Batalla por la caja

Ya sea que los llame paquetes, cajas o bandejas, las estructuras que envuelven y protegen las celdas de la batería EV y su hardware de gestión térmica y eléctrica de apoyo se encuentran entre las principales prioridades de subsistemas de la industria. Optimizar el paquete de baterías implica una gran cantidad de opciones de fabricación y materiales, compensaciones de masa y paquete, disposiciones de seguridad y desafíos de diseño/ingeniería estructural, dijeron expertos de OEM y proveedores a SAE Media.

"¿Quiere que el paquete de baterías esté atornillado al vehículo o integrado en la estructura de la carrocería?" preguntó Darren Womack, gerente sénior del Departamento de Carrocería y Estructuras del grupo de I+D global de Magna. El estampado en caliente, el estampado en frío, el laminado, el hidroformado, la fundición y el acero, el aluminio, los compuestos y los termoplásticos están generando "discusiones animadas" en el desarrollo de empaques, dijo en una reunión reciente 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 EV en su plataforma circundante implica varias configuraciones. El diseño de celda a paquete, actualmente en producción en BYD, elimina la etapa del módulo intermedio y coloca las celdas directamente en el paquete. La tecnología de celda a chasis integra la celda de la batería con el chasis del vehículo, el accionamiento eléctrico 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, investigadas por Tesla y otros, la bandeja del chasis y la estructura lateral del vehículo se duplican como la placa inferior y los lados de la batería. En este matrimonio, la integridad al impacto, el ensamblaje preciso del paquete y el sellado robusto son primordiales.

"Cada OEM va a querer un 'libro de jugadas': 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, Global Automotive, en Novelis, especialista en aluminio. "Ninguna solución única para gabinetes de baterías se adaptará a todos".

Por ejemplo, una solución de alto volumen puede ser un gabinete estampado de una sola pieza. Podría incluir una estructura de enfriamiento 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 el 'monopatín' y las arquitecturas unibody de próxima generación", dijo Greco, "porque los titulares de OEM que están ingresando a los EV tienen arquitecturas unibody completamente nuevas que están diseñadas para servirles durante bastante tiempo". mientras."

A pesar de la carga de masa significativa de los paquetes de baterías de litio refrigeradas por líquido, las mejoras de reducción de masa EV aún son posibles, según Gregor Klement, ingeniero jefe global, bandejas de batería, en Magna. "Mirando hacia el futuro, vemos cada vez más la integración de la batería en la carrocería del vehículo", dijo, y los metales ligeros y los compuestos juegan 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 partes estructurales redundantes, vemos la oportunidad de una buena mejora en peso y costo". Pero cree que el peso de la batería probablemente nunca se compensará por completo.

Con la electrificación de vehículos aún en su fase incipiente, gran parte del desarrollo de subsistemas EV se encuentra en el camino crítico, dijo Jeremy Loveday, Gerente de Ingeniería de Programas para el superlujo Celestiq 2024 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 batería 3 en 1 de DuPont presentado a fines de 2022 es un nuevo ejemplo de diseño modular que consolida el enfriamiento de celdas, la interconexión eléctrica y los componentes estructurales. Su carcasa está hecha de Zytel HTN de la compañía, una poliamida a base de nailon capaz de resistir altas temperaturas.

Según Frank Billotto, líder de desarrollo comercial de materiales para baterías en el grupo de Movilidad y Materiales de DuPont, el concepto proporciona enfriamiento semidirecto (las celdas se enfrían a través de sus pestañas) y un fácil ensamblaje a través de 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 señalar que el campo está abierto para alternativas, según el tipo de vehículo, los ciclos de trabajo, los volúmenes y el costo.

"Creo que veremos más gabinetes de acero livianos en el futuro, principalmente en vehículos más pequeños y de menor alcance", dijo el Dr. Andreas Asfeth, director técnico, automotriz de América del Norte en Constellium, especialista en extrusiones y láminas de aluminio. Reconoció la "fuerte competitividad de costos" del acero y dijo que la importante penalización de peso del metal ferroso en comparación con el 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 aluminio tiene sentido para los paquetes de baterías", agregó Asfeth.

Los gabinetes de batería de aluminio generalmente brindan 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 de vanguardia actual para las placas inferiores es la aleación 6111 de alta resistencia con temple de envejecimiento máximo, lo que reduce el peso en un 30 por ciento en comparación con la aleación 5754 O-temper de referencia, dijo.

Mirando intensamente los requisitos de impacto del vehículo, Constellium está desarrollando una aleación de la serie 4xxx de "costo competitivo" que cuenta con un módulo E de 80 GPa y un límite elástico de 350 MPa, según Asfeth. La aleación ofrece potencial para una reducción de peso del 40 por ciento. Agregó 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 celdas en caso de impacto) tiene una 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 las baterías de litio de estado sólido, dijo Asfeth. "Podemos ver 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 recinto", dijo.

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

"Los paquetes de baterías actuales utilizan una gran cantidad de metal que no está optimizado. Fueron diseñados utilizando materiales y tecnologías existentes", dijo Dhanendra Nagwanshi, líder mundial en automoción, baterías y componentes eléctricos para vehículos eléctricos, en el gigante termoplástico SABIC. Argumenta que, en comparación con el aluminio, los termoplásticos de nueva generación ofrecen ahorros masivos del 30 al 50 por ciento según la aplicación. También ofrecen un rendimiento de impacto igual o mejor, menor costo a través del ensamblaje simplificado y menos impacto ambiental que el aluminio, afirmó.

La última innovación de SABIC apunta directamente a una de las debilidades del aluminio: su altísima conductividad térmica. El aluminio comienza a derretirse a aproximadamente 1166 °F; las temperaturas generadas por una fuga térmica interna pueden provocar incendios en la batería de hasta 2012 °F.

Nagwanshi destacó el desarrollo de SABIC de un nuevo PP de fibra de vidrio largo Stamax FR con propiedades ignífugas "únicas". "Cuando el material entra en contacto con el fuego, se carboniza. El carbón se convierte en una capa aislante", dijo. Las pruebas de la compañía basadas en el estándar UL2596 para los materiales de la carcasa de la batería demostraron que el plástico puede soportar 1832 °F durante 30 minutos, "un umbral de temperatura en el que el aluminio se perforaría", agregó.

SABIC produce actualmente una cubierta de batería de PP resistente a las llamas que utiliza 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 de metal similar.

Se están desarrollando prototipos de módulos y paquetes de baterías termoplásticas de última generación. Tri-Mack Plastics, con sede en Rhode Island, mostró recientemente recintos livianos y de alta resistencia hechos de solo ocho capas de cinta compuesta termoplástica reforzada con fibra de carbono (TPC) unidireccional, de un milímetro (0,040 pulgadas) de espesor. El Gerente de Ingeniería de Procesos de la compañía, 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.

Los nuevos giros en las familias de resinas y compuestos probados también están destinados a la caja de la batería. Entre los proyectos de SABIC se encuentra una bandeja de batería EV completamente de plástico con canales de enfriamiento integrados y elementos de protección contra choques. 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 largo 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 energía significativa, como se requeriría en las pruebas de impacto lateral del vehículo.

Nagwanshi considera que los plásticos termoestables como 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 secundaria. "Y no se pueden reciclar los termoestables", agregó.

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 C8 Corvette), dijo que el triturado de 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 de 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 una lámina de acero o un polímero cargado con retardador de fuego, que resisten el fuego interno durante períodos más largos que el aluminio y brindan protección contra choques. Pero el proveedor con sede en Japón va más allá de las cubiertas de los paquetes. Teijin también ha moldeado algunos prototipos de piezas de cajas de baterías en resinas fenólicas que resisten el calor a 1100 °F y se las ha proporcionado a los clientes para que las prueben.

¿Será la carcasa de la batería EV de 2028 significativamente diferente a la de 2023? "Con algunos clientes, vemos el cambio a las 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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