Per migliorare l'autonomia e la capacità dei veicoli elettrici, i Pacchi Batteria di Trazione stanno transitando da layout a singolo strato a Strutture a Impilamento Multistrato. Questa transizione migliora significativamente la Densità Energetica, ma introduce anche nuove sfide strutturali. Questo articolo esplorerà tre aspetti: problematiche centrali, soluzioni principali e direzioni tecnologiche future.

1-Sfide centrali: Problematiche meccaniche dell'impilamento multistrato

Espandere i Pacchi Batteria da uno a Più Strati è ben lontano da un semplice impilamento. Rimodula l'ambiente meccanico interno e i Percorsi di Carico esterni, presentando quattro sfide principali:

a.Incremento verticale del Carico e rischio di Scorrimento Viscoso del Materiale

·Nelle Strutture Multistrato, il peso di Celle, Moduli e Componenti Strutturali si accumula strato dopo strato. Il Carico di Compressione Statico sopportato dallo strato inferiore è significativamente superiore a quello dello strato superiore.

·Questo ambiente di Alta Sollecitazione sostenuta pone severe prove per le Prestazioni a Lungo Termine dei materiali, in particolare la Resistenza allo Scorrimento Viscoso (la lenta Deformazione Plastica dei materiali sotto Sollecitazione Costante nel tempo).

·Se i Supporti Interstrato o i Componenti di Fissaggio delle Celle subiscono Scorrimento Viscoso, può portare al Rilassamento della Precarga, influenzando la Durata del Ciclo di Vita delle Celle e la Stabilità del Contatto dell'Interfaccia. Pertanto, è cruciale identificare materiali che combinino proprietà di Leggerezza con eccellenti Caratteristiche di Resistenza allo Scorrimento Viscoso.

b.Forza di EspansioneEffetto di Accumulo e Stabilità Strutturale

·Le Batterie agli Ioni di Litio sperimentano un "Effetto Respirazione" durante la Carica e Scarica a causa dei Cambiamenti di Volume dei Materiali degli Elettrodi, portando all'Espansione delle Celle. Nelle Strutture a Impilamento Multistrato, le Forze di Espansione si accumulano strato dopo strato, facendo sopportare ai Moduli dello strato inferiore una pressione enorme.

·Questa Sollecitazione Ciclica può facilmente innescare Rigonfiamento dell'Involucro, Guasto della Tenuta, Compressione dei Componenti Strutturali, Cortocircuito delle Celle e una Accelerata Degradazione delle Prestazioni della Batteria. Il controllo efficace richiede Sensori Integrati per Monitoraggio in Tempo Reale combinato con Simulazione Digitale per guidare la Progettazione dell'Ottimizzazione Strutturale.

c.Contraddizione centrale tra Utilizzo dello Spazio e Densità Energetica

·Affrontare la Gravità e le Forze di Espansione richiede Strutture Rinforzate (come aggiungere Traverse o ispessire Lastre), ma ciò occupa spazio prezioso e aumenta il peso, entrando in conflitto con gli obiettivi principali di migliorare la Densità Energetica Volumetrica e la Densità Energetica Gravimetrica.

·La soluzione risiede nell'Ottimizzazione Strutturale e nell'applicazione di Materiali Efficienti, spingendo la transizione dei Pacchi Batteria verso Progettazioni Ibride Multimateriale.

d.Carico di CollisionePercorso di Trasferimento e aggiornamento della Ridondanza di Sicurezza

·L'Altezza Aumentata dei Pacchi Batteria intensifica i Carichi Meccanici durante Impatto Laterale o Impatto Inferiore; la Struttura Innalzata amplifica l'Effetto Leva, imponendo maggiori richieste sulla Resistenza dei Punti di Connessione e sulla Rigidezza Intrinseca del Pacco Batteria.

·È necessario utilizzare Materiali Resistenti all'Impatto e Progettazione Integrata per ottimizzare il Trasferimento della Forza e l'Assorbimento dell'Energia, garantendo la Sicurezza delle Celle in Condizioni Estreme, thus promuovendo lo sviluppo della tecnologia di Integrazione Batteria-Scocca (CTC), rendendo il Pacco Batteria parte integrante della Struttura della Scocca del Veicolo.

2- Analisi comparativa delle soluzioni strutturali principali

Per affrontare queste sfide, il settore ha esplorato varie soluzioni innovative:

a.Vassoio Pressofuso in Un Pezzo(One-piece Die-cast Tray)

·Vantaggi: Alta Integrazione, riduzione del Numero di Componenti, migliorata Rigidezza Complessiva, Coerenza e Tenuta. Il Processo supporta Forme Geometriche Complesse, facilitando l'integrazione di Raffreddamento, Nervature di Rinforzo e Punti di Montaggio. La Struttura Monolitica aiuta a gestire Sollecitazioni Complesse.

·Sfide: La Pressofusione Integrale di Telai Multistrato impone requisiti estremamente elevati su Attrezzature, Stampi e Processi, rendendola costosa. La Riparazione Post-Collisione è difficile o impossibile. La Struttura Rigida Monolitica potrebbe mancare della Flessibilità per gestire Forze di Espansione Differenziali tra Strati.

b.Telaio Modulare Multilivello(Multi-level Frame Modular)

·Vantaggi: Flessibilità di Progettazione e Produzione, facilitando Produzione, Manutenzione e Sostituzione. Naturalmente adatto a Progettazioni Ibride Multimateriale, consentendo l'ottimizzazione delle Prestazioni e dei Costi per diversi Livelli. Attingendo al concetto di "Stratificazione Quasi-isotropa" dei Materiali Compositi per ottimizzare la Risposta Meccanica Complessiva e disperdere la Sollecitazione.

·Sfide: Numerosi Componenti e Connettori, Assemblaggio Complesso, Tolleranze Cumulative che influenzano Precisione e Precarico. Numerose Interfacce di Connessione (Bulloni, Rivetti) sono Punti di Potenziale Guasto e aumentano il peso.

c.Struttura Sandwich a Materiale Ibrido(Hybrid Material Sandwich Structure)

·Vantaggi: Eccellente Efficienza di Alleggerimento e altissima Rigidezza Specifica (Pannelli ad Alta Resistenza + Materiali del Nucleo Leggeri come Schiuma/Nido d'Ape in Alluminio). Forte Resistenza alla Flessione, con i Materiali del Nucleo che offrono sia Isolamento Termico che Caratteristiche di Assorbimento dell'Energia, migliorando la Sicurezza Termica e la Sicurezza in Collisione. Si allinea con la tendenza dell'Integrazione Multifunzionale.

·Sfide: Processo di Produzione complesso e alto costo. La Resistenza del Legame dell'Interfaccia e la Durabilità a Lungo Termine tra Pannelli e Materiali del Nucleo sono critici. I Materiali del Nucleo devono possedere un'eccellente Resistenza alla Compressione e allo Scorrimento Viscoso.

d.Struttura a Nido d'Ape Bionica

·Vantaggi: Teoricamente un Design Bionico ideale (imitando l'EsagonaleNido d'Ape) per raggiungere l'Estremo Alleggerimento, l'Alta Rigidezza e la Resistenza alla Compressione. Fornisce Supporto Uniforme con una forte Capacità di Assorbimento dell'Urto.

·Sfide: Produzione estremamente complessa e costosa, con significative Difficoltà di Integrazione con Sistemi di Raffreddamento, ecc. Attualmente principalmente nella fase di Ricerca Avanzata, richiede più tempo per l'Applicazione Commerciale su Larga Scala.

3- Direzioni chiave per le innovazioni tecnologiche

Le future innovazioni chiave per risolvere le Problematiche di Progettazione dell'Impilamento Multistrato risiedono in:

a.Materiale e Innovazione di Processo per Alleggerimento e Bilanciamento della Rigidezza

·Materiali: Ottimizzazione continua di CFRP, Leghe di Alluminio, Leghe di Magnesio; sviluppo di nuovi Polimeri Multifunzionali e Materiali Compositi che combinano Basso Scorrimento Viscoso, Alto Isolamento, Buona Conduttività Termica e Facilità di Lavorazione.

·Processi: Sviluppo di Tecnologie di Connessione Avanzate (Saldatura a Punti per Resistenza, Saldatura Laser, Saldatura a Ultrasuoni) per realizzare Connessioni Multimateriale affidabili e leggere.

b. Gestione Adattativa delle Forze di Espansione

Spostando l'approccio da "Resistenza Rigida" a "Adattamento Flessibile", creando Sistemi di Risposta Dinamica per mantenere le Celle nell'Ambiente di Sollecitazione Ottimale durante tutto il loro Ciclo di Vita.

Figura 1：Saldatura laser robotizzata dell’Involucro della batteria del veicolo elettrico

c.Connessione Interstrato e Rivoluzione dell'Integrazione

·Tecnologie di Connessione: Evoluzione dalle Connessioni Meccaniche a Bullone verso Incollaggio con Adesivo Strutturale e Saldatura Avanzata per una Distribuzione della Sollecitazione più uniforme, Buona Tenuta e Resistenza alla Fatica.

·Integrazione Finale: CTC/CTB (Cell-to-Chassis/Body) è un'importante direzione futura per l'Integrazione dei Pacchi Batteria. Eliminando i Gusci Indipendenti e integrando direttamente le Celle o i Moduli nel Telaio, l'Impilamento Multistrato stesso diventa un Componente Strutturale della Scocca (come Traverse o Pavimenti), risolvendo fondamentalmente le Limitazioni di Spazio e massimizzando la Funzionalità Strutturale della Batteria. Raggiungere questa tecnologia richiede Collaborazione Profonda in più campi, inclusi Batterie, Strutture, Gestione Termica e Sicurezza, rappresentando la Forma Ultima del concetto "Struttura come Funzione".

Figura 2：contenitori delle batterie nelle auto elettriche

L'Impilamento Multistrato è una scelta inevitabile per aumentare la Densità Energetica delle Batterie, ma porta anche enormi sfide in Struttura, Forze di Espansione e Sicurezza. La soluzione risiede nell'Innovazione dei Materiali, nell'Ottimizzazione Strutturale Bionica e nella Gestione Intelligente delle Forze di Espansione. Alla fine, i Pacchi Batteria si Integreranno Profondamente con le Scocche dei Veicoli, diventando un "Telaio Energetico" integrato.

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