Поскольку технология CTP (Cell to Pack) полностью подрывает традиционную структуру аккумуляторной батареи, «роль» поддона батареи сместилась с пассивной нагрузки на активную интеграцию. Технология сварки стала основой безопасности и производительности. Требования к легкому весу (толщина стенки всего 1,5 мм), герметизации без пор и интеграции нескольких материалов (алюминий/медь/углеродное волокно) привели к тому, что традиционная сварка оказалась в дилемме деформации и дефектов. Отрасль совершает прорывы за счет инноваций в материалах, интеллектуального контроля качества и итерации процесса. В этой статье будут проанализированы разрушительные проблемы, которые CTP создает для сварки, и исследован технический путь к высокой точности и высокой надежности.

1-Анализ изменений в требованиях к структурному проектированию аккумуляторных лотков из-за технологии CTP

Технология CTP (Cell to Pack) напрямую интегрирует аккумуляторные элементы в аккумуляторный блок, устраняя модульную структуру в традиционном аккумуляторном блоке. Это технологическое новшество выдвигает всесторонние и многомерные требования к модернизации структурного проектирования аккумуляторного лотка. Ниже приведен конкретный анализ с точки зрения материалов, производительности, процесса, интеграции и т. д.:

(1) Всестороннее улучшение структурной прочности и ударопрочности

a. Требования к механическим подшипникам после устранения модуля:

После того, как технология CTP устраняет модульную структуру, аккумуляторный лоток должен напрямую нести функции поддержки, фиксации и амортизации внешних сил аккумуляторного элемента. Традиционный модуль рассеивает механическую нагрузку, в то время как лоток CTP должен поглощать деформацию расширения аккумуляторного элемента во время зарядки и разрядки в целом (например, сила расширения квадратного аккумуляторного элемента может достигать 10-20 кН), при этом выдерживая вибрацию, экструзию и ударную нагрузку во время движения транспортного средства.

b. Направление оптимизации материалов и конструкции

· Доминирование высокопрочного алюминиевого сплава: Ранняя сталь постепенно заменялась из-за ее большого веса, и 6061-T6 стал основным. Он обладает высокой удельной прочностью и сильной коррозионной стойкостью, что может соответствовать двойным требованиям легкости и высокой жесткости.

· Конструкция композитной структуры: Например, структура «двойной рамы кольцевой балки» Leapmotor повышает локальную ударопрочность за счет продольных и поперечных отсеков балки, при этом технология экструзии позволяет оптимизировать распределение материала и снизить избыточный вес.

· Исследование магниево-алюминиевого сплава и углеродного волокна: магниево-алюминиевый сплав на 30% легче традиционных алюминиевых материалов, а композитные материалы из углеродного волокна обладают как высокой прочностью, так и легким весом, но в настоящее время используются только в моделях высокого класса из-за стоимости и зрелости процесса.

(2) Требования к интегрированной герметичности и терморегулированию

а. Улучшение характеристик уплотнения

После извлечения модуля внутренняя циркуляция охлаждающей жидкости и газовая герметизация аккумуляторной батареи полностью зависят от поддона, а дефекты сварки (такие как поры и трещины) могут привести к риску утечки.

Рисунок 1. Испытание герметичности аккумуляторного лотка

б. Интеграция функций управления температурой

Лотки CTP должны включать в себя такие компоненты, как пластины жидкостного охлаждения и теплопроводящие клеи. Например, структурные клеи используются для фиксации аккумуляторных элементов и передачи напряжения расширения, а полиуретановые теплопроводящие клеи (теплопроводность > 1,5 Вт/м·К) используются для теплопередачи между аккумуляторными элементами и с трубками жидкостного охлаждения. Количество клея, используемого в одном PACK, более чем на 50% выше, чем в традиционных конструкциях. Каналы потока должны быть спроектированы внутри лотка, чтобы оптимизировать эффективность охлаждения, избегая при этом повреждения герметизации, вызванного зоной термического воздействия сварки.

(3) Облегчение веса и инновации в материалах

a. Тенденции выбора материалов

Процесс экструзии и литья под давлением алюминиевых сплавов: экструдированные алюминиевые профили используются для каркасных конструкций (например, аккумуляторный лоток Tesla 4680), а процессы литья под давлением (например, интегрированное литье под давлением) упрощают процесс сварки и снижают вес на 15%-20%.

Применение пластиковых композитных материалов: например, армированные стекловолокном материалы PA6 используются в ненесущих деталях для дальнейшего снижения веса, но необходимо решить проблему совместимости с интерфейсом металлического соединения.

б. Стратегия облегченной конструкции

Оптимизация топологии: сокращение избыточных материалов с помощью моделирования CAE и снижение веса лотка при обеспечении прочности.

Тонкостенные и интегрированные: толщина стенки лотка уменьшена с 3 мм до 1,5-2 мм, а функциональные компоненты, такие как кронштейны BMS и каналы жгутов проводов, интегрированы для уменьшения количества деталей.

(4) Интеграция и модульная конструкция

а. Высокая интеграция функциональных компонентов

Лотки CTP должны интегрировать модули, такие как система управления батареями (BMS), высоковольтные разъемы и огнестойкие изоляционные слои.

б. Модульная и совместимая конструкция

Линия сварки должна поддерживать смешанное производство нескольких моделей лотков, иметь возможность «изменения типа одним щелчком» и быть совместимой со структурами лотков разных размеров аккумуляторных элементов (например, квадратных и цилиндрических).

2-Особые проблемы инноваций технологии CTP в процессе сварки

Технология CTP (Cell to Pack) значительно улучшила использование пространства и плотность энергии, но также создала беспрецедентные проблемы для процесса сварки.

(1) Резко возросла сложность контроля дефектов сварки

a. Проблемы пористости и герметизации

После того, как технология CTP устраняет модуль, лоток для батареи должен напрямую взять на себя функцию герметизации. Поры сварки (распространенный дефект при сварке алюминиевых сплавов) напрямую приведут к риску утечки охлаждающей жидкости или проникновения газа.

b. Трещины и совместимость материалов

Высокоцинкованные алюминиевые сплавы (например, 7 серии) подвержены трещинам из-за термического напряжения во время сварки.

c. Зазор и ошибка сборки

Прямая интеграция нескольких ячеек приводит к увеличению количества точек стыковки конструкции лотка. Накопление ошибок сборки может привести к тому, что зазор сварки превысит ±1 мм.

(2) Проблемы адаптации процесса, вызванные обновлением системы материалов

a. Проблемы сварки легких материалов

Материал лотка CTP перешел от стали к алюминиевому сплаву (6061-T6, 7075-T6), магниево-алюминиевому сплаву (снижение веса на 30%) и композитным материалам из углеродного волокна. Сварка алюминиевых сплавов должна решить проблему недостаточного проплавления, вызванную трудным плавлением оксидной пленки и высокой теплопроводностью.

b. Технология соединения разнородных материалов

Когда лоток объединяет функциональные компоненты, такие как жидкостная охлаждающая пластина (медь/алюминий) и огнестойкий слой (керамический матричный композитный материал), на границе разнородных материалов склонны появляться хрупкие интерметаллические соединения.

(3) Повышение сложности конструкции и требований к точности

a. Контроль деформации крупногабаритных тонкостенных конструкций

Толщина стенки лотка CTP уменьшается с 3 мм до 1,5-2 мм, а чувствительность сварки к термической деформации резко возрастает.

b. Высокоплотные паяные соединения и эффективность процесса

Количество паяных соединений на одном поддоне увеличилось с 2000 в традиционных модулях до более чем 5000.

Рисунок 2- Сварка поддона аккумуляторной батареи

3-Модернизация производственного процесса и контроля качества

Технология CTP способствует трансформации сварки аккумуляторных лотков из «единого процесса» в «мультитехнологическое сотрудничество, интеллект и экологичность». Производителям необходимо сосредоточиться на трех основных направлениях:

Модернизация технологий: прорыв в контроле дефектов, таких как поры и трещины, и адаптация к легким материалам;

Интеллектуальный переход: полная оцифровка процесса и контроль качества с помощью ИИ для достижения высокоточного производства;

Экологическое сотрудничество: совместное создание технических стандартов с поставщиками материалов, оборудования и OEM-производителями.

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.