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Dec 26, 2023

Batalla por la caja

Ya sea que los llame paquetes, cajas o bandejas, las estructuras que envuelven y protegen las celdas de las baterías de los vehículos eléctricos y su hardware de gestión eléctrica y térmica de soporte se encuentran entre las mejores de la industria.

Ya sea que los llame paquetes, cajas o bandejas, las estructuras que envuelven y protegen las celdas de las baterías de los vehículos eléctricos y el hardware de gestión eléctrica y térmica de soporte se encuentran entre las principales prioridades de los subsistemas de la industria. La optimización del paquete de baterías implica una serie de opciones de fabricación y materiales, compensaciones de masa y paquete, disposiciones de seguridad y desafíos de diseño/ingeniería estructural, dijeron expertos OEM y proveedores a SAE Media.

“¿Quiere que la batería esté atornillada al vehículo o integrada en la estructura de la carrocería?” preguntó Darren Womack, director senior del departamento de carrocería y estructuras del grupo global de I+D de Magna. El estampado en caliente, el estampado en frío, el laminado, el hidroconformado, la fundición y el acero, el aluminio, los compuestos y los termoplásticos están suscitando “animadas discusiones” sobre el desarrollo de envases, dijo en una reciente reunión de analistas.

Los OEM claramente quieren eliminar la estructura redundante para optimizar el espacio del paquete y reducir la masa y la complejidad, dijo Womack. La integración de la batería del vehículo eléctrico en la plataforma circundante implica varias configuraciones. El diseño de celda a paquete, actualmente en producción en BYD, elimina la etapa del módulo intermedio, colocando las celdas directamente en el paquete. La tecnología de celda a chasis integra la celda de la batería con el chasis del vehículo, la propulsión eléctrica y la gestión térmica. Todos los componentes de la batería están alojados en la carrocería del vehículo en blanco, eliminando el paquete separado.

En tales configuraciones, bajo investigación de Tesla y otros, la parte del chasis y la estructura lateral del vehículo funcionan como la placa inferior y los lados de la batería. En esta unión, la integridad del impacto, el ensamblaje preciso del paquete y el sellado robusto son primordiales.

"Cada OEM querrá un 'libro de estrategias': un menú de opciones basado en sus criterios, incluido el factor de forma de la celda, el tamaño de la batería y el vehículo", explicó Mario Greco, director de estrategia y marketing de Global Automotive, del especialista en aluminio Novelis. "Ninguna solución única para carcasas de baterías se adaptará a todos".

Por ejemplo, una solución de gran volumen puede ser un recinto estampado de una sola pieza. Podría incluir una estructura de refrigeración integrada porque la arquitectura del vehículo se presta a un diseño de celda a chasis en lugar de celda a paquete, dijo. "Creo que veremos una convergencia entre las arquitecturas unibody de 'patineta' y de próxima generación", dijo Greco, "porque los fabricantes OEM tradicionales que están incursionando en los vehículos eléctricos tienen arquitecturas unibody completamente nuevas que están diseñadas para servirles durante bastante tiempo". mientras."

A pesar de la importante carga de masa de los paquetes de baterías de litio refrigeradas por líquido, todavía es posible mejorar la reducción de masa de los vehículos eléctricos, según Gregor Klement, ingeniero jefe global de bandejas de baterías de Magna. "Mirando hacia el futuro, vemos una integración cada vez mayor de la batería en la carrocería del vehículo", afirmó, con metales ligeros y compuestos tanto desempeñando un papel importante. “Magna R&D está trabajando en soluciones de celda a chasis y vemos que los clientes miran en una dirección similar. Al eliminar piezas estructurales redundantes, vemos oportunidades de mejorar significativamente el peso y el costo”. Pero cree que el peso de la batería probablemente nunca se compensará por completo.

Dado que la electrificación de vehículos aún está en su fase incipiente, gran parte del desarrollo de subsistemas de vehículos eléctricos se encuentra en el camino crítico, dijo Jeremy Loveday, gerente de ingeniería de programas del Celestiq 2024 de superlujo de Cadillac. En este escenario, los Tier 1 ofrecen soluciones de corto y largo alcance para la evaluación de OEM. El concepto de caja de baterías 3 en 1 de DuPont presentado a finales de 2022 es un nuevo ejemplo de diseño modular que consolida la refrigeración de celdas, la interconexión eléctrica y los componentes estructurales. Su carcasa está fabricada con Zytel HTN de la compañía, una poliamida con base de nailon capaz de resistir altas temperaturas.

Según Frank Billotto, líder de desarrollo empresarial de materiales para baterías del grupo Movilidad y Materiales de DuPont, el concepto proporciona refrigeración semidirecta (las celdas se enfrían a través de sus pestañas) y un fácil montaje mediante interconexiones eléctricas. Dijo que el diseño permite baterías con mayor densidad de energía, mejorando la autonomía del vehículo y la eficiencia del paquete.

La “batalla por la caja” ha iniciado una nueva ola de creatividad entre ingenieros y científicos de materiales. Aproximadamente el 80 por ciento de los vehículos eléctricos actuales tienen una carcasa de batería de aluminio, pero los ingenieros se apresuran a notar que el campo está muy abierto para alternativas, según el tipo de vehículo, los ciclos de trabajo, los volúmenes y el costo.

"Creo que veremos más recintos de acero livianos en el futuro, principalmente en vehículos más pequeños y de menor alcance", dijo el Dr. Andreas Asfeth, Director Técnico de Automoción Norteamericana de Constellium, especialista en extrusiones y láminas de aluminio. Reconoció la “fuerte competitividad en costos” del acero y dijo que la importante penalización de peso del metal ferroso frente al aluminio no es un gran problema con las baterías de vehículos pequeños.

Pero en vehículos más grandes y de largo alcance, “la batería representa el valor del vehículo. Cuanto más grande es la batería, más sentido tiene el aluminio para los paquetes de baterías”, añadió Asfeth.

Los gabinetes de batería de aluminio generalmente ofrecen un ahorro de peso del 40 por ciento en comparación con un diseño de acero equivalente. Según Asfeth, las aleaciones más adecuadas para las carcasas de las baterías son la familia Al-Si-Mg-Cu de la serie 6000, aleaciones que también son altamente compatibles con el reciclaje al final de su vida útil, dijo. La solución actual de vanguardia para las placas inferiores es la aleación 6111 de alta resistencia con temple envejecido máximo, que reduce el peso en un 30 por ciento en comparación con la aleación de temple O 5754 de referencia, dijo.

Según Asfeth, analizando intensamente los requisitos de impacto de los vehículos, Constellium está desarrollando una aleación de la serie 4xxx "competitiva en costos" con un módulo E de 80 GPa y un límite elástico de 350 MPa. La aleación ofrece potencial para una reducción de peso del 40 por ciento. Añadió que los calibres y anchos de la serie 4xxx serán similares a los de la aleación de la serie 6000 y son compatibles con el conformado en frío convencional.

La aleación de la serie 6xxx, el caballo de batalla del aluminio, se utiliza en dos aleaciones extruidas avanzadas diferentes que sustentan un prototipo reciente de gabinete de doble marco Constellium. El marco interior (un segundo contrafuerte para proteger las células en caso de impacto) es de resistencia optimizada 6000 (familia HSA6). El refuerzo exterior, diseñado como zona de deformación, es una aleación dúctil 6000, familia HCA6. Sin embargo, el diseño del paquete podría cambiar si la industria pasa a baterías de litio de estado sólido, dijo Asfeth. "Es posible que veamos alguna función de soporte de carga en las propias celdas de la batería de estado sólido y, por lo tanto, menos demanda estructural en el gabinete", dijo.

Los proveedores de compuestos y plásticos no se dejan intimidar por el actual dominio del aluminio en las carcasas de las baterías de los vehículos eléctricos. Están desarrollando nuevas formulaciones y procesos destinados a igualar o superar el rendimiento y la competitividad de costes del metal ligero.

“Las baterías actuales utilizan mucho metal que no está optimizado. Fueron diseñados utilizando materiales y tecnologías existentes”, dijo Dhanendra Nagwanshi, líder global de automoción, baterías y sistemas eléctricos para vehículos eléctricos, del gigante termoplástico SABIC. Sostiene que, en comparación con el aluminio, los termoplásticos de nueva generación ofrecen ahorros masivos de entre el 30 y el 50 por ciento, según la aplicación. También ofrecen un rendimiento de impacto igual o mejor, un costo menor gracias a un ensamblaje simplificado y un menor impacto ambiental que el aluminio, afirmó.

La última innovación de SABIC apunta directamente a uno de los puntos débiles del aluminio: su altísima conductividad térmica. El aluminio comienza a derretirse aproximadamente a 1166 °F; Las temperaturas generadas por una fuga térmica interna pueden provocar incendios de baterías de hasta 2012 °F.

Nagwanshi destacó el desarrollo por parte de SABIC de un nuevo PP Stamax FR de fibra de vidrio larga con propiedades retardantes de llama “únicas”. “Cuando el material entra en contacto con el fuego, se carboniza. El carbón se convierte entonces en una capa aislante”, afirmó. Las pruebas de la compañía basadas en el estándar UL2596 para materiales de carcasas de baterías demostraron que el plástico puede soportar 1832 °F durante 30 minutos, "un umbral de temperatura en el que el aluminio se perforaría", añadió.

Actualmente, SABIC produce una cubierta de batería de PP resistente al fuego utilizada por Honda en el mercado chino. La cubierta elimina las mantas térmicas, lo que reduce el peso en un 40 por ciento en comparación con una cubierta metálica similar.

Se están desarrollando prototipos de módulos y baterías termoplásticas de próxima generación. Tri-Mack Plastics, con sede en Rhode Island, mostró recientemente gabinetes livianos y de alta resistencia fabricados con solo ocho capas de cinta de compuesto termoplástico reforzado con fibra de carbono (TPC) unidireccional, de un milímetro (0,040 pulgadas) de espesor. El director de ingeniería de procesos de la empresa, Ben Lamm, dijo que el material, combinado con el proceso de fabricación de Tri-Mack, ofrece nuevas oportunidades en geometría de piezas, consolidación de piezas y contramedidas EMI integradas.

También se apuntan a la caja de baterías nuevas novedades en familias de resinas y compuestos probados. Entre los proyectos de SABIC se encuentra una bandeja de batería para vehículos eléctricos totalmente de plástico con canales de refrigeración integrados y elementos de protección contra colisiones. Ofrece hasta un 12 por ciento de reducción de masa en comparación con un paquete de aluminio, afirmó Nagwanshi. También se están trabajando en estructuras híbridas integradas de plástico y metal basadas en el PP de fibra de vidrio larga Stamax FR. Las pruebas han demostrado que las estructuras cumplen con los requisitos de prueba de caída. Los ingenieros se sienten alentados por su capacidad para absorber una cantidad significativa de energía, como se requeriría en las pruebas de impacto lateral de vehículos.

Nagwanshi considera que los plásticos termoestables como el SMC son un competidor en algunos aspectos, pero critica el tipo de material como "no optimizado" debido a la necesidad de una manta térmica, así como a sus operaciones de fabricación secundarias. “Y no se pueden reciclar termoestables”, añadió.

Hugh Foran podría no estar de acuerdo con su colega de la industria. Como Director de Desarrollo de Nuevos Negocios/Nuevos Mercados en Teijin Automotive Technologies (proveedor de los paneles exteriores termoestables del Corvette C8), dijo que el triturado SMC tiene una variedad de aplicaciones de segundo uso. Para el mercado de vehículos eléctricos, Teijin se ha convertido en un importante proveedor de cubiertas superiores para cajas de baterías termoestables.

"Tenemos más de 30 de ellos en producción para varios vehículos eléctricos", dijo Foran a SAE Media. Las cubiertas superiores suelen ser un polímero cargado de retardante de fuego o una lámina de acero, que resisten el fuego interno durante períodos más largos que el aluminio y brindan protección contra choques. Pero el proveedor con sede en Japón está mirando más allá de las fundas para envases. Teijin también ha moldeado algunos prototipos de piezas de caja de batería en resinas fenólicas que resisten el calor hasta 1100 °F y se los ha proporcionado a los clientes para que los prueben.

¿La carcasa de la batería de los vehículos eléctricos de 2028 será significativamente diferente a la de 2023? "Con algunos clientes, vemos el cambio a baterías estructurales y de celda a chasis a partir de los próximos dos años", dijo Klement de Magna. “Otros están en la fase de concepto. Ya no está muy lejos, pero no estoy seguro de que todos vayan en esta dirección”.

Este artículo fue escrito por Lindsay Brooke, editora en jefe de la revista Automotive Engineering, SAE Media Group. Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de junio de 2023 de la revista Battery & Electrification Technology.

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