CIKK: A következő BEV hullám: következmények az extrudáláshoz

2020. február 3., 8:00

Lynn Brown, Consulting Collaborative és Rob Nelson, Almag Aluminium.

Becslések szerint 2019 első kilenc hónapjában közel 175 000 akkumulátoros elektromos járművet (BEV) adtak el az Egyesült Államokban. 1 Nem meglepő, hogy csaknem 80% -uk hátulján volt a Tesla logó, és ezek 80% -a volt a gyorsan fogyó modell 3. Az lehet a meglepő, hogy az Egyesült Államokban jelenleg a Tesla kivételével 13 másik BEV eladó. A Chevy és a Bolt a vezető nem Tesla kínálat, a piac mintegy 7,5% -ával. Aztán ott van a Nissan (Leaf), az Audi (e-tron), a BMW (i3), a VW (a hamarosan cserélhető e-Golf), a Jaguar (i-Pace) és számos Kia/Hyundai kínálat.

A piac azonban sokkal dinamikusabb lesz, számos új BEV kínálattal, különböző járműosztályokkal és áron. Tavasszal láthatjuk a Porsche 4 ajtós Taycan sportautójának piacra dobását az Egyesült Államokban, a Mercedes EQC crossoverrel együtt. Aztán később, 2020-ban még három új crossover: a Tesla Y modellje, a Ford most bejelentette a Mustang Mach-E-t és a VW ID.4-je, a Volvo XC40 BEV-jével (1. ábra) és a Mini Cooper SE-vel együtt. Emellett 2020 végén várhatóan az első pickup hullám, a Rivian R1T, majd a Tesla Cybertruck, a Ford akkumulátoros F-150 és egy GM akkumulátoros pickup következik 2021-ben. Az Audi további ajánlatát is várjuk, az e-tron GT 2021-ben. 2022-re tervezik a Rivian (R1S), a Lincoln (a riviai platformon alapuló) és a Cadillac terepjáróit. És ezek csak a nagy autógyártók által jelenleg bejelentett dobások; sokkal több van még folyamatban.

1. ábra: A Volvo elektromos járművének első járműjeként dobta piacra az XC40-et. Az autó extrudált alumínium akkumulátortálcát hajt végre.

Becslések szerint Észak-Amerikában a BEV eladásai 2025-re évi 1 millió egység közelébe (a piac mintegy 6% -ába) növekedhetnek a megnövekedett kínálat, az alacsonyabb akkumulátorköltségek, a jobb hatósugár és a kibővített töltési hálózatok miatt. Az akkumulátorok költségeinek korábbi és előre jelzett csökkenése alapján várhatóan 2024/26-ig a BEV-ek és a hagyományos belső égésű motorokkal (ICE) rendelkező járművek az első költségparitáson (a támogatások nélkül) lesznek. Költségparitás mellett a teljesítménynek és az üzemeltetési megtakarításoknak a BEV irányába kell döntenie az egyensúlyt.

Akár 1 millió BEV-t adnak el 2025-ben, akár nem, egyértelmű - a technológia fejlődéséből és a régi autógyártók elkötelezettségéből -, hogy a BEV-ek az elkövetkező évtizedben egyre fontosabb részei lesznek autóipari jövőnknek. Tehát mit jelent ez az alumínium extrudálásnál? (Megjegyzés: ez a cikk kizárólag a BEV-ekre összpontosít, és nem foglalkozik hibrid járművekkel, plug-in vagy sem.)

Az extrudálás szerepe

Az alumínium extrudálásnak létfontosságú szerepet kell játszania a BEV-ekben. Először is, az akkumulátorrendszer súlya még fontosabbá teszi a többi jármű rendszerének könnyűszerkezetét, másrészt az extrudálás tulajdonságai miatt jelentős versenyző az akkumulátorrendszer házának és hűtésének, valamint az elektromos motorházak megfontolásának.

Súly és hatótávolság

A BEV-ek nehézek, és a súly korlátozza a távolságot. A Ducker Worldwide becslése szerint a VW e-Golf-ja (amelyet hamarosan felvált az ID.4) több mint 500 kg-mal nehezebb, mint ugyanazon jármű ICE-változata. Habár az ICE jármű motorjának, sebességváltójának, kipufogórendszerének és üzemanyag-rendszerének 500 fontja eltávolításra kerül, a BEV-ben több mint 1000 font elemre, motorra, kezelőszervre és kábelre cserélik őket. Hasonló történet a Tesla S esetében: 1200 lb-os akkumulátorral (a jármű tömegének 27% -a) a 85 kWh-s változatban, és a Chevy Bolt 960 l-es akkumulátorával (66 kWh, a jármű tömegének 26% -ával).

Az akkumulátorok energia-sűrűsége növekszik, de a BEV vásárlók körében tapasztalható „távolsági szorongás” miatt valószínűleg látni fogjuk, hogy a javulás a megnövekedett hatótávolság, és nem a súly csökkenése. És ez nem az egyetlen súlygyarapodás, amely kihívást jelent az autóipari dietetikusok számára. Ezzel párhuzamosan további súlyt látunk a fejlett járművezető-támogató rendszerek (ADAS) hardvereinél. Habár az igazi autonóm vezetés (5. szint) még messze van, sok kulcsfontosságú elem már hozzáadódik az autókhoz. Sok új jármű (különösen a technikailag fejlett járművek) most már sávelhagyási figyelmeztető rendszerrel (1,2 font) és első ütközésjelző/automatikus fékrendszerrel (további 6,5 font) rendelkezik. 2 A McKinsey & Company becslései szerint, ha az összes érzékelőt, processzort és kábelt stb. Figyelembe vesszük a teljes 5. szintű autonómia érdekében, további 300–400 font tömegű eredményt kapunk.

Az extrudálás (és más alumínium alkatrészek) bebizonyosodott a tömeg csökkentésében. Arra számítunk, hogy egyre több extrudálást alkalmazunk olyan alkalmazásokban, mint a kereszttartó gerendák/műszerfalak, tetőívek és az alváz keresztirányú tagjai. Az extrudált formák egyszerű cseréje az alternatív anyagokkal azonban nem feltétlenül lesz nyerő stratégia. Egyre inkább azt látjuk, hogy a vékonyabb falú bonyolult üregek tovább könnyítik a könnyű anyagot, miközben megfelelnek az igényesebb szerkezeti és törési teljesítménynek is.

Az akkumulátor rendszer háza

Az akkumulátorrendszer gondozása és kezelése további nagy lehetőséget jelent az extrudálásokra - ez nyilvánvaló a BEV legutóbbi bevezetéseinél, és intenzív fejlesztési munkát kapott a közelgő dobásokra. Legalábbis a mai akkumulátoros rendszerek megkövetelik: az elemek lezárását, az ütközések és az alváz ütéseinek elleni védelmet, valamint a hőkezelés bizonyos szintjét. Ezenkívül karbantartási hozzáférést kell biztosítaniuk, és meg kell felelniük az összeszerelés, tartósság és költséghatékonyság megkönnyítéséhez szükséges tipikus igényeknek. Gyakran nagyobbak a követelmények, mivel az akkumulátorház a jármű szerkezetének szerves részévé válik, amely hozzájárul az alváz merevségéhez és az általános ütközéskezeléshez.

Számos erre a célra gyártott BEV használ egy „gördeszka” típusú platformot, ilyen a Rivian és a Volkswagen MEB platform (2-3. Ábra). Az akkumulátortartók általában a tengelyek között helyezkednek el, a tengelyek fölé szerelt motorokkal és vezérlőrendszerekkel.

2. ábra: Rivian gördeszka akkumulátor ház és alváz. (Forrás: Rivian.) 3. ábra: MEB moduláris elemház és ház. (Forrás: Volkswagen.)

A burkolatok gyakorlatilag az összes rendelkezésre álló ingatlant felemésztik a kerekek között, a terepjárókban használt burkolatok általában 78-85 hüvelyk hosszúak, alig több mint 60 hüvelykesek és 5-5,5 hüvelyk magasak. Összehasonlításképpen: az Audi e-tron tengelytávja körülbelül 115 hüvelyk hosszú és 76 hüvelyk széles, a Jaguar I-Pace összehasonlítható méretei 117 hüvelyk hosszúak és 74,6 hüvelykesek.

Az e-tron akkumulátor dobozának sematikus ábrája (4. ábra) egy nem atipikus megközelítést mutat be, rács típusú (vagy tojástartó) szerkezettel, amely rögzíti és védi az akkumulátor modulokat egy keretben és az alsó fedélben, amelyek mind védelmet, mind pedig védelmet nyújtanak. alváz integritása.

4. ábra: Audi e-tron akkumulátor ház. (Forrás: Audi.)

A VW MEB akkumulátor dobozának alaposabb áttekintése jó betekintést nyújt a kompromisszumokba, amelyekkel a mai mérnökök küzdenek. Úgy tűnik, hogy egy komplex, több üreges üreg oldalirányú törésállóságot biztosít, valamint biztosítja a ház teljes szerkezetét. A doboz hegesztett sarkokkal összekötött vonalakból készül. Alternatív kialakítások láthattuk a hegesztett sarkok helyettesített öntött sarokcsomópontjait. A Tesla Model S doboza (amely szintén a dobozt az alváz szerkezetének szerves részeként alkalmazza) szintén extrudáláson alapul (5. ábra), de láthatóan hajlított vonalakból vannak kialakítva, és oldalsó védelmet nyújtó kiegészítő elemek.

5. ábra: Tesla Model S akkumulátor doboz. (Forrás: Tesla.)

De mi a helyzet az extrudálási alkalmazások más megközelítéseinek, például a csúcsminőségű poggyászban használt folytonos hajlított vonalnak (6. ábra)? Folyamatos vonallánc használata kiküszöböli az akkumulátor burkolatának többszörös mechanikai csatlakozását (a szivárgás lehetőségével), bár nehezebb falakra és peremekre lehet szükség a szoros sugarú kanyarok befogadásához.

6. ábra Folyamatos vonal a poggyászkeretezés során. (Forrás: Almag.)

Az akkumulátor hőkezelése

Az akkumulátor optimális teljesítménye megköveteli, hogy az akkumulátor hőmérsékletét a tervezett ablakon belül tartsák - jellemzően 20 ° C és 40 ° C között -, és hogy a hőmérséklet minimális mértékben változik (3 Bár számosféle megközelítés létezik a hőkezelés biztosítására a készülékben) csomagolás, a közvetett folyadékhűtés, általában glikolos hűtőközeggel keringő csőhálózaton keresztül, a ma előnyben részesített megoldás. A korai Nissan Leafs léghűtést használt, de a National Renewal Energy Lab (NREL) tanulmánya arra a következtetésre jutott, hogy a levegő hűtéséhez 2-3 Hasonlóképpen, az NREL úgy találta, hogy az uszonyos hűtési módszerek, amelyek elősegítik az extrudálást, jelentős súlyt adnak.

Míg az akkumulátorok hőkezelésének (a hűtőfolyadék keringtetése csöveken keresztül) alapvető megközelítése hasonló az ICE járműveknél alkalmazotthoz, a végrehajtás nyilvánvalóan egészen más. Jelentősen eltér a BEV-k között is, például:

A Porsche az új Taycan akkumulátordobozán kívül tartja a hűtőrendszert, és a hűtőfolyadék-csöveket a doboz aljára ragasztja, hogy lehetővé tegye a hőátadást.
A Tesla más útvonalon halad, egyetlen extrudált vonallal kígyózva a sejtek között a hőátadás érdekében, miközben minimalizálja a lehetséges szivárgást.
A BMW a hűtőrendszert is a doboz belsejébe helyezi, de alul, a cső tetején ülő akkumulátor modulokkal keringve a hőátadó folyadékkal.

A hűtőrendszer architektúrájától függetlenül az alapvető követelmények megegyeznek, és lehetőséget nyújtanak az extrudálásra mind a hűtőcsövekben, mind - egyes alkalmazásokban - a perifériákban. Az extrudált csövek, mint amilyenek az alternatív energia-alkalmazásoknál használatosak (7. ábra), minimális helyet igényel, és külső fogazásokat tartalmaznak a hőátadás javítása érdekében. Egy másik hűtéssel kapcsolatos alkalmazáshoz a Tesla 3 modell extrudált hűtőfolyadék kondenzátor tartályt használ. A tartály üregét az egyik oldalán egy széles karimával sajtolják ki, amelyet később bélyegeznek a felesleges anyagok kiküszöbölése és a rögzítési pont létrehozása érdekében.

7. ábra: Extrudált cső az alternatív energia érdekében. (Forrás: Almag.)

Az akkumulátor-specifikus alkalmazások mellett extrudálásra van lehetőség a vezérlőrendszer házaiban, és kisebb mértékben a motorházakban is. A BEV váltóáramú motorjának háza ígéretes alkalmazásnak tűnik az extrudáláshoz. Az akkumulátorhoz hasonlóan a hőgazdálkodás is kulcsfontosságú tényező, és a körkörös hűtőnyílásokkal rendelkező több üreges üregek, mint például a nehéz teherautók elektromos meghajtóegységének kialakítása (8. ábra), szépen kezelhetik ezt a feladatot. Ez a ház 20 hűtőcsatornát tartalmaz (külön olajcsatlakozó mellett); a csatornák viszont fogazott belsővel rendelkeznek, hasonlóan a hűtőcsőhöz, amely 12% -kal növeli a tényleges hűtési felületet.

8. ábra: példa egy extrudált motorházra (balra) és egy nagynyomású öntött motorházra (jobbra). (Forrás: Almag.)

Gyakran azonban a motor vezérlő mechanizmusokkal, inverter-tartóval stb. Van ellátva, ami egy összetettebb, nagynyomású présöntvény-ház előnyben részesítését teszi lehetővé, az extrudálás linearitásától mentesen….

A választás anyaga?

Noha egyértelmű, hogy az alumínium nagy szerepet játszhat a járművek villamosításában, mégsem adott, hogy az extrudálás lesz a választott formátum. A Novelis bemutatta az alumínium lemez felépítésű akkumulátorházat, és amint azt a fentiekben megjegyeztük, az öntvényeknek valószínűleg jelentős szerepe van a motorházakban - és esetleg az akkumulátorházakban. A Novelis azonban a „nagyobb térfogatú” alkalmazásokhoz legmegfelelőbbnek találta a laptervét, és az öntött akkumulátor-ház megoldások valószínűleg a hibrid járműveknél használt kisebb házaknál jelennek meg.

Jelenleg azonban az extrudáláson alapuló tervek rendkívül vonzó megoldásnak tűnnek, szerszámköltséggel és átfutási idővel, az extrudálás tervezésén és feldolgozási rugalmasságán túl, nagy súlyuk van. A SUV vagy a pickup-méretű akkumulátor burkolatának legutóbbi becslése szerint az öntési szerszámköltségek meghaladják a 750 000 dollárt, az átfutási idő megközelíti az egy évet. Összehasonlításképpen: egy extrudáláson alapuló, nyolc-tíz különálló profilú tervezés teljes szerszámberuházást igényelt kevesebb, mint 75 000 dollár, körülbelül hat hét átfutási idővel. Különösen az ilyen gyorsan fejlődő tervek esetében a fejlesztési sebesség és a szerszámköltségek meggyőző érvet támasztanak.

Következtetés

Bár továbbra is sok a bizonytalanság az észak-amerikai piacon a BEV elterjedésének ütemével kapcsolatban, a Ford, a GM és mások elkötelezettségei e technológia iránt természetesen azt mondják, hogy a lehetőség valós. És bár a bizonytalanság továbbra is fennáll a végső anyagválasztással kapcsolatban, ugyanolyan egyértelmű, hogy - legalábbis a közeljövőben - jelentős lehetőség van az alumínium extrudálására. Az extrudáláson alapuló akkumulátorházak, amelyek nagyobb járművek esetében a 100-125 lb tartományban vannak, és a többi alkatrész folyamatos könnyűsúlyának szükségességével párhuzamosan szükség van a BEV piacra, minden bizonnyal folyamatosan növekszik az extrudálás autóipari felhasználása.

Hivatkozások

Loveday, Steven, „Negyedéves Plug-In EV Sales Scorecard”, InsideEVs, 2019. december 4.
Hartrick, Michael, „Szakpolitikai perspektíva: az USA üzemanyag-fogyasztási szabályai és következményei a könnyűsúlyozáshoz”, Autógyártók Szövetsége, Könnyűsúlyú világkiállítás, 2019. október 9.
„Lítium-ion akkumulátorcsomagok és hűtésük módszerei”, a Dober Chemical Corp.

A szerkesztő megjegyzése: Ez a cikk először a Light Metal Age 2020 januári számában jelent meg. Kérjük, fizessen elő, hogy megkapja az aktuális számot .