I veicoli elettrici (EV) sono diventati una direzione fondamentale nella trasformazione dell'industria automobilistica. Poiché i veicoli elettrici si affidano alle batterie per la propulsione, il vano batteria svolge un ruolo cruciale nel garantire il normale e sicuro funzionamento del sistema di batterie. Attualmente, esistono tre tipi comuni di vani batteria: vani batteria in acciaio, vani batteria in alluminio pressofuso e vani batteria in alluminio estruso. Tra questi, i vani batteria in alluminio estruso sono i più apprezzati.
Rispetto ai vassoi in acciaio, la scelta dell'alluminio offre numerosi vantaggi, come una minore densità e un peso inferiore a parità di volume, il che contribuisce al risparmio energetico. L'alluminio possiede inoltre un'eccellente resistenza alla corrosione e agli agenti atmosferici, che gli consente di resistere ad ambienti esterni difficili. Inoltre, la sua elevata lavorabilità e plasticità riducono efficacemente i costi di produzione. Rispetto ai vassoi in alluminio pressofuso, quelli in alluminio estruso sono più flessibili e più facili da modificare o rifinire. La varietà di dimensioni e l'ampia gamma di applicazioni dei vassoi in alluminio estruso non hanno eguali rispetto alle alternative pressofuse. Di conseguenza, i vassoi per batterie in alluminio estruso sono ampiamente utilizzati in diversi settori.
Panoramica dei vassoi per batterie automobilistiche
Il pacco batterie è la principale fonte di energia di un veicolo elettrico, in quanto fornisce la potenza necessaria alla trazione dell'intero veicolo. Il vano batterie, in quanto supporto per i moduli batteria, è fondamentale per la sicurezza e la protezione di questi ultimi. Un vano batterie per veicoli elettrici è costituito principalmente da un vassoio inferiore e un coperchio superiore. Il vassoio inferiore presenta in genere una struttura saldata a frizione (FSW) realizzata con profili in lega di alluminio. I suoi componenti strutturali principali includono la piastra di base, il telaio e le staffe di montaggio, con la saldatura come metodo di connessione principale. Il vassoio deve non solo presentare un'eccellente resistenza alle vibrazioni, agli urti meccanici e alla compressione per proteggere la batteria da danni durante collisioni o compressioni esterne, ma anche soddisfare un grado di protezione IP di almeno IP67 (secondo la norma GB/T 4208-2017), oltre ai requisiti di resistenza alla corrosione in nebbia salina e agli shock termici ad alta e bassa temperatura.
Materiale per vassoi per batterie automobilistiche
Lo sviluppo di veicoli elettrici (EV) rappresenta una soluzione efficace per affrontare i problemi di inquinamento ambientale ed energetico. In un veicolo elettrico puro, il pacco batterie costituisce circa il 30% del peso a vuoto del veicolo, mentre il vano inferiore delle batterie rappresenta dal 20% al 30% circa del peso del pacco. Pertanto, una progettazione e una produzione strutturale del vano inferiore leggere ed economiche possono ridurre significativamente i costi dei veicoli elettrici e aumentarne l'autonomia.
Le leghe di alluminio della serie 6XXX sono ideali per i vassoi portabatterie in alluminio perché non sono soggette a tensocorrosione e offrono un'eccellente saldabilità. Grazie a una progettazione strutturale razionale dei profili, è possibile ridurre il consumo di materiale garantendo al contempo rigidità e resistenza strutturale. In combinazione con la simulazione di ingegneria assistita da computer (CAE), è possibile ottimizzare la struttura della cavità e lo spessore delle pareti. Ciò consente di verificare le prestazioni di sicurezza, tra cui la durabilità alle vibrazioni, la resistenza agli urti e la resistenza alla compressione laterale, permettendo una maggiore riduzione del peso senza compromettere la sicurezza.
Struttura dei vassoi per batterie in alluminio
I supporti per batterie in alluminio sono realizzati con profili di alluminio estruso, che vengono uniti tramite saldatura per formare una struttura a telaio completa e integrata. Lamiera In alcune aree vengono utilizzate come piastre di tenuta per le cavità del profilo. Gli elementi di fissaggio includono dadi a rivetto esagonali, prigionieri a pressione e inserti filettati in filo metallico M12×1D o M8×1.25D.
I componenti principali di un supporto per batterie in alluminio includono la piastra di base, le traverse laterali sinistra/destra, le traverse laterali anteriore/posteriore e le traverse di montaggio dei moduli. Le quattro traverse laterali utilizzano tre diverse sezioni trasversali a profilo a L, più adatte alla saldatura con la piastra di base. Due traverse di montaggio dei moduli sono posizionate sopra le saldature tra la piastra di base e le traverse laterali anteriore/posteriore, fungendo da superfici di supporto e punti di connessione per i moduli batteria. Diversi dadi a rivetto esagonali sono installati lungo la flangia superiore del supporto per collegare il coperchio superiore e formare uno spazio sigillato. Una base di montaggio per estintore, composta da una staffa e prigionieri a pressione, è saldata sul lato interno della traversa laterale anteriore. Sei inserti filettati M12×1D sono distribuiti uniformemente sul fondo esterno del supporto per fissarlo al veicolo. Inoltre, sei inserti filettati M8×1.25D sono installati su ciascuna delle due traverse di montaggio dei moduli per collegare tre moduli batteria affiancati.
Processo e produzione dei vassoi per batterie
I supporti per batterie in alluminio sono generalmente realizzati mediante saldatura di estrusi di alluminio lavorati. La struttura comprende una piastra di base e un telaio. La piastra di base è solitamente formata unendo da 2 a 4 estrusi di alluminio tramite saldatura a frizione (FSW). Il telaio è tipicamente composto da 4 a 6 travi profilate in alluminio saldate insieme con metodi quali MIG (Metal Inert Gas), TIG (Tungsten Inert Gas) o CMT (Cold Metal Transfer). La piastra di base e il telaio vengono quindi uniti mediante FSW, MIG, TIG o CMT per formare il supporto per batterie. La progettazione della sezione trasversale degli estrusi deve tenere conto dei risultati delle simulazioni CAE, della fattibilità dell'estrusione e dei metodi di connessione scelti.
Per ridurre al minimo le deformazioni dovute alla saldatura, si utilizza preventivamente la tecnologia di simulazione per prevedere i risultati e ottimizzare le sequenze e i parametri di saldatura. Vengono progettate maschere e attrezzature di saldatura specializzate per garantire la precisione dimensionale e l'accuratezza dell'assemblaggio, riducendo i costi di produzione, accorciando i cicli e migliorando l'efficienza.
La qualità del vassoio è garantita da una serie di test rigorosi: controllo della qualità delle saldature, precisione dimensionale tramite macchine di misura a coordinate (CMM), tenuta stagna tramite apparecchiature di prova, resistenza alla corrosione tramite camere climatiche e rigidità/resistenza tramite banchi prova per vibrazioni, urti e compressione. Solo superando questi test è possibile garantire le prestazioni e la qualità del vassoio.
Processi per vassoi per batterie automobilistiche
Le estrusioni di alluminio grezzo vengono tagliate per raggiungere la lunghezza approssimativa dei singoli pezzi oppure tagliate direttamente nella forma desiderata. Dopo la lavorazione meccanica e la rettifica, i singoli pezzi vengono completati. Il processo complessivo per la realizzazione di un vassoio per batterie in alluminio comprende taglio, taglio laser, lavorazione meccanica, rettifica, assemblaggio/montaggio, saldatura, test di tenuta all'aria, rivettatura a pressione, rivettatura cieca e incollaggio.
Lavorazione di singoli pezzi
Tutte le singole parti devono essere sottoposte Lavorazione CNC per rispettare le tolleranze dimensionali. La lamiera viene lavorata tramite taglio laser, che offre un'elevata efficienza e soddisfa i requisiti per l'assemblaggio non di precisione. I profili vengono lavorati tramite segatura CNC, un metodo efficiente, economico e sufficientemente preciso per la maggior parte delle applicazioni. Per elementi complessi o aree ad alta precisione, vengono utilizzati centri di lavoro CNC a 3 assi. La qualità dei singoli componenti influisce direttamente sulla precisione di assemblaggio, sulla tolleranza dimensionale, sulla planarità e sulla finitura superficiale del vassoio batteria finale.
montaggio
La precisione di assemblaggio tra le parti influisce significativamente sulla successiva qualità della saldatura ed è un fattore chiave per soddisfare i requisiti di tenuta del vassoio batteria in alluminio. In particolare, l'accoppiamento tra le porte dell'acqua della piastra inferiore e i blocchi di tenuta è decisivo per la saldatura dei canali di raffreddamento. La tenuta all'aria del vassoio dipende dall'assemblaggio e dalla saldatura delle travi anteriori, posteriori e laterali. Spazi eccessivi tra le parti possono rendere impossibile la saldatura, mentre un serraggio inadeguato delle sezioni più deboli può causare gravi deformazioni termiche, con conseguenti ripercussioni dimensionali. Durante l'assemblaggio, le parti vengono disposte in piano su una piattaforma multifunzionale, fissate con appositi dispositivi, ispezionate per verificarne le dimensioni iniziali e puntate mediante saldatura a punti in preparazione alla saldatura finale.
Saldatura
Una volta verificate le dimensioni dell'assemblaggio, si procede alla saldatura a punti nei punti di maggiore sollecitazione per fissare i componenti e ridurre al minimo le deformazioni durante il processo di saldatura finale. Questa fase finale rappresenta il passaggio di "chiusura" che garantisce l'integrità della tenuta del vassoio batteria in alluminio. Qualsiasi difetto di saldatura, in qualsiasi punto, può causare un esito negativo durante il test di tenuta all'aria.
Test di tenuta all'aria
Il test di tenuta all'aria è suddiviso in due parti: test dei canali d'acqua e test del corpo del vassoio. Durante il test dei canali d'acqua, si utilizzano raccordi a innesto rapido per pressurizzare i canali a circa 400 kPa. Il vassoio viene completamente immerso in una vasca d'acqua per 3 minuti. La presenza di bolle continue indica un fallimento, mentre l'assenza di bolle indica un esito positivo. Durante il test del corpo del vassoio, si utilizza un rilevatore di perdite per pressurizzare l'interno a 3,500 ± 500 Pa. Dopo il periodo di stabilizzazione, viene condotto un test di 60 secondi; una caduta di pressione non superiore a 38 Pa è considerata un esito positivo.
Lavorazione integrale
Le caratteristiche che richiedono elevate tolleranze geometriche, come la planarità della superficie di montaggio del modulo di 0.3 mm, la posizione del foro esagonale superiore di 0.5 mm e la planarità della base di 0.5 mm, non possono essere garantite se tali caratteristiche vengono lavorate su singoli pezzi prima della saldatura, a causa di errori cumulativi, deviazioni di assemblaggio e deformazioni dovute alla saldatura. Pertanto, per soddisfare questi requisiti di precisione, si ricorre alla lavorazione integrale dopo la saldatura.
rivettatura
La rivettatura comprende la rivettatura cieca e la rivettatura a pressione. Nella rivettatura cieca, una rivettatrice installa dadi esagonali a rivetto sulla flangia superiore del vassoio batteria in alluminio per il successivo collegamento tramite bulloni con il coperchio superiore durante l'assemblaggio finale. Nella rivettatura a pressione, una pressa sfrutta la plasticità del profilo in alluminio per unire prigionieri in acciaio a pressione con staffe in alluminio, adatte al fissaggio di piccoli componenti al corpo principale del vassoio.
Ispezione dimensionale
L'ispezione viene effettuata tramite misurazione manuale e CMM. Le dimensioni lineari vengono controllate dagli ispettori di qualità utilizzando calibri e metri a nastro, mentre le tolleranze geometriche come posizione e planarità vengono verificate tramite CMM.
Guarnizione della porta d'acqua della piastra inferiore
Essendo il percorso di circolazione del liquido di raffreddamento, la qualità e la tenuta della piastra inferiore sono fondamentali per la lavorazione del vassoio batteria in alluminio. La piastra inferiore è formata assemblando e saldando blocchi di tenuta alla base del profilo. Le molteplici cavità all'interno dei profili estrusi fungono da canali di raffreddamento. Un'estremità del profilo collega l'ingresso e l'uscita non comunicanti, mentre l'altra estremità sigilla le porte per consentire la comunicazione tra le cavità. Questo crea un circuito, che scorre dall'ingresso, attraverso le cavità, fino all'uscita, raffreddando efficacemente la batteria.
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