Use of extrusion technology in the development of high-voltage batteries of electric vehicles

全文:

Введение

Развитие автомобильной промышленности в условиях современной реальности ставит перед инженерами важные задачи, направленные в первую очередь на увеличение энергоэффективности создания и использования автотранспортного средства.

Одним из основных путей, направленных на достижение поставленной цели, является уменьшение массогабаритных показателей автомобилей, электромобилей и электромотоциклов. В настоящее время огромное внимание уделяется проблемам экологии в мире и, как следствие, разработчики вовлечены всё больше в создание электрических автотранспортных средств.

Главным образом, большее влияние на массогабаритные показатели электрического транспортного средства оказывает её тяговая аккумуляторная батарея (ТАБ), которая составляет 30–40% от её общей массы.

Одним из методов, направленных на снижение массы тяговой аккумуляторной батареи, является применение процесса экструзии при технологическом производстве деталей каркаса тяговой аккумуляторной батареи.

Экструзия как метод изготовления силовых элементов каркаса ТАБ

Оптимизация деталей, приводящая к последующему их облегчению, создаёт проблему, связанную с технологией производства. Сложная геометрия конструкции отрицательно сказывается на технологическом времени обработки детали, поэтому необходимо применять более сложные инструменты для обработки, а в некоторых случаях по результатам топологической оптимизации и вовсе невозможно изготовить деталь.

Применение технологии экструзии при изготовлении решает задачу производства оптимизированной конструкции.

Экструзия — это процесс протягивания заготовки через отверстия матрицы металла, нагретого до пластичного состояния (рис. 1) [8].

 

Рис. 1. Экструзия алюминиевого сплава.

Fig. 1. The aluminum alloy extrusion.

 

Благодаря использованию профильных дорнов в отверстиях матрицы изготавливаются изделия различной формы, выбираемой в зависимости от функционального назначения детали. В результате получаются необходимые по прочности и жёсткости профили с перегородками, показанными на рис. 2 (а–e).

 

Рис. 2. Сечения экструдированного профиля.

Fig. 2. Cross-sections of the extruded profiles.

 

В результате применения программированного перемещения дорнов относительно матрицы получаются профили с изменённым сечением по всей длине изделия рис. 2 (f–i).

Последовательность действий условного процесса экструзии имеет следующий вид. Алюминиевые слитки являются материалом при изготовлении профилей. Обычно они выглядят, как цилиндрические стержни длиной до 7 м (рис. 3). Эти заготовки могут иметь большой спектр диаметров, средний шаг составляет 25,4 мм, а стержни имеют диаметр от 152 до 228 мм и являются самыми распространёнными заготовками.

 

Рис. 3. Нарезка слитков цилиндрических стержней на заготовки.

Fig. 3. Blank cutting of ingots of cylindrical rods.

 

В контейнер пресса помещают часть заготовки. Профили заблаговременно нарезают из цилиндрической заготовки, длинной в диапазоне от 400 до 1000 мм (рис. 4). Процесс подачи отрезанной заготовки в печь нагрева цилиндрических стержней показан на рис. 4 [1, 2].

 

Рис. 4. Разогрев заготовки перед её экструзией.

Fig. 4. Heating of a blank before the extrusion of it.

 

Чистый алюминий переходит в фазу плавления при температуре около 660 °С. Содержание примесей и легирующих элементов снижают температуру плавления алюминиевых сплавов. Температура заготовок обычно составляет 400–480 °С на этапе загрузки в матрицу [7]. Химический состав сплава, сложность профиля и другие физико-механические параметры влияют на температуру нагрева стержня. Заготовка, разогретая непосредственно перед экструзией, визуально не отличается от обычной. Далее подготавливается определённая матрица для прессования заданного профиля (рис. 5).

 

Рис. 5. Установка матричного комплекта.

Fig. 5. Mounting the matrices set.

 

Стержень без усилия устанавливается пресс-штемпелем в контейнер с учётом того, что его диаметр на 4 мм больше диаметра заготовки. Далее пресс-штемпель давит в торец стержня с таким усилием, которое позволит материалу заготовки заполнить весь объём контейнера. Давление в контейнере возрастает по мере продвижения пресс-штемпеля, тем самым алюминий выходит через отверстия матрицы в виде профиля с заданным поперечным сечением (рис. 6).

 

Рис. 6. Установка заготовки в контейнер и прессование (экструзия) профиля.

Fig. 6. Setting up the blank in the container and profile pressing (extrusion).

 

В задней части контейнера остаётся всего 10% заготовки по завершению экструзии. В результате перемещения контейнера назад часть стержня извлекается из контейнера и отрезается. Данная часть заготовки называется пресс-остатком, что в свою очередь является продуктом для переплавки [3, 4].

Ввиду облегчения конструкции каркаса ТАБ после топологической оптимизации возможно применение набора экструдированных профилей вместо фрезерованных деталей. Рассмотрим в сравнении применение экструдированных профилей вместо фрезерованной плиты на боковине каркаса ТАБ электрического транспортного средства категории L.

Ниже на рис. 7 и 8 представлено сравнение 2-х типов конструкций плит боковых ТАБ электрического транспортного средства категории L по результатам топологической оптимизации одинаковыми пределами по прочности (σт).

 

Рис. 7. Фрезерованная плита из алюминиевого сплава Д16Т σт = 345 Мпа.

Fig. 7. The milled plate made of the D16T aluminum alloy (σт = 345 MPa).

 

Рис. 8. Плита, сваренная из экструдированного профиля 6066 σт = 360 Мпа.

Fig. 8. The plate welded with the extruded profile made of the 6066 aluminum alloy (σт = 360 MPa).

 

При одинаковых габаритных показателях масса фрезерованной плиты составляет 1,79 кг, а масса плиты, сваренной из экструдированного профиля, составляет 1,56 кг, что подтверждает преимущество применения технологии экструзии при изготовлении деталей и узлов.

На рис. 9 и 10 приведены в сравнении максимальные напряжения, возникающие в плитах при одинаковых входных параметрах: σт=350 МПа, условная нагрузка F=300 Н.

 

Рис. 9. Напряжения во фрезерованной плите из алюминиевого сплава Д16Т.

Fig. 9. Stresses in the milled plate made of the D16T aluminum alloy.

 

Рис. 10. Напряжения в плите, сваренной из экструдированного алюминиевого профиля 6066.

Fig. 10. Stresses in the plate welded with the extruded profile made of the 6066 aluminum alloy.

 

Также на рис. 9 и 10 представлены напряжения в наиболее критичных узлах деталей с различной технологией производства. Как можно заметить, при одинаковой нагрузке критические напряжения в фрезерованной детали в 2,5 раза выше, чем в узле, изготовленном из экструдированного профиля.

Исходя из проведённого теоретического эксперимента можно сделать вывод, что применение технологии экструзии в изготовлении деталей и узлов для каркаса ТАБ электрического транспортного средства приводит к сокращению технологического времени и увеличению прочности конструкции при одинаковых геометрических параметрах и массе. Следовательно, при применении экструдированных деталей существует возможность дополнительного уменьшения массы конструкции, что положительно влияет на энергоэффективность транспортного средства в целом [5, 6].

Основным недостатком экструдированных деталей является неизменность поперечного сечения по всей длине. Данный фактор накладывает некие ограничения на их применяемость, так как в конструкции необходимы отверстия (простые, резьбовые) для сборки узла и фиксации.

Для решения данной проблемы разработано решение с применением сквозных или глухих втулок, которые устанавливаются в экструдированный профиль и закрепляются в нем посредством сварки в инертном газе. На рис. 11 представлено решение по использованию втулок в экструдированном профиле.

 

Рис. 11. Применение втулки в экструдированном профиле.

Fig. 11. Use of a bushing in the extruded profile.

 

Данная технология позволяет использовать экструзированный алюминиевый профиль в качестве силового каркаса тяговой аккумуляторной батареи категории L.

Вывод

Применение технологического процесса при изготовлении деталей и узлов каркаса тяговой аккумуляторной батареи с использованием экструдированного алюминиевого профиля позволит снижать массу деталей в пределах 10% в сравнении с фрезерованными деталями.

Дополнительная информация

Вклад авторов. И.П. Дегтярёв — поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи, редактирование текста рукописи, создание изображений; Р.Х. Курмаев ― экспертная оценка, утверждение финальной версии. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Additional information

Authors’ contribution. I.P. Degtyarev ― search for publications, writing and editing the text of the manuscript, creating images; R.Kh. Kurmaev ― expert opinion, approval of the final version. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

作者简介

Ivan Degtyarev

Central Scientific and Research Automobile and Automotive Engines Institute NAMI

编辑信件的主要联系方式.
Email: ivan_degtyaryov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5378-6578
SPIN 代码: 1595-2704

Chief Design Engineer of the Information and Intelligent Systems Center

俄罗斯联邦, Moscow

Rinat Kurmaev

Central Scientific and Research Automobile and Automotive Engines Institute NAMI

Email: rinat.kurmaev@nami.ru
ORCID iD: 0000-0001-7064-0466
SPIN 代码: 6483-2444

Associate Professor, Cand. Sci. (Engineering); Director of the Research and Education Center

俄罗斯联邦, Moscow

参考

补充文件