Poiché la tecnologia CTP (Cell to Pack) sovverte completamente la tradizionale struttura del pacco batteria, il "ruolo" del vassoio batteria è passato da supporto passivo del carico a integrazione attiva. La tecnologia di saldatura è diventata il fulcro della sicurezza e delle prestazioni. I requisiti di leggerezza (spessore della parete di soli 1,5 mm), sigillatura a pori zero e integrazione multi-materiale (alluminio/rame/fibra di carbonio) hanno fatto sì che la saldatura tradizionale cadesse nel dilemma della deformazione e dei difetti. Il settore sta facendo progressi attraverso l'innovazione dei materiali, l'ispezione intelligente della qualità e l'iterazione dei processi. Questo articolo analizzerà le sfide dirompenti che la CTP pone alla saldatura ed esplorerà il percorso tecnico verso elevata precisione e elevata affidabilità.

1-Analisi delle modifiche nei requisiti di progettazione strutturale dei vassoi batteria dovuti alla tecnologia CTP

La tecnologia CTP (Cell to Pack) integra direttamente le celle della batteria nel pacco batteria eliminando la struttura del modulo nel pacco batteria tradizionale. Questa innovazione tecnologica propone requisiti di aggiornamento completi e multidimensionali per la progettazione strutturale del vassoio batteria. Di seguito è riportata un'analisi specifica dal punto di vista dei materiali, delle prestazioni, del processo, dell'integrazione, ecc.:

(1) Miglioramento completo della resistenza strutturale e delle prestazioni antiurto

a. Requisiti di cuscinetto meccanico dopo l'eliminazione del modulo:

Dopo che la tecnologia CTP elimina la struttura del modulo, il vassoio batteria deve supportare direttamente le funzioni di supporto, fissaggio e buffering della forza esterna della cella della batteria. Il modulo tradizionale disperde il carico meccanico, mentre il vassoio CTP deve assorbire la deformazione di espansione della cella della batteria durante la carica e la scarica nel suo complesso (ad esempio, la forza di espansione della cella della batteria quadrata può raggiungere 10-20 kN), resistendo al contempo alle vibrazioni, all'estrusione e al carico d'impatto durante la guida del veicolo.

b. Direzione di ottimizzazione strutturale e dei materiali

· Dominanza della lega di alluminio ad alta resistenza: l'acciaio iniziale è stato gradualmente sostituito a causa del suo peso elevato e il 6061-T6 è diventato il mainstream. Ha un'elevata resistenza specifica e una forte resistenza alla corrosione, che può soddisfare i doppi requisiti di leggerezza e alta rigidità.

· Progettazione della struttura composita: ad esempio, la struttura "a trave ad anello a doppio telaio" di Leapmotor migliora la resistenza all'impatto locale attraverso compartimenti trave longitudinali e trasversali, utilizzando al contempo la tecnologia di estrusione per ottimizzare la distribuzione del materiale e ridurre il peso ridondante.

· Esplorazione della lega di magnesio-alluminio e della fibra di carbonio: la lega di magnesio-alluminio è più leggera del 30% rispetto ai tradizionali materiali in alluminio e i materiali compositi in fibra di carbonio hanno caratteristiche sia di elevata resistenza che di leggerezza, ma sono attualmente utilizzati solo nei modelli di fascia alta a causa dei costi e della maturità del processo.

(2) Requisiti per la tenuta all'aria integrata e la gestione termica

a. Miglioramento delle prestazioni di tenuta

Dopo la rimozione del modulo, la circolazione interna del refrigerante e la tenuta del gas del pacco batteria dipendono completamente dal vassoio e i difetti di saldatura (come pori e crepe) possono comportare rischi di perdite.

Figura 1-Test di tenuta all'aria del vassoio della batteria

b. Integrazione delle funzioni di gestione termica

I vassoi CTP devono integrare componenti quali piastre di raffreddamento a liquido e adesivi termoconduttivi. Ad esempio, gli adesivi strutturali vengono utilizzati per fissare le celle della batteria e trasferire lo stress di espansione, mentre gli adesivi termoconduttivi in poliuretano (conduttività termica > 1,5 W/m·K) vengono utilizzati per la conduzione del calore tra le celle della batteria e con i tubi di raffreddamento a liquido. La quantità di adesivo utilizzata in un singolo PACK è superiore di oltre il 50% rispetto a quella delle strutture tradizionali. I canali di flusso devono essere progettati all'interno del vassoio per ottimizzare l'efficienza di raffreddamento evitando al contempo danni alla tenuta causati dalla zona di saldatura interessata dal calore.

(3) Alleggerimento e innovazione dei materiali

a. Tendenze nella selezione dei materiali

Processo di estrusione e pressofusione di leghe di alluminio: i profili in alluminio estruso vengono utilizzati per le strutture del telaio (come il vassoio della batteria 4680 di Tesla) e i processi di pressofusione (come la pressofusione integrata) semplificano il processo di saldatura e riducono il peso del 15%-20%.

Applicazione di materiali compositi in plastica: ad esempio, i materiali PA6 rinforzati con fibra di vetro vengono utilizzati in parti non portanti per ridurre ulteriormente il peso, ma è necessario risolvere il problema di compatibilità con l'interfaccia di collegamento in metallo.

b. Strategia di progettazione leggera

Ottimizzazione della topologia: ridurre i materiali ridondanti tramite simulazione CAE e ridurre il peso del vassoio garantendo al contempo la resistenza.

Parete sottile e integrata: lo spessore della parete del vassoio è ridotto da 3 mm a 1,5-2 mm e componenti funzionali come staffe BMS e canali di cablaggio sono integrati per ridurre il numero di parti.

(4) Integrazione e progettazione modulare

a. Elevata integrazione dei componenti funzionali

I vassoi CTP devono integrare moduli come il sistema di gestione della batteria (BMS), connettori ad alta tensione e strati di isolamento ignifughi.

b. Progettazione modulare e compatibile

La linea di produzione di saldatura deve supportare la produzione mista di più modelli di vassoi, essere in grado di ottenere un "cambio di tipo con un clic" ed essere compatibile con strutture di vassoi di diverse dimensioni di celle della batteria (come quadrate e cilindriche).

2-Sfide specifiche dell'innovazione della tecnologia CTP per il processo di saldatura

La tecnologia CTP (Cell to Pack) ha migliorato significativamente l'utilizzo dello spazio e la densità energetica, ma ha anche posto sfide senza precedenti al processo di saldatura.

(1) La difficoltà di controllare i difetti di saldatura è aumentata drasticamente

a. Porosità e sfide di sigillatura

Dopo che la tecnologia CTP elimina il modulo, il vassoio della batteria deve assumere direttamente la funzione di sigillatura. I pori di saldatura (un difetto comune nella saldatura delle leghe di alluminio) porteranno direttamente al rischio di perdite di refrigerante o penetrazione di gas.

b. Crepe e compatibilità dei materiali

Le leghe di alluminio ad alto tenore di zinco (come la serie 7) sono soggette a crepe dovute allo stress termico durante la saldatura.

c. Errore di spazio e di assemblaggio

L'integrazione diretta di più celle porta a un aumento del numero di punti di giunzione della struttura del vassoio. L'accumulo di errori di assemblaggio può causare uno spazio di saldatura superiore a ±1 mm.

(2) Problemi di adattamento del processo causati dall'aggiornamento del sistema di materiali

a. Sfide di saldatura di materiali leggeri

Il materiale del vassoio CTP è passato dall'acciaio alla lega di alluminio (6061-T6, 7075-T6), lega di magnesio-alluminio (riduzione del peso del 30%) e materiali compositi in fibra di carbonio. La saldatura della lega di alluminio deve risolvere il problema della penetrazione insufficiente causata dalla difficile fusione del film di ossido e dall'elevata conduttività termica.

b. Tecnologia di collegamento di materiali dissimili

Quando il vassoio integra componenti funzionali come la piastra di raffreddamento a liquido (rame/alluminio) e lo strato ignifugo (materiale composito a matrice ceramica), i composti intermetallici fragili tendono a comparire all'interfaccia di materiali dissimili.

(3) Complessità strutturale migliorata e requisiti di precisione

a. Controllo della deformazione di strutture a parete sottile di grandi dimensioni

Lo spessore della parete del vassoio CTP è ridotto da 3 mm a 1,5-2 mm e la sensibilità della deformazione termica della saldatura aumenta notevolmente.

b. Giunti di saldatura ad alta densità ed efficienza di processo

Il numero di giunti di saldatura su un singolo vassoio è aumentato da 2.000 nei moduli tradizionali a oltre 5.000.

Figura 2- Saldatura del vassoio della batteria

3-Aggiornamento del processo di produzione e del controllo di qualità

La tecnologia CTP promuove la trasformazione della saldatura del vassoio della batteria da "processo singolo" a "collaborazione multi-tecnologica, intelligenza e greening". I produttori devono concentrarsi su tre direzioni principali:

Aggiornamento tecnologico: superare il controllo di difetti come pori e crepe e adattarsi a materiali leggeri;

Transizione intelligente: digitalizzazione completa del processo e ispezione di qualità AI per ottenere una produzione ad alta precisione;

Collaborazione ecologica: creare congiuntamente standard tecnici con fornitori di materiali, fornitori di apparecchiature e OEM.

Condivideremo regolarmente aggiornamenti e informazioni su tecniche di progettazione termica e alleggerimento, per la vostra consultazione. Grazie per l'interesse verso Walmate.