آلومینیوم برای طراحی قاب باتری خودرو الکتریکی

آلومینیوم همچنان سریعترین ماده در حال رشد در کاربردهای خودرو است. رشد از سال 2020 به بعد توسط جایگزینی فولاد در قطعات پلت فرم و همچنین از طریق محتوای آلومینیوم به میزان قابل توجهی در وسایل نقلیه الکتریکی  و قاب باتری شد. در این مقاله از کیان باتری قصد داریم درباره کاربرد آلومینیوم در خودرو های الکتریکی از جمله باتری آن صحبت کنیم.

منظور از قاب باتری در خودرو های الکتریکی چیست؟

قاب باتری برای وسایل نقلیه الکتریکی در اندازه ها و اشکال مختلف وجود دارد. این انعطاف پذیری چیزی است که با اکستروژن های آلومینیومی بدست می آورید. عملکرد اصلی قاب باتری نگه داشتن و محافظت از ماژول های باتری است.

منظور از محافظت این است که قاب ها باید بدون نشتی باشند تا اطمینان حاصل شود که ماژول های باتری و لوازم الکترونیکی همیشه ایمن هستند. وزن سبک نیز مهم است، زیرا این امر بر عملکرد خودرو تأثیر می گذارد.

نصب باتری ماشین در محل یکی از خدمات رایگان کیان باتری در شهر تهران است جهت کسب اطلاعات بیشتر تماس بگیرید!

استفاده از آلومینیوم در خودرو های الکتریکی

وزن سبک آلومینیوم یکی از موثرترین راه ها برای بهبود بهره وری انرژی خودروهای الکتریکی و هیبریدی است. Hydro قطعات سبک وزن را برای وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی طراحی و تولید می کند. قطعات هیدرولیک ساخته شده از آلومینیوم برای خودروهای برقی شامل بسته های باتری و محلول های قاب محفظه برای تمام وسایل نقلیه الکتریکی است.

مزایای آلومینیوم در قاب های باتری

چگونه آلومینیوم به خودرو های برقی سبک، ایمن و پایدارتر کمک می کند؟

1- کاهش وزن ماشین های برقی

کاهش وزن یکی از موثرترین راه ها برای بهبود بهره وری انرژی خودرو هیبریدی و الکتریکی است. خودروهای سبک تر برای پیمودن مسافت یکسان به برق کمتری نیاز دارند. راه‌حل‌های آلومینیومی مدولار برای بسته‌های باتری خودروهای برقی، می‌توانند هزینه‌های تولید و بهره‌برداری را کاهش داده و حداکثر انعطاف‌پذیری طراحی را ارائه دهند.

بسته های باتری سبک

با ترکیب اجزای سبک وزن با مدیریت حرارتی آلومینیومی و کابل های آلومینیومی، می توان خودروهای برقی و هیبریدی را خنک و سبک نگه داشت.

همچنین بخوانید: رک یا کابینت باتری چیست؟

2- کاهش آلایندگی در طول عمر خودرو های الکتریکی

هنگامی که از مواد سبزتر مانند آلومینیوم کم کربن استفاده می کنید، ردپای وسیله نقلیه الکتریکی خود را نه تنها در تولید خودرو، بلکه در مرحله استفاده از آن بهبود می بخشید.

می دانیم که پایداری یکی از محرک های انتخاب وسایل نقلیه الکتریکی است. به همین دلیل است که Hydro در حال توسعه مواد و تولید آنها به روش صحیح است تا اطمینان حاصل کند که آنچه را که برای دستیابی به اهداف پایداری خود نیاز دارد دریافت می کند. آلومینیوم به طور کامل و بی نهایت قابل بازیافت است، بدون از دست دادن خواص.

آلومینیوم بازیافتی Hydro CIRCAL

Hydro CIRCAL طیف وسیعی از محصولات است که با ضایعات بازیافتی و پس از مصرف ساخته شده است. Hydro با استفاده از آلومینیوم بازیافتی قادر است مصرف انرژی را در مرحله تولید به شدت کاهش دهد در حالی که همچنان می تواند محصولات آلومینیومی با کیفیت بالا را ارائه دهد.

بهره برداری از پیشرفته ترین فناوری مرتب سازی آلومینیوم در صنعت به Hydro CIRCAL اجازه می دهد تا برخی از بالاترین محتوای بازیافتی آلومینیوم را در بازار ارائه دهد. هرچه محتوای بازیافتی بیشتر باشد، ردپای کربن کمتر است.

3- طرح های هوشمند با اکستروژن آلومینیومی

مردم می‌خواهند بتوانند مسافت‌های طولانی‌تری را با خودروهای برقی خود برانند، و امروزه این به معنای ماژول‌های باتری بیشتر و یک قاب بزرگتر است. بنابراین علاوه بر نگه داشتن ماژول ها در محل و محافظت از آنها، قاب باتری اکنون باید در واقع با بدنه خودرو تعامل داشته باشد.

فریم های بزرگ می توانند کل معماری بدنه خودرو را تحت تاثیر قرار دهند. در برخی مدل ها، فریم باتری تقریباً به اندازه کل کف خودرو است. این بدان معناست که آنها باید هوشمندانه در ساختار خودرو ادغام شوند. آنها باید به شیوه ای درست با بدنه تعامل داشته باشند تا رفتار مورد نظر را با کل خودرو ارائه دهند.

طرح های قاب مدولار و مقیاس پذیر

طراحی های هوشمند با استفاده از اکستروژن های آلومینیومی می تواند فرآیند مونتاژ و تثبیت تک تک ماژول های باتری را ساده کند. آنها همچنین جذب انرژی بیشتری را در صورت تصادف در مقایسه با سایر مواد و فرآیندها فراهم می کنند.

4- مزایای دیگر عبارتند از

• خنک کننده: پانل های ساختاری کف را می توان به گونه ای طراحی کرد که شامل کانال های خنک کننده یکپارچه برای خنک کردن ماژول های باتری باشد.
• استحکام و سفتی: یک قاب ساخته شده از اکستروژن، استحکام و سفتی زیادی را برای کل بدنه خودرو فراهم می کند و وزن را به حداقل می رساند.
• انعطاف پذیری طراحی: طرح‌های قاب مدولار و مقیاس‌پذیر را می‌توان به راحتی با اکستروژن به صورت مقرون‌ به ‌صرفه ایجاد کرد.
• سفتی نشتی:  یک قاب کاملاً بدون نشتی را می توان با استفاده از اکستروژن و فناوری اتصال مناسب، مانند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی به دست آورد.

انعطاف پذیری طراحی

OEM ها به دنبال راه های مختلفی برای حل این چالش ها هستند. در مقایسه با دو سال پیش، OEM ها فلسفه های طراحی خود را برای این نوع محصولات اصلاح کرده اند. طراحی آلومینیوم اکسترود شده بهترین راه برای رفع نیازهای آنها است. ایجاد طراحی مدولار با اکستروژن بسیار آسان است، و با پیشرفت بسیار زیادی که با ماژول های الکترونیک و باتری در حال انجام است، طرح مفهومی پلت فرم مطرح می شود. اکستروژن های آلومینیومی برنده مسابقه برای محفظه باتری در خودروهای برقی هستند.

محفظه باتری برای وسایل نقلیه الکتریکی (که به آن قاب، محفظه یا بسته باتری نیز گفته می شود) یک هدف کاملاً ساده دارد که آن نگه داشتن و محافظت از ماژول های باتری است. به طور طبیعی، آنها در اشکال و اندازه های مختلف هستند و به راحتی می توانند برای ویژگی های مختلف ماژول های باتری تطبیق داده شوند.

مانند سایر قطعات خودرو، محفظه‌های باتری عرصه‌ای برای تعدادی از مواد هستند که برای برجسته‌تر شدن تلاش می‌کنند: آلومینیوم، فولاد پیشرفته با استحکام بالا، فیبر کربن، منیزیم.

در حالی که محفظه ها در حال حاضر از فولاد (یا ترکیبی از آلومینیوم و فولاد) ساخته می شوند، در دراز مدت به نظر می رسد آلومینیوم دست بالا را دارد، بیشتر به دلیل وزن سبک و ویژگی های فنی مطلوب. سازندگان خودرو انتظار دارند که هزینه های سیستم باتری، که در حال حاضر بین 30 تا 50 درصد از کل هزینه یک خودروی الکتریکی را تشکیل می دهد، در آینده کاهش یابد.

محفظه های باتری به چه ویژگی هایی نیاز دارند؟

رسانایی حرارتی برای محفظه های باتری از اهمیت اساسی برخوردار است. آنها باید قابلیت انتقال حرارتی (مانند سیستم ترمز خودرو) را برای خنک نگه داشتن باتری یا گرم نگه داشتن آن در هوای سرد فراهم کنند.

بنابراین، سازه در واقع بخشی از منبع تغذیه می شود. این می تواند به طور قابل توجهی بر عملکرد و چرخه عمر ماژول های باتری تأثیر بگذارد. در عین حال، این ماده باید دارای استحکام و مقاومت کافی در برابر ضربه باشد تا از ماژول های باتری در برابر آسیب و همچنین سایر قسمت های خودرو محافظت کند.

پروفیل‌های شارژ/دشارژ خودروهای الکتریکی هیبریدی (HEVs) عموماً تهاجمی‌تر از خودروهای برقی باتری هستند، که منجر به تولید گرمای بیشتر می‌شود، بنابراین یک سیستم مدیریت حرارتی برای HEV مورد نیاز است. سیستم مدیریت حرارتی باید فشرده و سبک باشد، به راحتی در خودرو بسته بندی شود، قابل اعتماد و کم هزینه باشد.

نمونه هایی از طراحی ها و تکنیک های محفظه باتری:

همه تولید کنندگان پیشرو محصولات آلومینیومی برای صنعت خودرو، مجموعه های محفظه باتری خود را با سیستم های مدیریت حرارتی، از جمله Constellium، Novelis یا Hydro توسعه داده اند.

محفظه‌های باتری Constellium

به عنوان مثال، محفظه‌های باتری Constellium از آلیاژهای آلومینیومی برتر (با استحکام بالا) تولید می‌شوند و برای مقاومت در برابر تصادف، نفوذ و همچنین خنک کردن واحدهای جداگانه با استفاده از مواد نوآورانه، طراحی و فناوری‌های اتصال مهندسی شده‌اند.

برای پایین و بالای محفظه ها، ورق آلیاژی 3xxx، 5xxx و 6xxx Constellium و آلومینیوم به دلیل رسانایی حرارتی خوب و مقاومت در برابر خوردگی، و همچنین شکل پذیری در اشکال مختلف ترجیح داده می شوند. هنگامی که کل محفظه از آلومینیوم ساخته شده است، یک سپر الکترومغناطیسی طبیعی ایجاد می کند که از تداخل با سایر قطعات الکتریکی یا الکترونیکی در خودرو جلوگیری می کند.

ساختار محفظه تولید شده توسط Constellium از اعضای آلومینیومی اکسترود شده تشکیل شده است که دارای یک حفره توخالی هستند. حفره با یک ماده تغییر فاز پر شده است، ماده ای که انرژی حرارتی را در جریان انجماد یا ذوب جذب و آزاد می کند. این ماده ای موم مانند است که به عنوان یک سیستم خنک کننده غیرفعال برای باتری عمل می کند.

خواص مواد تغییر فاز مواد را قادر می سازد گرما را نگه دارد یا مانند موم ‘ذوب’ شود تا گرما را از باتری دور کند. با محافظت از باتری در برابر دمای شدید، ساختار بدنه به افزایش عمر باتری کمک می کند.

محفظه‌های باتری Novelis

در مقابل، Novelis از ورق آلومینیوم سری Advanz خود برای تولید محفظه استفاده می کند. این ماده شکل پذیری مورد نیاز برای کشش های عمیق را فراهم می کند، اما همچنین محافظت لازم را در برابر نفوذ زباله های جاده، سنگ ها و سایر ضربه های احتمالی فراهم می کند.

این آلیاژ آلومینیوم دارای چقرمگی شکست خوب و ویژگی های جذب انرژی است. این محفظه باتری برای قرار دادن ماژول‌های باتری 90 کیلووات ساعتی طراحی شده است، که اندازه مورد استفاده در یک پیکاپ الکتریکی یا SUV بزرگ است، اگرچه طراحی آن با باتری‌هایی با اندازه‌های مختلف سازگار است. Novelis با استفاده از ورق های فلزی به جای اکستروژن یا ریخته گری، می تواند به بازدهی هزینه بهتری دست یابد.

آئودی همچنین سیستم محفظه باتری خود را برای Audi e Tron توسعه داده است. باتری بزرگ ولتاژ بالا در آئودی ای ترون می تواند تا 95 کیلووات ساعت انرژی ذخیره کند و بنابراین برای برد طولانی خودرو ضروری است. همراه با محفظه با ساختارهای تصادفی پیچیده آن، شامل 47 درصد بخش های آلومینیومی اکسترود شده، 36 درصد ورق آلومینیوم و 17 درصد قطعات آلومینیومی ریخته گری، وزن سیستم باتری حدود 700 کیلوگرم (1543.2 پوند) است.

در 35 نقطه به ساختار بدنه آئودی ای ترون پیچ شده است. این امر استحکام پیچشی آن را تا 27 درصد افزایش می دهد و به سطح بالایی از ایمنی آئودی e tron ​​کمک می کند، همانطور که سیستم خنک کننده متصل به بیرون محفظه باتری نیز همین کار را انجام می دهد.

اقدامات پیچیده ای برای محافظت از باتری ولتاژ بالای خودرو انجام شده است. یک قاب محصور محکم از گره‌های آلومینیومی ریخته‌گری شده و بخش‌های اکسترود شده، به‌علاوه یک صفحه آلومینیومی به ضخامت 3.5 میلی‌متر (0.1 اینچ) در برابر آسیب‌های ناشی از ضربه یا حاشیه سنگ محافظت می‌کند. در داخل، چارچوبی مانند ساختار آلومینیومی سیستم باتری را تقویت می کند.

پیش بینی میزان مصرف جهانی اکستروژن آلومینیوم

پیش‌بینی رشد جهانی اکستروژن آلومینیوم تا سال 2026 توسط جف اسکامنز، فناوری نوآورانه و دانشگاه برونل:

Bloomberg New Energy Finance تخمین می زند که تناژ اکستروژن آلومینیوم از ضرب تعداد خودروهای الکتریکی پیش بینی شده در 80 کیلوگرم اکستروژن در هر وسیله نقلیه به دست آمده است. در این شکل مقدار مورد نیاز برای محفظه باتری نیز گنجانده شده است. با احتساب بازار چین، تا سال 2040، تناژ اکستروژن آلومینیوم مورد نیاز برای وسایل نقلیه الکتریکی می تواند بیش از 3 میلیون تن باشد.

طبق گزارش CRU، ترکیب مورد نیاز برای ورق آلومینیومی بدنه خودرو و اکستروژن برای وسایل نقلیه الکتریکی تقریباً 10 میلیون تن تا سال 2030 خواهد بود. نسبت این تقاضا بین ورق و اکستروژن احتمالاً 80/20 است که تقاضای اکستروژن 2 میلیون تنی را ایجاد می کند.

در عین حال، تعداد زیادی پرس اکستروژن جدید باید در سرتاسر جهان نصب شود تا تقاضای فزاینده برآورده شود. یک چالش اضافی این است که، علاوه بر ظرفیت اکستروژن بیشتر، عملیات حرارتی مورد نیاز و قابلیت‌های تکمیل لازم برای ارائه اکستروژن‌های آلومینیومی خودرو با ویژگی‌های کیفیت و عملکرد مورد نیاز، نصب شود.

اخیراً، چندین تولیدکننده خودروهای برقی از فولاد به طرح‌های آلومینیومی محفظه‌های باتری، از جمله نیسان، PSA، حتی فولکس واگن، که به طور سنتی مربوط به فولاد است، تغییر کاربری داده‌اند.

رقابت در فلزات پایدار بین آلومینیوم و فولاد ادامه خواهد داشت، به ویژه از آنجایی که تفاوت قیمت بین این دو کاهش می یابد زمانی که محفظه های آلومینیومی از آلومینیوم بازیافتی ساخته می شوند.

باتری آلومینیومی هوا | باتری EV که نیازی به شارژ ندارد

ویدئوی جالب زیر را درمورد مزیت آلومینیوم در خودرو الکتریکی تماشا کنید!