توسعه فناوری پروفیل های آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم در باتری های برق و سیستم های ذخیره انرژی

از آنجایی که صنایع خودروهای انرژی جدید، سیستم‌های ذخیره انرژی و باتری‌های نیرو به سمت تراکم انرژی بالاتر، سبک‌وزن و ایمنی بیشتر در حال تکامل هستند، مواد مورد استفاده برای اجزای ساختاری باتری به طور مداوم بهینه می‌شوند. آلیاژهای آلومینیوم و آلومینیوم به دلیل چگالی کم، استحکام ویژه بالا، هدایت حرارتی عالی، مقاومت در برابر خوردگی قوی و شکل‌پذیری خوب، به طور گسترده در پوشش باتری، قاب‌های ساختاری، سینی‌ها، اجزای اتلاف حرارت و سایر سازه‌های اتصال فلزی استفاده می‌شوند. انتخاب مواد نه تنها بر وزن و یکپارچگی ساختاری سیستم باتری تأثیر می گذارد، بلکه بر مدیریت حرارتی، آب بندی، حفاظت و هزینه های ساخت نیز تأثیر می گذارد.

 

در بخش باتری نیرو، اجزای ساختاری آلیاژ آلومینیوم به‌ویژه-برای سیستم‌های باتری که به تعادل بین سبک‌وزن و حفاظت مکانیکی نیاز دارند، مناسب هستند. بسته‌های باتری برای وسایل نقلیه با انرژی جدید باید در طول عملیات در برابر ارتعاشات، ضربه‌ها و نوسانات محیطی پیچیده مقاومت کنند. در نتیجه، مواد پوششی باید الزامات سختگیرانه ای برای استحکام، مقاومت در برابر خوردگی، پایداری ابعادی و قابلیت ساخت داشته باشند.

 

بسته به معماری خاص باتری و شرایط عملیاتی، عواملی مانند درجه آلیاژ آلومینیوم، ضخامت ورق، روش شکل‌دهی و عملیات سطح بعدی باید مطابق با الزامات طراحی واقعی باشد.

 

 

 

محفظه باتری در محافظت از سلول های داخلی، جداسازی آنها از محیط خارجی و ادغام با سیستم مدیریت حرارتی نقش حیاتی ایفا می کند. در مقایسه با فلزات سنتی و متراکم تر، آلیاژهای آلومینیوم باعث کاهش وزن کلی می شوند و در عین حال الزامات طراحی ساختاری را برآورده می کنند و آنها را به گزینه ای محبوب برای بسته های باتری خودروهای انرژی جدید و سیستم های ذخیره انرژی تبدیل می کند.

 

طراحی پوشش باتری آلومینیومی برای یک وسیله نقلیه انرژی جدید باید ابعاد سلول، فضای داخلی، روش های آب بندی و ساختار کلی بسته را در نظر بگیرد. برای سلول‌های منشوری، پوشش معمولاً به دقت ابعادی بالا و قوام شکل‌دهی نیاز دارد تا از موقعیت پایدار پس از مونتاژ اطمینان حاصل شود. برای باتری‌هایی با ظرفیت‌های مختلف، طراحان باید عواملی مانند ضخامت دیواره پوشش، استحکام کف، مناطق جوشکاری و مقاومت فشار داخلی را نیز در نظر بگیرند.

 

ورق های آلیاژ آلومینیوم را می توان با استفاده از فرآیندهایی مانند مهر زنی، کشش عمیق، خمش و اکستروژن به ساختارهای مختلفی تبدیل کرد.

 

مهر زنی برای تولید با حجم بالا مناسب است و امکان کنترل دقیق ابعاد و شکل ها را از طریق استفاده از قالب ها فراهم می کند، در حالی که طراحی عمیق برای سازه های پوششی که به عمق قابل توجه و مقاطع عرضی{1} پیچیده نیاز دارند ایده آل است. برای بسته‌های باتری با ابعاد بزرگ، یک محفظه کامل نیز می‌تواند با جوش دادن اجزای مختلف آلیاژ آلومینیوم به یکدیگر تشکیل شود.

 

در مهندسی عملی، طراحی جعبه‌های باتری آلومینیومی نمی‌تواند صرفاً بر روی استحکام مواد متمرکز شود. عواملی مانند آب بندی، جوشکاری، هدایت حرارتی و تحمل مونتاژ باید به طور همزمان ارزیابی شوند. به عنوان مثال، رابط بین بدنه محفظه و صفحه پوششی به دقت ابعادی پایدار نیاز دارد تا از درز جوش مداوم و قابل اعتماد در طول جوشکاری لیزری بعدی یا سایر فرآیندهای اتصال اطمینان حاصل شود.
 

 

همانطور که استفاده از باتری های منشوری در وسایل نقلیه انرژی جدید و سیستم های ذخیره انرژی رشد می کند، محفظه های سلولی به طور فزاینده ای به سمت دیواره های نازک تر، وزن سبک تر و سازگاری ابعادی بالا گرایش پیدا می کنند. آلومینیوم انعطاف پذیری و شکل پذیری عالی را ارائه می دهد و امکان ساخت دقیق محفظه های فلزی متناسب با مشخصات سلولی مختلف را فراهم می کند.

 

قوطی های آلومینیومی برای سلول های لیتیومی در درجه اول به عنوان محفظه های فلزی برای ساختارهای سلولی استوانه ای یا خاص عمل می کنند. عملکرد اصلی آنها ارائه یک ساختار محافظ مکانیکی پایدار در حین کار با اجزای داخلی برای اطمینان از آب بندی و ایمنی است. برای محفظه های سلولی، عواملی مانند ضخامت ماده، شعاع گوشه، ساختار پایین و رفتار جریان مواد در حین شکل گیری همگی بر کیفیت محصول نهایی تأثیر می گذارند.

 

سلول‌های منشوری معمولاً از محفظه‌های آلیاژ آلومینیومی با سطوح مسطح بزرگ استفاده می‌کنند. ساخت این محفظه های آلومینیومی مربعی مستلزم کنترل دقیق بر مسطح بودن، ابعاد لبه، شکل دهی گوشه ها و وضعیت مناطق جوشکاری است. برگشت فنری قابل توجه، ترک خوردگی، یا نازک شدن موضعی دیوار در حین مهر زنی یا کشیدن عمیق می تواند مونتاژ سلول و عملکرد آب بندی بعدی را به خطر بیندازد. بنابراین، طراحی قالب و پارامترهای شکل دهی باید به طور خاص بهینه شوند.

 

برای ساختارهای عمیق{0}}حفره، کنترل جریان مواد در طول فرآیند ترسیم عمیق بسیار مهم است. ترخیص مناسب قالب، نیروی نگهدارنده خالی و شرایط روانکاری به به حداقل رساندن عیوب مانند چروکیدگی، ترک خوردگی و ضخامت ناهموار دیوار کمک می کند. در تولید انبوه، مدیریت عمر قالب و{4}}بازرسی در فرآیند نیز برای اطمینان از سازگاری محصول در دسته‌های مختلف ضروری است.

 

 

کاربردهای آلیاژ آلومینیوم در بخش باتری فراتر از محفظه ها گسترش می یابد و شامل براکت ها، تقویت کننده ها، اتصالات، صفحات پوششی و سایر قطعات ساختاری می شود. با افزایش سطح یکپارچگی سیستم باتری، الزامات مربوط به دقت ابعادی، استحکام ساختاری و هماهنگی مونتاژ این اجزا نیز افزایش می‌یابد.

 

قطعات آلومینیومی مهر شده معمولاً از طریق فرآیندهایی مانند خالی کردن، خمش، کشش عمیق و سکه سازی شکل می گیرند. در مقایسه با فولاد سنتی، آلیاژهای آلومینیوم از نظر کشیدگی مواد، ویژگی‌های برگشت فنری و شرایط سطح متفاوت هستند. بنابراین، پارامترهای قالب نمی توانند به سادگی تجربه به دست آمده از تولید قطعات فولادی را تکرار کنند. برای اجزای ساختاری باتری با دقت بالا، تنظیمات مربوط به فاصله قالب، سرعت مهر و موم کردن، و ترتیب شکل دهی باید بر اساس درجه ماده و ضخامت ورق خاص انجام شود.

 

مهر زنی آلومینیومی برای قطعات فلزی باتری با هندسه نسبتا منظم و حجم تولید بالا مناسب است. قالب‌های پیشرونده، یا مهر زنی چند ایستگاهی، اجازه می‌دهند مراحل پردازش چندگانه در یک جریان تولید پیوسته ادغام شوند و در نتیجه، جابجایی میانی و موقعیت‌یابی تکراری کاهش می‌یابد. برای قطعات باتری با ساختار پیچیده، ساخت را می توان با ترکیب مهر زنی با فرآیندهایی مانند برش لیزری و جوشکاری نیز به دست آورد.

 

در تولید واقعی، مهر زنی ورق آلومینیومی نیاز به کنترل دقیق کیفیت سطح مواد و شرایط تماس بین ماده و قالب دارد. سطوح آلیاژ آلومینیوم مستعد خراشیدگی هستند که نیاز به طراحی های خاصی برای عملیات سطح قالب، روش های روانکاری و فرآیندهای تغذیه خودکار دارد. برای روکش ها و صفحات پوششی با الزامات زیبایی شناختی دقیق، باید از مسائلی مانند فرورفتگی، خراشیدگی و تغییر شکل موضعی اجتناب شود.

 

 

 

محفظه‌های باتری‌های نیرو و باتری‌های ذخیره انرژی معمولاً از طریق یک فرآیند چند مرحله‌ای-شامل شکل‌دهی مواد، ماشین‌کاری دقیق، تمیز کردن، جوشکاری، بازرسی و عملیات سطحی- تولید می‌شوند. برای اجزای ساختاری بزرگ، مانند محفظه‌های بسته باتری آلومینیومی، سازگاری فضایی باید با سینی‌ها، سازه‌های خنک‌کننده، پوشش‌های بالایی و سایر اجزای سیستم تضمین شود.

 

پوشش های آلیاژ آلومینیوم اغلب با استفاده از تکنیک هایی مانند جوشکاری لیزری، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW) یا جوشکاری MIG مونتاژ می شوند. فرآیندهای مختلف جوشکاری الزامات مختلفی را در رابطه با شرایط مواد، ابعاد جوش، گرمای ورودی و روش‌های بستن تحمیل می‌کنند. به ویژه در قسمت های آب بندی محفظه باتری، تداوم جوش و هوابندی برای قابلیت اطمینان عملیاتی طولانی مدت سیستم باتری بسیار مهم است.

 

در نتیجه، یک سیستم کنترل کیفیت جامع-که همه چیز از مواد خام تا محصول نهایی را پوشش می‌دهد-باید در طول ساخت اجزای ساختاری باتری ایجاد شود. برای مواد خام، لازم است درجه آلیاژ، ضخامت و خواص مکانیکی بررسی شود. مرحله مهر زنی مستلزم بررسی ابعاد بحرانی و عیوب شکل گیری است. و مرحله جوش روی ظاهر جوش، عمق نفوذ و یکپارچگی آب بندی تمرکز دارد. محصولات با الزامات ایمنی بالا ممکن است از طریق روش‌هایی مانند تست هوابندی، بازرسی ابعادی و آزمایش‌های نمونه‌گیری مخرب مورد تأیید بیشتری قرار گیرند.
 

 

همانطور که انواع مدل های خودروهای انرژی جدید و سیستم های ذخیره انرژی افزایش می یابد، اجزای ساختاری باتری به طور فزاینده ای با مشخصات متنوع مشخص می شوند. تغییرات در ابعاد سلول، ساختار ماژول، و طرح‌بندی بسته باتری، طراحی‌های خاصی را برای بدنه‌ها و قطعات ساختاری ضروری می‌سازد، که تولیدکنندگان را ملزم می‌کند که سازگاری بالایی با فرآیند داشته باشند.

 

مهر زنی آلومینیومی امکان توسعه قالب متناسب با هندسه های خاص را فراهم می کند، در حالی که مهر زنی مترقی راندمان تولید انبوه را افزایش می دهد. برای اجزای ساختاری پیچیده، تعیین یک فرآیند تولید بهینه نیاز به متعادل کردن تحمل محصول، ضخامت مواد و عمق شکل‌دهی دارد.

 

برای محصولاتی با الزامات ابعادی یا ساختاری منحصربه‌فرد، مهر زنی آلومینیومی سفارشی طرح‌های محصول، مشخصات تحمل، الزامات مواد و فرآیندهای تولید را در مرحله توسعه یکپارچه می‌کند. مهندسی معمولاً با تأیید شکل‌پذیری مواد آغاز می‌شود و به دنبال آن تنظیمات پارامترهای فرآیند تکراری بر اساس تجزیه و تحلیل جریان قالب، آزمایش‌های قالب و اعتبارسنجی نمونه اولیه انجام می‌شود.

 

مهر زنی ورق آلومینیومی همچنین برای سینی های باتری، براکت های پشتیبانی، صفحات پوششی و سایر اجزای ساختاری نازک-مناسب است. در پروژه‌های تولید انبوه، ملاحظات فراتر از دقت قطعات منفرد است و شامل عواملی مانند طول عمر قالب، نرخ استفاده از مواد، سیستم‌های تغذیه خودکار و زمان‌های چرخه تولید می‌شود.

 

 

آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده در باتری های نیرو و سیستم های ذخیره انرژی یکنواخت نیستند. درجات مختلف از نظر استحکام، ازدیاد طول، مقاومت در برابر خوردگی، جوش پذیری و شکل پذیری متفاوت است که انتخاب بر اساس عملکرد خاص جزء ضروری است.

 

برای محفظه هایی که نیاز به کشش عمیق و شکل دهی پیچیده دارند، پلاستیسیته مواد و پایداری شکل دهی در اولویت هستند. سازه های باربر{1}}نیازمند تمرکز بر مقاومت تسلیم، استحکام کششی و عملکرد خستگی هستند. اجزای مربوط به جوشکاری گسترده نیازمند در نظر گرفتن قابلیت جوشکاری مواد و ویژگی‌های عملکرد بعد از جوش- هستند.

 

علاوه بر این، خوردگی الکتروشیمیایی باید برای اجزای ساختاری باتری در نظر گرفته شود. هنگامی که آلیاژهای آلومینیوم در تماس مستقیم با فلزات غیر مشابه مانند مس یا فولاد قرار می گیرند، ممکن است در محیط هایی که الکترولیت ها و رطوبت وجود دارند، خوردگی گالوانیکی رخ دهد. بنابراین، در طول مرحله طراحی سازه، انتخاب دقیق مواد عایق، عملیات سطح، و پیکربندی اتصال برای جلوگیری از تشکیل مسیرهایی برای خوردگی طولانی مدت بین فلزات غیر مشابه ضروری است.

 

 

آلومینیوم دارای قابلیت بازیافت عالی است. در پس زمینه صنعت باتری که به سرعت در حال گسترش است، ارزش مدیریت چرخه عمر آن به طور فزاینده ای مورد توجه قرار گرفته است. برای وسایل نقلیه انرژی جدید و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، انتخاب مواد نه تنها شامل هزینه‌های تولید اولیه می‌شود، بلکه ملاحظاتی در مورد طول عمر محصول، نگهداری، جداسازی قطعات و بازیابی منابع بعدی نیز در بر می‌گیرد.

 

از منظر تولید، بهبود نرخ استفاده از مواد می تواند ضایعات تولید شده در حین مهر زنی را کاهش دهد، در حالی که بهینه سازی الگوهای تودرتو مصرف مواد خام را کاهش می دهد. علاوه بر این، استفاده از تولید خودکار برای به حداقل رساندن تنوع{1} ناشی از انسان در طول پردازش، به کاهش نرخ عیب و مصرف انرژی کمک می‌کند. در نتیجه، ساخت سبز اجزای ساختاری برای باتری‌های انرژی جدید نه تنها به خود ماده بستگی دارد، بلکه با طراحی قالب، فرآیندهای تولید و مدیریت کیفیت نیز مرتبط است.

 

 

 

با افزایش تقاضا برای محدوده رانندگی طولانی تر در وسایل نقلیه انرژی جدید و تراکم انرژی بالاتر در سیستم های ذخیره انرژی، طراحی ساختاری سیستم باتری از حفاظت مکانیکی ساده به سمت یک رویکرد یکپارچه تغییر می کند که ساختار را با مدیریت حرارتی، اتصال الکتریکی و حفاظت ایمنی ترکیب می کند. آلیاژهای آلومینیوم به لطف چگالی کم، هدایت حرارتی عالی و اکوسیستم‌های پردازش بالغ، پتانسیل قابل توجهی برای کاربرد در این تکامل ارائه می‌دهند.

 

محفظه‌های باتری و اجزای ساختاری آینده احتمالاً طرح‌هایی با دیوارهای نازک‌تر، تقویت موضعی و ادغام چند{0}}کاربردی دارند و در نتیجه مصرف مواد را کاهش می‌دهند و در عین حال استحکام مکانیکی لازم را حفظ می‌کنند. به طور همزمان، فرآیندهایی مانند مهر زنی، اکستروژن، ریخته‌گری، جوشکاری و ماشین‌کاری برای برآورده کردن الزامات یکپارچه‌سازی ساختاری بسته‌های باتری و تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ‌تر یکپارچه خواهند شد.

 

برای اجزای ساختاری در باتری های خودروهای انرژی جدید، قطعات آلومینیومی مهر شده را می توان با فرآیندهای جوشکاری، ماشینکاری و عملیات سطح ترکیب کرد تا گردش کار تولید یکپارچه ایجاد شود. این امکان تولید انبوه سازه های پیچیده را فراهم می کند در حالی که الزامات سختگیرانه برای دقت ابعاد و عملکرد مکانیکی را برآورده می کند.

 

به طور کلی، کاربرد پروفیل ها و آلیاژهای آلومینیوم در باتری های ذخیره انرژی و انرژی از یک انتخاب ساده از مواد سبک وزن به یک سیستم فنی جامع شامل طراحی ساختاری، مدیریت حرارتی، فرآیندهای تولید، حفاظت ایمنی و مدیریت چرخه حیات تبدیل شده است. همانطور که سیستم‌های باتری به سمت چگالی انرژی بالاتر، مقیاس‌های بزرگ‌تر و یکپارچگی بیشتر گرایش پیدا می‌کنند، عواملی مانند انتخاب درجه مواد، فرآیندهای شکل‌دهی، روش‌های جوشکاری، کنترل ابعاد و تأیید کیفیت به عناصر حیاتی در طراحی مهندسی اجزای ساختاری باتری تبدیل می‌شوند.

 

از دیدگاه تدارکات مهندسی، انتخاب تامین کنندگان برایپوشش باتری آلومینیومیو اجزای ساختاری نیاز به ارزیابی جامعی دارد که درجه‌های مواد، فرآیندهای شکل‌دهی، تحمل‌های ابعادی بحرانی، روش‌های جوشکاری، الزامات هوابندی و قابلیت‌های تولید انبوه را در نظر می‌گیرد.