Bataille pour la boîte

Que vous les appeliez packs, boîtes ou plateaux, les structures qui enveloppent et protègent les cellules de batterie EV et leur matériel de gestion électrique et thermique de soutien font partie des principales priorités du sous-système de l'industrie. L'optimisation de la batterie implique une multitude de choix de fabrication et de matériaux, des compromis de masse et d'emballage, des dispositions de sécurité et des défis de conception / ingénierie structurelle, ont déclaré des experts OEM et fournisseurs à SAE Media.

« Voulez-vous que la batterie soit boulonnée dans le véhicule ou intégrée à la structure de la carrosserie ? » », a demandé Darren Womack, responsable principal du département Carrosserie et structures du groupe R&D mondial de Magna. L'estampage à chaud, l'estampage à froid, le profilage, l'hydroformage, le moulage et l'acier, l'aluminium, les composites et les thermoplastiques suscitent tous des "discussions animées" sur le développement des emballages, a-t-il déclaré lors d'une récente réunion d'analystes.

Les OEM veulent clairement éliminer la structure redondante pour optimiser l'espace de l'emballage et réduire la masse et la complexité, a déclaré Womack. L'intégration de la batterie EV dans sa plate-forme environnante implique diverses configurations. La conception cell-to-pack, actuellement en production chez BYD, supprime l'étape du module intermédiaire, mettant les cellules directement dans le pack. La technologie cellule-châssis intègre la cellule de batterie au châssis du véhicule, à l'entraînement électrique et à la gestion thermique. Tous les composants de la batterie sont logés dans la carrosserie du véhicule en blanc, éliminant le pack séparé.

Dans de telles configurations, étudiées par Tesla et d'autres, le plateau du châssis et la structure latérale du véhicule servent également de plaque inférieure et de côtés de la batterie. Dans ce mariage, l'intégrité de l'impact, l'assemblage précis du pack et l'étanchéité robuste sont primordiaux.

"Chaque équipementier va vouloir un" livre de jeu "- un menu d'options basé sur ses critères, y compris le facteur de forme de la cellule, la taille de la batterie et le véhicule", a expliqué Mario Greco, directeur de la stratégie et du marketing, Global Automotive, chez le spécialiste de l'aluminium Novelis. "Aucune solution unique pour les boîtiers de batterie ne conviendra à tout le monde."

Par exemple, une solution à volume élevé peut être un boîtier monobloc estampé. Il pourrait inclure une structure de refroidissement intégrée, car l'architecture du véhicule se prête à une conception cellule-châssis par rapport à une cellule-pack, a-t-il déclaré. "Je pense que nous verrons une convergence entre les architectures 'skateboard' et monocoque de nouvelle génération", a déclaré Greco, "parce que les fabricants OEM qui se lancent dans les véhicules électriques ont de toutes nouvelles architectures monocoque conçues pour les servir pendant un certain temps."

Malgré la charge de masse importante des batteries au lithium refroidies par liquide, des améliorations de la réduction de masse des véhicules électriques sont toujours possibles, selon Gregor Klement, ingénieur en chef mondial, Battery Trays, chez Magna. "En regardant vers l'avenir, nous voyons de plus en plus d'intégration de la batterie dans la carrosserie du véhicule", a-t-il déclaré, les métaux légers et les composites jouant tous deux un rôle. "Magna R&D travaille sur des solutions cellule-châssis, et nous voyons des clients regarder dans la même direction. En éliminant les pièces structurelles redondantes, nous voyons une opportunité pour une bonne amélioration du poids et du coût." Mais il estime que le poids de la batterie ne sera probablement jamais complètement compensé.

Alors que l'électrification des véhicules n'en est encore qu'à ses balbutiements, une grande partie du développement des sous-systèmes de véhicules électriques est sur le chemin critique, a déclaré Jeremy Loveday, responsable de l'ingénierie des programmes pour le superluxe 2024 Celestiq de Cadillac. Dans ce scénario, les Tier 1 proposent des solutions à courte et longue portée pour l'évaluation OEM. Le concept de boîtier de batterie 3 en 1 de DuPont dévoilé fin 2022 est un nouvel exemple de conception modulaire qui consolide le refroidissement des cellules, l'interconnexion électrique et les composants structurels. Son boîtier est en Zytel HTN de la société, un polyamide à base de nylon capable de résister à des températures élevées.

Selon Frank Billotto, responsable du développement commercial des matériaux pour batteries au sein du groupe Mobilité et matériaux de DuPont, le concept offre un refroidissement semi-direct (les cellules sont refroidies par leurs languettes) et un assemblage facile via des interconnexions électriques. Il a déclaré que la conception permet des batteries avec une plus grande densité d'énergie, améliorant l'autonomie du véhicule et l'efficacité de l'emballage.

La "bataille pour la boîte" a lancé une nouvelle vague de créativité parmi les ingénieurs et les scientifiques des matériaux. Environ 80 % des véhicules électriques actuels ont un boîtier de batterie en aluminium, mais les ingénieurs remarquent rapidement que le champ est grand ouvert pour des alternatives, en fonction du type de véhicule, des cycles de service, des volumes et du coût.

"Je pense que nous verrons plus de boîtiers en acier léger à l'avenir, principalement sur des véhicules plus petits et à plus courte autonomie", a déclaré le Dr Andreas Asfeth, directeur technique, North American Automotive chez Constellium, un spécialiste des extrusions et des feuilles d'aluminium. Il a reconnu la "forte compétitivité des coûts" de l'acier et a déclaré que la pénalité de poids significative du métal ferreux par rapport à l'aluminium n'est pas un gros problème avec les batteries de petits véhicules.

Mais dans les véhicules plus grands et à longue portée, "la batterie représente la valeur du véhicule. Plus la batterie est grande, plus l'aluminium a de sens pour les batteries", a ajouté Asfeth.

Les boîtiers de batterie en aluminium offrent généralement une économie de poids de 40 % par rapport à une conception en acier équivalente. Selon Asfeth, les alliages les mieux adaptés aux boîtiers de batteries sont la famille Al-Si-Mg-Cu de la série 6000 - des alliages qui sont également hautement compatibles avec le recyclage en fin de vie, a-t-il déclaré. La solution de pointe actuelle pour les plaques inférieures est l'alliage 6111 à haute résistance en état de pointe, qui réduit le poids de 30% par rapport à l'alliage de référence 5754 O-temper, a-t-il déclaré.

En examinant intensément les exigences d'impact des véhicules, Constellium développe un alliage de la série 4xxx "coût compétitif" offrant un module E de 80 GPa et une limite d'élasticité de 350 MPa, selon Asfeth. L'alliage offre un potentiel de réduction de poids de 40 %. Il a ajouté que les calibres et les largeurs de la série 4xxx seront similaires à l'alliage de la série 6000 et sont compatibles avec le formage à froid conventionnel.

L'alliage de la série 6xxx, le cheval de bataille de l'aluminium, est utilisé dans deux alliages extrudés avancés différents qui sous-tendent un récent prototype de boîtier à double cadre Constellium. Le cadre intérieur (un deuxième contrefort pour protéger les cellules en cas de choc) est en 6000 à résistance optimisée (famille HSA6). Le renfort extérieur, conçu comme une zone de déformation, est un alliage ductile 6000, famille HCA6. La conception des packs pourrait cependant changer si l'industrie se tourne vers les batteries au lithium à semi-conducteurs, a déclaré Asfeth. "Nous pouvons voir une certaine fonction de support de charge dans les cellules de batterie à semi-conducteurs elles-mêmes et donc moins de demande structurelle sur le boîtier", a-t-il déclaré.

Les fournisseurs de composites et de plastiques ne sont pas découragés par la prédominance actuelle de l'aluminium dans les boîtiers de batteries de véhicules électriques. Ils développent de nouvelles formulations et de nouveaux procédés visant à égaler ou dépasser les performances et la compétitivité des coûts du métal léger.

"Les batteries actuelles utilisent beaucoup de métal qui n'est pas optimisé. Elles ont été conçues à l'aide de matériaux et de technologies existants", a déclaré Dhanendra Nagwanshi, Global Automotive Leader, EV Batteries and Electricals, chez le géant thermoplastique SABIC. Il avance que par rapport à l'aluminium, les thermoplastiques de nouvelle génération offrent un gain de masse de 30 à 50 % selon l'application. Ils offrent également des performances d'impact égales ou supérieures, un coût inférieur grâce à un assemblage simplifié et un impact environnemental moindre que l'aluminium, a-t-il affirmé.

La dernière innovation de SABIC vise directement l'une des faiblesses de l'aluminium : sa conductivité thermique très élevée. L'aluminium commence à fondre à environ 1166 °F ; les températures générées par un emballement thermique interne peuvent entraîner des incendies de batterie aussi chauds que 2012 ° F.

Nagwanshi a noté le développement par SABIC d'un nouveau PP à longue fibre de verre Stamax FR avec des propriétés ignifuges "uniques". "Lorsque le matériau entre en contact avec le feu, il se carbonise. Le charbon devient alors une couche isolante", a-t-il déclaré. Les tests de la société basés sur la norme UL2596 pour les matériaux de boîtier de batterie ont démontré que le plastique peut résister à 1832 ° F pendant 30 minutes - "un seuil de température où l'aluminium perforerait", a-t-il ajouté.

SABIC produit actuellement un couvercle de batterie en PP ignifuge utilisé par Honda sur le marché chinois. La couverture élimine les couvertures thermiques, réduisant le poids de 40 % par rapport à une couverture métallique similaire.

Des prototypes de batteries et de modules thermoplastiques de nouvelle génération sont en cours de développement. Tri-Mack Plastics, basé à Rhode Island, a récemment présenté des boîtiers légers et à haute résistance fabriqués à partir de seulement huit couches de ruban composite thermoplastique renforcé de fibres de carbone unidirectionnelles, d'une épaisseur d'un millimètre (0,040 pouce). Le directeur de l'ingénierie des procédés de la société, Ben Lamm, a déclaré que le matériau, combiné au processus de fabrication de Tri-Mack, offre de nouvelles opportunités dans la géométrie des pièces, la consolidation des pièces et les contre-mesures EMI intégrées.

De nouveaux rebondissements sur les familles de résines et les composés éprouvés sont également destinés au boîtier de la batterie. Parmi les projets de SABIC figure un plateau de batterie EV entièrement en plastique avec des canaux de refroidissement intégrés et des éléments de protection contre les collisions. Il offre jusqu'à 12% de réduction de masse par rapport à un pack en aluminium, a affirmé Nagwanshi. Des structures hybrides plastique-métal intégrées basées sur le PP à fibres de verre longues Stamax FR sont également en cours de réalisation. Les tests ont démontré que les structures répondent aux exigences des tests de chute. Les ingénieurs sont encouragés par sa capacité à absorber une énergie importante, comme cela serait requis dans les essais de collision latérale des véhicules.

Nagwanshi considère les plastiques thermodurcissables tels que SMC comme un concurrent à certains égards, mais critique le type de matériau comme "non optimisé" en raison de la nécessité d'une couverture thermique, ainsi que de ses opérations de fabrication secondaires. "Et vous ne pouvez pas recycler les thermodurcissables", a-t-il ajouté.

Hugh Foran pourrait être en désaccord avec son collègue de l'industrie. En tant que directeur du développement des nouvelles affaires / des nouveaux marchés chez Teijin Automotive Technologies (fournisseur des panneaux extérieurs thermodurcissables de la Corvette C8), il a déclaré que le rebroyé SMC avait une variété d'applications de seconde utilisation. Pour le marché des véhicules électriques, Teijin est devenu un fournisseur majeur de couvercles supérieurs de boîtiers de batterie thermodurcissables.

"Nous en avons plus de 30 en production pour divers véhicules électriques", a déclaré Foran à SAE Media. Les couvercles supérieurs sont généralement en polymère ou en tôle d'acier ignifuge, qui résistent au feu interne pendant de plus longues périodes que l'aluminium et offrent une protection contre les collisions. Mais le fournisseur basé au Japon va au-delà des housses de pack. Teijin a également moulé des prototypes de pièces de boîtier de batterie dans des résines phénoliques qui résistent à la chaleur jusqu'à 1100 ° F et les a fournies aux clients pour les tester.

Le boîtier de batterie EV de 2028 sera-t-il significativement différent de celui de 2023 ? "Avec certains clients, nous voyons le changement vers les batteries structurelles et la cellule-châssis à partir des deux prochaines années", a déclaré Magna's Klement. "D'autres sont en phase de conception. Ce n'est plus très loin, mais je ne suis pas sûr que tout le monde ira dans cette direction."

Cet article a été rédigé par Lindsay Brooke, rédactrice en chef, magazine Automotive Engineering, SAE Media Group. Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de juin 2023 de Battery & Electrification Technology Magazine.

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