Batería y caja de la batería
El pack de baterías es una unidad completa ensamblada a partir de múltiples módulos de baterías, diseñada para el almacenamiento y suministro de energía eléctrica. Es un componente de nivel superior del sistema de baterías, compuesto normalmente por varios módulos de baterías, conectores, sistema de gestión de baterías, sistema de refrigeración, interfaces eléctricas y carcasa.
La caja de la batería es el principal componente estructural del pack de baterías. Sólo cuando la envolvente es estable en condiciones estáticas y dinámicas (como rigidez, propiedades modales, etc.) puede garantizar que la batería funcione en condiciones normales, permitiendo que el sistema de alimentación funcione sin problemas. La función principal de la caja del pack de baterías es soportar los componentes del sistema de baterías de potencia, como los módulos de baterías, los módulos eléctricos, los módulos de refrigeración, etc. Además, sirve para proteger la batería y el sistema eléctrico de daños en caso de colisiones externas o compresión.
Por qué es necesario aligerar la batería
El aligeramiento es una tecnología eficaz para ahorrar energía y reducir las emisiones. Las políticas mundiales de la industria automovilística en materia de eficiencia energética y emisiones son cada vez más estrictas, con constantes avances en las normas de consumo de combustible y emisiones. La tecnología de aligeramiento, como vía crucial para mejorar la eficiencia energética y reducir las emisiones en los automóviles, consigue reducir el peso al tiempo que cumple los requisitos de seguridad y control de costes. Al mismo tiempo, la reducción del peso del vehículo puede disminuir la carga del sistema de propulsión, mejorar el rendimiento energético del vehículo, disminuir la distancia de frenado y mejorar la estabilidad de la conducción.
El aligeramiento es beneficioso para el control de costes en los vehículos de nueva energía, sobre todo en los eléctricos puros, en los que el paquete de baterías contribuye significativamente al peso total, lo que se traduce en un peso mayor en comparación con los vehículos equivalentes de combustible convencional. Tomando como ejemplo el Tesla Model 3, con una autonomía de 556 km, el peso en vacío del vehículo es de 1.761 kg, y el paquete de baterías de 60 kWh pesa 480 kg. Suponiendo un coste de 800 yuanes por kWh para el paquete de baterías, el coste de la batería sería de 48.000 yuanes. El aligeramiento reduce el consumo de energía, lo que permite una menor necesidad de energía para la misma autonomía y, en consecuencia, una reducción del peso y el coste del paquete de baterías.
¿Cómo aligerar la caja de la batería?
Utilización de materiales compuestos para aligerar la carcasa de la batería
Los materiales compuestos se crean mezclando dos o más materiales con propiedades diferentes mediante métodos físicos o químicos, formando un material con nuevas características a escala macroscópica. Los distintos materiales se complementan entre sí en términos de rendimiento, creando un efecto sinérgico que mejora las propiedades generales del material compuesto más allá de las de sus componentes individuales, satisfaciendo una variedad de requisitos diferentes.
Con el desarrollo de la eficiencia energética, el respeto al medio ambiente y el aligeramiento en la industria del automóvil, han surgido diversos materiales ligeros para las carcasas de las baterías, como los materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio, los materiales compuestos reforzados con fibra de carbono y los materiales termoplásticos reforzados con fibra larga de PC.
Material compuesto SMC
El compuesto de moldeo en lámina (SMC) es un material plástico moldeado en forma de lámina que utiliza resina de poliéster insaturada como aglutinante, incorporando fibras de vidrio, cargas, pigmentos y otros aditivos. Se fabrica impregnando hilo de fibra de vidrio y cubriendo ambas caras con una fina película, formando un material compuesto de fibra de vidrio y poliéster insaturado. Los materiales SMC ofrecen las siguientes ventajas en comparación con los materiales metálicos tradicionales:
1. Alta resistencia específica, alto módulo específico.
2. Baja conductividad térmica, pequeño coeficiente de dilatación, estabilidad dimensional.
3.Resistencia a la corrosión química, nunca se oxida.
4.Buena absorción de impactos, resistencia a los golpes y baja resonancia.
5.Rendimiento de aislamiento superior al de los materiales metálicos.
6.El rendimiento ignífugo puede alcanzar el nivel V0.
7.Alta flexibilidad de diseño (puede moldearse como un todo mediante la optimización estructural, reduciendo el ensamblaje secundario).
Material compuesto reforzado con fibra de carbono
El material compuesto de fibra de carbono se ha convertido en una alternativa ideal a los materiales metálicos tradicionales para las carcasas de las baterías. En comparación con los materiales metálicos, la fibra de carbono tiene una densidad de aproximadamente 1,7 g/cm³. Presume de una resistencia a la tracción de 3000MPa, un módulo elástico de 230GPa, lo que la hace ligera, de alta resistencia, resistente a altas temperaturas, fricción, fuerzas sísmicas, y con un bajo coeficiente de expansión térmica.
PC+LFT-D Material termoplástico reforzado con fibra larga
Las excelentes prestaciones ignífugas, la estabilidad dimensional y las propiedades mecánicas del material PC, combinadas con el alto índice de retención de fibras largas en el proceso LFT-D, satisfacen perfectamente los requisitos de aplicación de las carcasas de baterías. El material presenta un buen comportamiento ignífugo, gran rigidez, alta tenacidad y menor probabilidad de agrietamiento de las piezas, lo que permite una conexión más estrecha entre las carcasas superior e inferior y mejora la estanqueidad del pack de baterías durante largos periodos de uso.
Utilización de material de aluminio para aligerar la carcasa de la batería
El laminado de láminas de aluminio, la extrusión de perfiles de aluminio y la fundición de aluminio, tres tipos diferentes de materiales de aluminio, se han aplicado ampliamente en varios proyectos de baterías, convirtiéndose en el enfoque tecnológico dominante para las carcasas de los sistemas de baterías de energía. El aluminio fundido a presión se utiliza mucho en las carcasas de baterías pequeñas, como las de los vehículos híbridos, mientras que las carcasas de baterías grandes siguen principalmente la tendencia de utilizar estructuras soldadas con perfiles de aluminio y chapas de aluminio.
1.Excelentes efectos de aligeramiento
La densidad del acero es de 7,8, mientras que la del aluminio es de 2,7. En los automóviles tradicionales, la carrocería representa entre 30 y 40% del peso total del vehículo. La sustitución del acero ordinario por acero de alta resistencia puede reducir el peso en aproximadamente 11%, mientras que el uso de aleación de aluminio puede dar lugar a una reducción de peso de aproximadamente 40%. La aleación de aluminio puede aplicarse en un vehículo de más de 500 kg, lo que supone una reducción de peso total de unas 40%.
2.Aumentar la fuerza corporal para mejorar la seguridad
En términos de resistencia absoluta, la aleación de aluminio es ligeramente inferior al acero, pero su menor densidad le confiere una mayor ventaja. Para materiales con la misma resistencia, la relación de grosor entre el acero y la aleación de aluminio es de 1:1,4, mientras que la relación de peso es de sólo 1:0,5. Esto significa que la aleación de aluminio puede conseguir la misma resistencia con sólo la mitad de peso. Esto significa que la aleación de aluminio puede alcanzar la misma resistencia con sólo la mitad del peso.
3.Mejorar la maniobrabilidad
El aligeramiento reduce la inercia del vehículo, aumenta la relación potencia-peso y mejora significativamente las prestaciones a igualdad de potencia. Al mejorar la rigidez y la resistencia a la torsión de la carrocería, es como reforzarla con varillas reforzadas, lo que permite un espacio más amplio para el ajuste de la suspensión y mejora los límites del vehículo. Además, los modelos con carrocería totalmente de aluminio suelen sufrir algunas optimizaciones en el chasis y la suspensión.
4.Excepcional resistencia a la corrosión
El aluminio en sí no es estable y es propenso a la oxidación. Sin embargo, la oxidación del aluminio da lugar a la formación de una densa capa de óxido en la superficie, que se une firmemente al sustrato. Esta gran estabilidad permite crear una capa protectora hermética sobre la base de aluminio. Además, en condiciones atmosféricas húmedas, esta capa protectora puede espesarse.
5.Mejora de la ductilidad
La aleación de aluminio puede dar forma a carrocerías con curvas de gran belleza, como se aprecia en las carrocerías de aluminio de los Jaguar C-Type, D-Type y el emblemático "Coche más bonito", el E-Type. Incluso hoy en día, estos diseños siguen siendo estéticamente agradables. Las curvas fluidas y convexas de este estilo, difíciles de conseguir con acero en aquella época, siguen cautivando por su elegancia.
Con el rápido desarrollo de mercados emergentes como los vehículos de nuevas energías, el almacenamiento de energía, los centros de datos y la informática de potencia, lograr un equilibrio entre seguridad energética, funcionamiento estable y rentabilidad se ha convertido en una cuestión de supervivencia acuciante para los fabricantes de baterías.
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