3 февруари 2020 г., 8:00 ч

От Лин Браун, Consulting Collaborative и Роб Нелсън, Almag Aluminium.

През първите девет месеца на 2019 г. се изчислява, че близо 175 000 електрически превозни средства с акумулаторни батерии (BEV) са били продадени в САЩ 1 Не е изненадващо, че почти 80% са имали логото на Tesla на гърба, като 80% от тях са бързо продаваният модел 3. Това, което може да е изненадващо, е, че в момента в САЩ се продават 13 други BEV, освен Tesla, в САЩ Chevy, със своя Bolt, е водещото предложение извън Tesla, с около 7,5% от пазара. След това има Nissan (Leaf), Audi (e-tron), BMW (i3), VW (скоро ще бъде заменен e-Golf), Jaguar (i-Pace) и редица предложения на Kia/Hyundai.

Пазарът обаче е на път да стане много по-динамичен, с множество нови BEV предложения от различни класове превозни средства и ценови точки. През пролетта ще видим пускането на спортна кола Taycan с 4 врати на Porsche в САЩ, заедно с кросоувъра Mercedes EQC. След това по-късно през 2020 г. още три нови кросоувъри: Model Y на Tesla, Ford току-що обявения Mustang Mach-E и ID на VW ID.4, заедно с XC40 BEV на Volvo (Фигура 1) и Mini Cooper SE. Също така, в края на 2020 г. очакваме да видим първата от пикапната вълна, R1T на Rivian, последвана от Cybertruck на Tesla, F-150, задвижвана от батерии на Ford, и пикап, задвижван от GM на батерия през 2021 г. Очакваме още едно предложение от Audi, e-tron GT, през 2021 г. Планирани за 2022 г. са SUV-та от Rivian (R1S), Lincoln (базиран на Rivian платформа) и Cadillac. И това са само обявените в момента стартирания от големите автомобилни производители; има още много в тръбопровода.

последствия
Фигура 1. Volvo пусна XC40 като първото превозно средство в своята електрифицирана гама автомобили. Автомобилът е снабден с екструдирана алуминиева тава за батерии.

Прогнозите са, че продажбите на BEV в Северна Америка могат да нараснат до около 1 милион бройки годишно (около 6% от пазара) до 2025 г., благодарение на увеличените предложения, намалените разходи за батерии, подобрения обхват и разширените мрежи за зареждане. Въз основа на исторически и прогнозирани намаления в разходите за батерии, се очаква, че BEV и превозните средства с конвенционален двигател с вътрешно горене (ICE) ще бъдат на първоначален паритет на разходите (без субсидиите) до 2024/26. С паритета на разходите, производителността и оперативните икономии трябва да наклонят баланса в посока на BEV.

Дали 1 милион BEV се продават през 2025 г. или не, става ясно - от развитието на технологията и ангажимента на наследниците на автомобилните производители - че BEV ще бъдат все по-важна част от нашето автомобилно бъдеще през следващото десетилетие. И така, какво означава това за екструдиране на алуминий? (Забележка: тази статия се фокусира изключително върху BEV и не се занимава с хибридни превозни средства, включени или не.)

Ролята на екструдирането

Екструдирането на алуминий трябва да играе жизненоважна роля в BEV. Първо, теглото на акумулаторната система прави олекотяването на другите системи на автомобила още по-важно, и второ, атрибутите на екструдирането го правят основен претендент за корпус и охлаждане на акумулаторната система, както и съображение за корпусите на електрическите двигатели.

Тегло и обхват

BEV са тежки и теглото ограничава обхвата на шофиране. Ducker Worldwide изчислява, че e-Golf на VW (скоро ще бъде заменен от ID.4) е с над 500 фунта по-тежък от ICE версията на същото превозно средство. Въпреки че 500 lbs от двигателя ICE на автомобила, трансмисията, изпускателната система и горивната система са премахнати, те са заменени от над 1000 lbs батерии, двигатели, органи за управление и кабели в BEV. Подобна е историята за Tesla S, с батерия от 1200 lb (27% от теглото на превозното средство) във версията с мощност 85 kWh и Chevy Bolt с батерия от 960 lb (66 kWh, 26% от теглото на превозното средство).

Плътността на енергията на батериите се увеличава, но като се има предвид „притеснение от обхвата“ сред купувачите на BEV, вероятно ще видим, че подобрението завършва с увеличаване на обхвата, а не с намалено тегло. И това не е единственото повишаване на теглото, което предизвиква автомобилните диетолози. Успоредно с това виждаме допълнителна тежест за хардуера на усъвършенствани системи за подпомагане на водача (ADAS). Въпреки че истинското автономно шофиране (ниво 5) все още е далеч, много от ключовите елементи вече се добавят към автомобилите. Много нови превозни средства (особено технически усъвършенствани) вече разполагат със системи за предупреждение при напускане на лентата (1,2 lbs) и системи за предупреждение за автоматично сблъскване/автоматични спирачки (още 6,5 lbs). 2 McKinsey & Company изчислява, че когато се вземат предвид всички сензори, процесори и кабели и т.н. за пълна автономност от ниво 5, ще се получат още 300-400 lbs маса.

Екструдирането (и други алуминиеви компоненти) е доказано ефективно за намаляване на масата. Очакваме да видим все повече екструзии, използвани в приложения като напречни греди/инструментални панели, носове на покрива и напречни елементи на купето. Простото заместване на екструдирани форми с алтернативни материали обаче не е непременно печеливша стратегия. Все по-често виждаме използването на сложни кухини с по-тънки стени за допълнително олекотяване на лекия материал, като същевременно отговаря на по-взискателните структурни и смачкващи характеристики.

Корпус на акумулаторната система

Грижата и боравенето с акумулаторната система представлява друга основна възможност за екструдиране - очевидна при скорошните въведения на BEV и получаването на интензивна разработка за предстоящи изстрелвания. Съвременните батерийни системи изискват най-малко: уплътняване от елементите, защита от сривове и удари на дъното и известно ниво на управление на топлината. Освен това те трябва да осигурят достъп за поддръжка и да отговарят на типичните нужди за лесно сглобяване, издръжливост и ефективност на разходите. Често изискванията са по-големи, тъй като корпусът на акумулатора се превръща в неразделна част от структурата на автомобила, с придружаващ принос за твърдостта на шасито и цялостното управление на катастрофите.

Много специално построени BEV използват платформа тип „скейтборд“, като тези за Rivian и платформата Volkswagen MEB (Фигури 2-3). Обикновено корпусите на акумулаторите са разположени между осите, като двигателите и системите за управление са монтирани над осите.

Фигура 2. Корпус на батерията за скейтборд Rivian и шаси. (Източник: Rivian.) Фигура 3. MEB модулен корпус и шаси на батерията. (Източник: Volkswagen.)

Загражденията консумират почти всички налични недвижими имоти между колелата, с ограждения за използване в джипове, обикновено 78-85 инча дълги, малко над 60 инча широки и 5-5,5 инча високи. За справка, междуосието на e-tron на Audi е около 115 инча дължина и 76 инча ширина, със сравними размери за Jaguar I-Pace на 117 инча дължина и 74,6 инча ширина.

Схемата за акумулаторната кутия на e-tron (Фигура 4) показва нетипичен подход със структура от решетка (или картонена кутия) за осигуряване и защита на модулите на батерията в рамка и долен капак, които осигуряват както защита, така и целостта на шасито.

Фигура 4. Корпус на акумулатора на Audi e-tron. (Източник: Audi.)

По-внимателният поглед върху кутията за батерии на VW MEB дава добра представа за компромисите, с които се борят днешните инженери. Изглежда, че сложна кухина с много кухини осигурява странична устойчивост на смачкване, както и осигурява цялостната структура на заграждението. Кутията е конструирана с линии, съединени със заварени ъгли. Алтернативни дизайни, които сме виждали заместващи ъглови възли за заварените ъгли. Кутията за Tesla's Model S (която също използва кутията като неразделна част от структурата на шасито) също е базирана на екструзия (Фигура 5), но с ъгли, очевидно оформени от огънати линии, и спомагателни елементи, осигуряващи странична защита.

Фигура 5. Кутия за батерии на Tesla Model S. (Източник: Тесла.)

Но какво да кажем за използването на подходи от други приложения за екструдиране, като непрекъсната огъната линия, използвана в багаж от висок клас (Фигура 6)? Използването на непрекъсната линейна елиминира множество механични съединения (с потенциала им за течове) в заобикалящата батерия, въпреки че може да се наложи по-тежки стени и фланци, за да се приспособят тесни радиус завои.

Фигура 6. Непрекъсната линия, използвана при рамкирането на багаж. (Източник: Almag.)

Термично управление на батерията

Оптималната производителност на батерията изисква температурата на батерията да се поддържа в рамките на дизайнерския прозорец - обикновено между 20 ° C и 40 ° C - и да има минимални вариации в температурата (3 Въпреки че има различни потенциални подходи за осигуряване на топлинно управление на пакет, непрякото течно охлаждане, обикновено с гликолов охлаждащ агент, циркулиращ през мрежа от тръби, е предпочитаното решение днес. Ранните Nissan Leafs използваха въздушно охлаждане, но проучване от Националната лаборатория за обновяване на енергия (NREL) заключава, че въздушното охлаждане изисква 2-3 умножен по енергията на течните системи. По подобен начин, NREL установява, че подходите за охлаждане на ребрата, които биха благоприятствали екструдирането, добавят значително тегло.

Докато основният подход към управлението на топлината на батерията (циркулиране на охлаждащата течност през тръби или тръби) е подобен на този, използван при превозни средства с лед, изпълнението очевидно е доста различно. Също така се различава значително сред BEV, например:

  • Porsche държи охладителната система извън кутията на акумулатора на новия си Taycan, залепвайки тръбите за охлаждащата течност към долната страна на кутията, за да позволи пренос на топлина.
  • Тесла поема по различен път, прокарвайки една екструдирана линия между банките на клетките, за да осигури пренос на топлина, като същевременно минимизира евентуалното изтичане.
  • BMW също така поставя охлаждащата система вътре в кутията, но отдолу, с батерийни модули, разположени в горната част на тръбата, циркулираща топлоносителя.

Независимо от архитектурата на охладителната система, основните изисквания са едни и същи и създават възможност за екструзия, както в охладителните тръби, така и в някои приложения - периферни устройства. Екструдираните тръби, като тази, използвана в алтернативни енергийни приложения (Фигура 7), консумират минимално пространство и включват външни назъбвания за подобряване на преноса на топлина. За друго приложение, свързано с охлаждането, моделът Tesla 3 използва екструдиран резервоар за кондензатор на охлаждаща течност. Кухината за резервоара е екструдирана с широк фланец от едната страна, който впоследствие е щампован, за да се елиминира излишният материал и да се създаде точката на закрепване.

Фигура 7. Екструдирана тръба за алтернативна енергия. (Източник: Almag.)

В допълнение към специфичните приложения за батериите, има потенциал за екструдиране в корпусите на системата за управление и, в по-малка степен, в корпусите на двигателя. Корпусът на мотора с променлив ток на BEV изглежда обещаващо приложение за екструдиране. Както при пакета батерии, управлението на топлината е ключов фактор и кухините с много кухини с периферни охлаждащи отвори, като този дизайн за електрически задвижващ агрегат за тежък камион (Фигура 8), могат да управляват добре тази задача. Този конкретен корпус включва 20 охлаждащи канала (в допълнение към отделен отвор за масло); каналите от своя страна имат назъбени вътрешности, подобно на охлаждащата тръба, което дава 12% увеличение на ефективната площ на охлаждащата повърхност.

Фигура 8. Пример за екструдиран корпус на двигателя (вляво) и корпус на двигателя под високо налягане (вдясно). (Източник: Almag.)

Често обаче двигателят е снабден с управляващи механизми, захранващи инверторни стойки и др., Което води до предпочитание към по-сложен корпус за отливане под високо налягане, без линейност на екструдирането ... макар и с по-предизвикателно изискване за охлаждане.

Материалът по избор?

Макар да е ясно, че алуминият може да играе основна роля в електрификацията на автомобила, не е задължително, че екструдирането ще бъде избраният формат. Novelis представи корпус за батерии с архитектура от алуминиев лист и както бе отбелязано по-горе отливките вероятно имат значителна роля за корпусите на мотора - и вероятно за корпусите на батериите. Въпреки това, Novelis позиционира техния дизайн на листове като най-подходящ за приложения с по-голям обем, а решенията за затваряне на акумулаторни батерии се появяват най-вероятно за по-малки заграждения, използвани в хибридни автомобили.

Понастоящем проектите, базирани на екструзия, изглеждат изключително атрактивно решение, като се вземат предвид разходите за инструментариум и времето за изпълнение, в допълнение към гъвкавостта на дизайна и обработката на екструдирането, носещи голямо тегло. Неотдавнашна оценка за SUV или акумулаторна батерия в мащаб показа, че разходите за леене на инструменти надвишават 750 000 долара, като времето за изпълнение се приближава до една година. За сравнение, базиран на екструзия дизайн, с осем до десет различни профила, изискваше обща инвестиция в инструментариум под 75 000 щатски долара, с време за изпълнение около шест седмици. Особено с дизайните, които се развиват толкова бързо, скоростта на разработка и разходите за инструментариум са убедителен аргумент.

Заключение

Въпреки че остава много несигурност относно темповете на проникване на BEV на северноамериканския пазар, ангажиментът към тази технология от Ford, GM и други със сигурност казва, че тази възможност е реална. И докато по същия начин остава несигурност относно крайния избор на материали, е също толкова ясно, че - поне в близко бъдеще - има значителна възможност за екструдиране на алуминий. С батерии за екструдиране, тежащи в диапазона 100-125 lb за по-големи превозни средства, и паралелната необходимост от непрекъснато олекотяване на други компоненти, пазарът на BEV със сигурност трябва да поддържа използването на екструзии в автомобила да нараства.

Препратки

  1. Loveday, Стивън, „Тримесечна карта с показатели за продажби на EV,“ InsideEVs, 4 декември 2019 г.
  2. Хартрик, Майкъл, „Политическа перспектива: Регламенти за икономия на гориво в САЩ и техните последици за олекотяването“, Алианс на автомобилните производители, Световно изложение за олекотяване, 9 октомври 2019 г.
  3. „Литиево-йонни батерии и методи за охлаждането им“, Dober Chemical Corp.

Забележка на редактора: Тази статия се появи за първи път в изданието на Light Metal Age от януари 2020 г. За да получите текущия брой, моля, абонирайте се .