modules de batterie. Plusieurs écrous à sertir hexagonaux sont installés le long de la bride supérieure du plateau pour fixer le couvercle supérieur et assurer l'étanchéité. Un support pour extincteur, composé d'un support et de goujons à pression, est soudé à l'intérieur de la traverse latérale avant. Six inserts filetés M12×1D sont répartis uniformément sur la face inférieure extérieure du plateau pour le fixer au véhicule. De plus, six inserts filetés M8×1.25D sont installés sur chacune des deux traverses de modules pour connecter trois modules de batterie côte à côte.
Processus et production des plateaux de batterie
Les plateaux de batterie en aluminium sont généralement fabriqués par soudage de profilés d'aluminium usinés. Leur structure comprend une plaque de fond et un cadre. La plaque de fond est généralement formée par l'assemblage de 2 à 4 profilés d'aluminium par soudage par friction-malaxage (FSW). Le cadre est typiquement composé de 4 à 6 poutres en profilé d'aluminium soudées entre elles par des procédés tels que le soudage MIG (Metal Inert Gas), TIG (Tungsten Inert Gas) ou CMT (Cold Metal Transfer). La plaque de fond et le cadre sont ensuite assemblés par FSW, MIG, TIG ou CMT pour former le plateau de batterie. La conception de la section transversale des profilés doit tenir compte des résultats de simulation par éléments finis (CAE), de la faisabilité de l'extrusion et des méthodes d'assemblage choisies.
Pour minimiser les déformations dues au soudage, une technologie de simulation est utilisée en amont afin de prédire les résultats et d'optimiser les séquences et les paramètres de soudage. Des gabarits et des dispositifs de soudage spécialisés sont conçus pour garantir la précision dimensionnelle et l'exactitude de l'assemblage, ce qui permet de réduire les coûts de production, de raccourcir les cycles et d'améliorer l'efficacité.
La qualité du plateau est assurée par une série de tests rigoureux : contrôle de la qualité des soudures, précision dimensionnelle par machines à mesurer tridimensionnelles (MMT), étanchéité par des tests d’étanchéité à l’air, résistance à la corrosion par des essais en chambres climatiques et rigidité/résistance par des essais de vibration, de choc et de compression. Seuls ces tests permettent de garantir la performance et la qualité du plateau.
Procédés de fabrication des plateaux de batteries automobiles
Les profilés d'aluminium brut sont sciés pour obtenir la longueur approximative des pièces individuelles ou sont directement sciés pour leur donner la forme voulue. Après usinage et rectification, les pièces sont finies. Le processus complet de fabrication d'un plateau de batterie en aluminium comprend le sciage, la découpe laser, l'usinage, la rectification, l'assemblage, le soudage, le test d'étanchéité, le rivetage à la presse, le rivetage aveugle et le collage.
Usinage de pièces individuelles
Chaque partie individuelle doit subir Usinage CNC Pour respecter les tolérances dimensionnelles, la tôle est usinée par découpe laser, un procédé très efficace qui répond aux exigences d'un assemblage non précis. Les profilés sont usinés par sciage CNC, une méthode efficace, économique et suffisamment précise pour la plupart des applications. Pour les formes complexes ou les zones de haute précision, on utilise des centres d'usinage CNC 3 axes. La qualité de chaque pièce influe directement sur la précision d'assemblage, les tolérances dimensionnelles, la planéité et l'état de surface du plateau de batterie final.
Montage
La précision d'assemblage des pièces influe considérablement sur la qualité du soudage ultérieur et constitue un facteur clé pour garantir l'étanchéité du plateau de batterie en aluminium. Plus précisément, l'ajustement entre les orifices d'eau de la plaque inférieure et les blocs d'étanchéité est déterminant pour le soudage des canaux de refroidissement. L'étanchéité du plateau dépend de l'assemblage et du soudage des longerons avant, arrière et latéraux. Des jeux excessifs entre les pièces peuvent rendre le soudage impossible, tandis qu'un serrage insuffisant des zones fragiles peut entraîner d'importantes déformations thermiques, affectant les dimensions. Lors de l'assemblage, les pièces sont disposées à plat sur une plateforme multifonctionnelle, fixées à l'aide de gabarits, leurs dimensions initiales sont contrôlées et elles sont pointées avant le soudage final.
Soudage
Une fois les dimensions d'assemblage vérifiées, un pointage est effectué aux points de contrainte clés afin de fixer les pièces et de minimiser les déformations lors du soudage final. Cette dernière étape, dite de « fermeture », garantit l'étanchéité du plateau de batterie en aluminium. Tout défaut de soudure, quel que soit son emplacement, peut entraîner un échec lors du test d'étanchéité.
Test d'étanchéité à l'air
Le test d'étanchéité à l'air se divise en deux parties : le test des canaux d'eau et le test du corps du plateau. Lors du test des canaux d'eau, des raccords rapides permettent de pressuriser les canaux à environ 400 kPa. Le plateau est entièrement immergé dans un réservoir d'eau pendant 3 minutes. La présence de bulles continues indique un défaut, tandis que l'absence de bulles indique une réussite. Lors du test du corps du plateau, un détecteur de fuites est utilisé pour pressuriser l'intérieur à 3 500 ± 500 Pa. Après la période de stabilisation, un test de 60 secondes est effectué ; une chute de pression inférieure ou égale à 38 Pa est considérée comme une réussite.
Usinage intégral
Les caractéristiques exigeant une grande précision géométrique, telles que la planéité de la surface de montage du module (0.3 mm), la position du trou hexagonal supérieur (0.5 mm) et la planéité inférieure (0.5 mm), ne peuvent être garanties par un usinage individuel des pièces avant soudage, en raison des erreurs cumulatives, des écarts d'assemblage et des déformations dues au soudage. C'est pourquoi un usinage d'une seule pièce après soudage est utilisé pour répondre à ces exigences de précision.
Rivetage
Le rivetage comprend le rivetage aveugle et le rivetage par pression. Le rivetage aveugle consiste à installer des écrous à sertir hexagonaux sur la bride supérieure du plateau de batterie en aluminium, en vue d'un assemblage boulonné ultérieur avec le couvercle supérieur lors de la finition. Le rivetage par pression, quant à lui, utilise la plasticité du profilé en aluminium pour assembler des goujons en acier à force avec des supports en aluminium, permettant ainsi la fixation de petits composants sur le corps principal du plateau.
Contrôle dimensionnel
Le contrôle est effectué par mesure manuelle et par machine à mesurer tridimensionnelle (MMT). Les dimensions linéaires sont vérifiées par les contrôleurs qualité à l'aide de pieds à coulisse et de rubans, tandis que les tolérances géométriques telles que la position et la planéité sont vérifiées par MMT.
Joint d'étanchéité de l'orifice d'eau de la plaque inférieure
Le circuit de refroidissement étant assuré par la plaque inférieure, sa qualité et son étanchéité sont essentielles à la fabrication du plateau de batterie en aluminium. Cette plaque est formée par l'assemblage et le soudage de blocs d'étanchéité sur la base profilée. Les multiples cavités des profilés extrudés servent de canaux de refroidissement. Une extrémité du profilé relie l'entrée et la sortie, initialement séparées, tandis que l'autre extrémité assure l'étanchéité des orifices pour permettre la communication entre les cavités. Ce circuit crée une boucle : le liquide circule de l'entrée à la sortie, traverse les cavités et refroidit efficacement la batterie.
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