Per far fronte alle richieste del mercato come grandi intervalli, iterazioni rapide e linee di prodotto ricche, garantendo al contempo riduzione dei costi, miglioramento dell'efficienza e garanzia della qualità, per l'industria automobilistica, la standardizzazione dei prodotti - la piattaforma dei veicoli è senza dubbio una buona strategia. Attraverso la piattaforma delle batterie, la stessa soluzione di pacco batteria può essere abbinata a modelli diversi, oppure possono essere abbinate soluzioni di pacchi batteria composte dallo stesso tipo di celle della batteria e strutture simili. Ciò significa che possono essere standardizzate quante più parti possibili, il che può accorciare il ciclo di sviluppo, risparmiare sui costi, semplificare le linee di produzione e migliorare l'efficienza della produzione.

Primo: piattaforma della batteria

La soluzione della piattaforma batteria è favorevole alla pianificazione complessiva dei prodotti, alla riduzione dei costi e all'ottimizzazione della capacità produttiva. In base alla strategia della piattaforma batteria della piattaforma del veicolo, è necessario considerare l'intersezione e la larghezza di banda dei requisiti di ciascun modello della piattaforma e utilizzare il minor numero possibile di batterie e soluzioni di batterie per essere compatibili con il maggior numero possibile di modelli. Nello sviluppo dell'architettura di progetti puramente elettrici, è fondamentale disporre ragionevolmente il pacco batteria di potenza integrato. Gli elementi di lavoro specifici includono requisiti di potenza e prestazioni di potenza, sicurezza in caso di collisione, posizione e spazio di layout, ecc.

1-Confini delle dimensioni spaziali e standardizzazione delle celle della batteria

l Posizioni disponibili per i pacchi batteria

Attualmente, la disposizione della batteria di alimentazione principale è sotto il pavimento, compresi sotto i sedili anteriori, sotto i sedili posteriori, nel canale centrale e nel poggiapiedi. Questa disposizione può massimizzare l'area disponibile, aiutare ad abbassare il baricentro del veicolo, migliorare la stabilità di guida del veicolo e ottimizzare il percorso di trasmissione della forza di collisione.

Figura 1: Disposizione del pacco batteria durante lo sviluppo dei veicoli elettrici

l Evoluzione della disposizione dello spazio del pacco batteria

Pacco batteria diviso: viene adottato un layout dello spazio del pacco batteria diviso, come la serie JAC Tongyue. Il modulo energetico è costituito da due pacchi batteria, uno posizionato nella posizione originale del serbatoio del carburante e l'altro posizionato nel bagagliaio dove è riposta la ruota di scorta.

Inoltre, gli ingegneri stanno esplorando costantemente lo spazio utilizzabile all'interno dell'architettura originale dei veicoli a carburante, con conseguenti disposizioni dei pacchi batteria che assumono le forme di "工" , "T" e "土" .

Questo tipo di design è una modifica minore di un veicolo a carburante tradizionale. Lo spazio è molto limitato e il volume e il peso del pacco batteria che può essere caricato sono molto limitati, quindi la capacità è difficile da aumentare e l'autonomia di crociera non è elevata.

Pacco batteria integrato: si tratta di un nuovo concetto di progettazione del prodotto. Il design dell'intero veicolo ruota attorno al componente principale, il pacco batteria. Il pacco batteria è progettato in modo modulare e disposto in piano sul telaio del veicolo per massimizzare lo spazio disponibile.

l Disposizione del punto di installazione del pacco batteria

La disposizione ragionevole del pacco batteria è fondamentale e i fattori limitanti nella progettazione sono l'altezza da terra, la percorribilità, la sicurezza in caso di collisione, i requisiti di potenza e molti altri aspetti.

Figura 2: Vincoli di progettazione delle dimensioni del pacco batteria

La piattaforma del veicolo deve definire la categoria, il livello e il posizionamento di ciascun modello di veicolo all'interno della piattaforma, quindi determinare le dimensioni e il passo del veicolo. Il layout del veicolo scompone l'involucro delle dimensioni del pacco batteria nelle direzioni X, Y e Z in base allo spazio del veicolo. La batteria deve essere disposta all'interno dell'involucro dato del veicolo per garantire che non vi siano interferenze tra i vari sistemi del veicolo. L'indice di peso a vuoto può scomporre i requisiti di qualità del sistema del pacco batteria.

In termini di dimensioni della batteria, la progettazione dei pacchi batteria di potenza non può evitare rigidi indicatori di riferimento come lo spazio del veicolo e il peso a vuoto, il che significa che esiste una soglia per la progettazione delle celle della batteria. Vincolata da questa soglia, la dimensione della cella della batteria sarà concentrata in un certo intervallo, come: la lunghezza delle celle della batteria quadrate varia da 150-220 mm, la larghezza varia da 20-80 mm e l'altezza varia intorno ai 100 mm. La tendenza mutevole delle specifiche delle dimensioni delle celle della batteria è il risultato della relazione complementare tra la piattaforma del veicolo e la standardizzazione della batteria.

Tuttavia, le strategie della piattaforma della batteria, i modelli dei veicoli e la comprensione della standardizzazione di vari produttori di automobili sono diversi, con conseguenti differenze significative nelle attuali soluzioni di prodotto. Ad esempio, la strategia di standardizzazione di BYD è quella di sostituire completamente la batteria blade, la cui dimensione è bloccata a 960*13,5 (14)*90 (102) mm e la tensione della singola cella è 3,2/3,3 V.

2- Sviluppo di limiti di resistenza e soluzioni di capacità della batteria

La batteria di potenza fornisce energia per il viaggio del veicolo: la capacità della batteria, la profondità di scarica e la densità di energia influenzano la quantità di potenza disponibile. Per soddisfare le esigenze di diversi modelli, la differenza nel consumo di energia dei modelli è diventata una preoccupazione importante. L'autonomia di crociera del veicolo sarà influenzata da fattori quali la trazione elettrica, la batteria, il peso a vuoto, la resistenza al vento, la resistenza meccanica, il consumo di energia a bassa tensione e il recupero di energia. La possibilità di condividere soluzioni di batteria tra modelli con grandi differenze nel consumo di energia è debole, quindi è necessario sviluppare soluzioni di alimentazione della batteria personalizzate, tra cui dimensioni della batteria, qualità, potenza e ottimizzazione delle prestazioni di potenza per soddisfare i requisiti delle prestazioni di crociera.

In base ai vincoli dell'autonomia elettrica pura della piattaforma di produzione del veicolo, la scarica netta richiesta dalla batteria sarà influenzata dal consumo di energia di diversi modelli. È necessario confermare la distribuzione del consumo di energia di ciascun modello sulla piattaforma per convertire ulteriormente la larghezza di banda del consumo di energia nella distribuzione della domanda della batteria, quindi determinare il piano di alimentazione della batteria richiesto dalla piattaforma.

3-Limite di prestazione di potenza

Le prestazioni dinamiche del veicolo completo includono le performance in termini di accelerazione, velocità costante e modalità di risparmio energetico a diversi livelli di SOC (State of Charge) e temperature ambientali.  Questo si traduce, a livello di batteria, nelle caratteristiche potenza-tensione della batteria stessa a diversi SOC e temperature. La potenza della batteria corrisponde alla richiesta di potenza del sistema di propulsione del veicolo, mentre la tensione corrisponde alla tensione nominale richiesta dal motore di trazione.

In genere, la valutazione delle soluzioni per le batterie per l'intera piattaforma del veicolo inizia dal tempo di accelerazione di 100 chilometri a temperatura normale e potenza elevata e dalla decomposizione dell'indicatore della batteria, e si estende gradualmente alla decomposizione dell'indicatore della batteria sull'intera autonomia e in tutte le condizioni operative.

SECONDO: Sviluppo della scatola della batteria

1-Integrazione e modularizzazione della batteria

Ottimizzare la progettazione dei moduli batteria, migliorare l'integrazione e la modularità dei pacchi batteria, ridurre i componenti inattivi e aumentare la densità energetica dei pacchi batteria.

Le tecnologie di integrazione dei pacchi batteria attualmente più diffuse includono CTP, CTB, CTC e altre forme. La forma, il materiale e la combinazione delle parti sono cambiati con l'avanzamento della tecnologia di integrazione. La direzione generale è integrazione e integrazione. Riducendo il numero di parti indipendenti e utilizzando una parte grande per sostituire più parti, si formano componenti più grandi e più funzionali.

2-Progettazione della scatola della batteria

La custodia della batteria è il supporto dell'assemblaggio del sistema di batterie di potenza, svolge un ruolo chiave nel funzionamento sicuro e nella protezione del prodotto e influisce direttamente sulla sicurezza dell'intero veicolo. La progettazione strutturale della custodia della batteria include principalmente la selezione dei materiali del guscio per il guscio superiore, il guscio inferiore e altri componenti della custodia della batteria e la selezione delle soluzioni del processo di fabbricazione. Il coperchio superiore della custodia della batteria svolge principalmente un ruolo di tenuta e non è soggetto a molta forza; la custodia inferiore della custodia della batteria è il supporto dell'intero prodotto del sistema di batterie di potenza e il modulo della batteria è principalmente disposto nella custodia inferiore. Pertanto, devono esserci misure strutturali come scanalature e deflettori incorporati all'interno della custodia della batteria per garantire che il modulo della batteria sia fissato in modo affidabile quando il veicolo è in marcia e non vi sia alcun movimento nelle direzioni anteriore, posteriore, sinistra, destra, su e giù, in modo da evitare impatti sulle pareti laterali e sul coperchio superiore e influire sulla durata della custodia della batteria.

Figura 3: Soluzione scatola inferiore batteria, telaio a-skin, saldatura b-FSW + telaio, saldatura c-FSW + telaio

l Progettazione della struttura del punto di installazione del pacco batteria e fissaggio della connessione

Il punto di installazione del pacco batteria di solito adotta una struttura a trave di montaggio, che attraversa la parte anteriore e posteriore, e l'estremità anteriore è collegata alla trave longitudinale della cabina anteriore per formare una struttura a trave chiusa efficace e coerente. I punti di installazione sono ragionevolmente disposti in base alla distribuzione del peso del pacco batteria. Il pacco batteria e il veicolo sono fissati in vari modi, tra cui fissaggio tramite bulloni, fissaggio meccanico + collegamento ibrido con giunto adesivo, collegamento a scatto, ecc.

Figura 4: Disposizione del pacco batteria e sezione di installazione

I pacchi batterie di potenza sono generalmente installati sul veicolo tramite più strutture di ganci. La lavorazione dei ganci deve sopportare non solo il peso considerevole del pacco batterie, ma anche le sollecitazioni generate dalla marcia dell'auto su strade irregolari, come ciottoli e buche profonde. Queste condizioni di durata e di uso improprio pongono requisiti più elevati sulla resistenza della struttura dei ganci.

Figura 5: Diverse soluzioni di collegamento del gancio di sollevamento: a Gancio di sollevamento saldato b Gancio di sollevamento con telaio estruso in alluminio

l Struttura di sicurezza e protezione della scatola della batteria

Resistenza meccanica e protezione: la scatola della batteria deve avere una resistenza meccanica sufficiente a proteggere le batterie al suo interno da urti e impatti meccanici. La scatola della batteria deve essere in grado di resistere a vibrazioni, estrusione e urti meccanici per garantire la sicurezza della batteria in varie condizioni.

Protezione dalle collisioni: la progettazione della custodia della batteria deve tenere in considerazione la sicurezza dalle collisioni, in particolare per le collisioni laterali e inferiori. Di solito è realizzata in alluminio o acciaio e collegata al vassoio inferiore tramite un telaio esterno per fornire rigidità strutturale e migliorare le capacità di assorbimento dell'energia di collisione. Inoltre, devono essere progettate strutture di assorbimento delle collisioni appropriate per prevenire la deformazione della custodia della batteria e danni alle celle della batteria.

Impermeabile, antipolvere e resistente alla corrosione: la scatola della batteria deve essere impermeabile e antipolvere e solitamente utilizza guarnizioni di tenuta di livello IP67 per garantire la tenuta stagna. Inoltre, dovrebbero essere prese in considerazione anche misure anticorrosione, come la spruzzatura di rivestimento in PVC all'esterno per migliorare la resistenza alla corrosione.

Progettazione antideflagrante e di scarico della pressione: quando una batteria esplode, l'energia deve essere rilasciata in modo concentrato e direzionale tramite dispositivi quali valvole antideflagranti bilanciate per evitare di entrare nella cabina del cliente. Inoltre, devono essere adottate misure antideflagranti (quali la parziale distruzione strutturale) per impedire la rottura complessiva dell'apparecchiatura.

l Design sigillato

Il design della superficie di tenuta tra il coperchio superiore e la cassa inferiore della scatola della batteria svolge un ruolo importante nelle prestazioni di tenuta e il suo design deve essere progettato insieme alla struttura della scatola della batteria e all'anello di tenuta. La superficie di tenuta deve essere mantenuta sullo stesso piano il più possibile per evitare troppe strutture curve. Poiché il coperchio superiore e la cassa inferiore sono collegati da bulloni, viene utilizzato un gran numero di bulloni, quindi è particolarmente importante garantire la coassialità dei fori. Mentre si dispongono ragionevolmente le posizioni dei fori dei bulloni, le dimensioni della posizione devono essere il più possibile rotonde e disposte simmetricamente nelle direzioni X e Y. La selezione del numero di bulloni di collegamento deve essere considerata in modo completo in base al livello di tenuta e alla quantità di carico di lavoro di smontaggio e montaggio.

Figura 6: Progettazione della tenuta della scatola superiore e inferiore, 1-coperchio superiore della batteria 2-guarnizione di tenuta 3-coperchio inferiore della batteria 4-condotto metallico

l Sicurezza elettrica e protezione da cortocircuito

Affidabilità della connessione: i connettori all'interno del vano batteria devono avere la corretta polarità per garantire la capacità di sovracorrente del vano batteria e l'affidabilità dei collegamenti elettrici/meccanici, comprese le misure di rilassamento, ecc.

Progettazione di isolamento elettrico e resistenza alla tensione: la progettazione del modulo adotta una doppia protezione di isolamento. La cella della batteria stessa ha uno strato di pellicola blu della cella della batteria e una toppa superiore della cella della batteria per soddisfare i requisiti di isolamento e resistenza alla tensione. La protezione di isolamento e resistenza alla tensione è impostata tra la piastra terminale/laterale e la cella della batteria e tra la cella della batteria e la superficie di montaggio inferiore.

l Progettazione della gestione termica

Lo sviluppo della gestione termica della batteria attraversa l'intero ciclo di progettazione e sviluppo del sistema del pacco batteria, inclusa la progettazione del controllo della temperatura della batteria, della piastra fredda, del sistema di tubazioni, ecc. L'obiettivo principale della progettazione del sistema di gestione termica della batteria è garantire che il sistema della batteria funzioni a una temperatura di esercizio relativamente adatta tramite il controllo del riscaldamento o del raffreddamento, tenendo conto della disposizione dello spazio, dei costi di progettazione, della leggerezza, ecc., riducendo al contempo la differenza di temperatura tra le celle per garantire la coerenza.

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