Batterie per veicoli elettrici: riduzione del peso

Continental Structural Plastics (CSP), insieme alla società madre Teijin, ha presentato un’innovativa tecnologia a nido d’ape per pannelli di classe A e un avanzato involucro polimaterico per batterie per veicoli elettrici che potrà essere stampato utilizzando qualsiasi formulazione composita proprietaria di CSP. Queste tecnologie dei componenti sono state sviluppate presso il nuovo Centro di tecnologie avanzate (Advanced Technologies Center) sito a Auburn Hills, nel Michigan.

Il Centro tecnologie avanzate è una struttura di 4.413 metri quadrati, 2.230 dei quali dedicati a iniziative di ricerca e sviluppo su materiali e processi di nuova generazione, nato per consentire a CSP e a Teijin di andare oltre i semplici materiali compositi stampati in lastre (sheet moulding compound, SMC) abbracciando nuovi mercati e tecnologie. Le attrezzature dell’impianto comprendono:

• una pressa da 4.000 tonnellate con sistema per vuoto,
• una pressa da 750 tonnellate con sistema per vuoto,
• una pressa da 400 tonnellate con tavola da 25,4 cm,
• 6 termoregolatori,
• 2 sistemi robotizzati Fanuc,
• Macchine di misura a coordinate (coordinate measuring machine, CMM).

Il team del Centro tecnologie avanzate comprende attualmente 5 ingegneri e progettisti. La divisione Tecnologie avanzate di CSP, insieme ai reparti Ricerca & sviluppo e Sviluppo dei prodotti, conta oltre 80 componenti tra ingegneri, progettisti e scienziati. Prima dell’acquisizione di CSP da parte di Teijin, questo impianto era un centro di ricerca e sviluppo di Teijin, ed è qui che è stato sviluppato il processo di produzione Sereebo. Si tratta del processo attualmente in uso per la realizzazione dei cassoni per pickup GMC Sierra Denali CarbonPro, i primi cassoni in fibra di carbonio del settore a cui è stato conferito il premio Pace.

“Stiamo sviluppando qui tecnologie e processi che sfruttano le competenze di CSP e Teijin nel campo della produzione di compositi termoplastici e termoindurenti per offrire ai nostri clienti nuove opzioni di impiego nei veicoli attuali e futuri”, ha dichiarato Hugh Foran, direttore esecutivo per lo sviluppo di nuove attività, nuovi mercati e nuove tecnologie. “Possiamo ridurre il peso incrementando al contempo la durata e la sicurezza per gli occupanti, tutte caratteristiche chiave richieste per i veicoli elettrici, connessi e a guida autonoma”.

Involucri polimaterici di batterie per veicoli elettrici

CSP si sta attualmente dedicando allo sviluppo e alla produzione di più di 34 diverse coperture per i contenitori delle batterie per veicoli elettrici sia negli Stati Uniti sia in Cina. Per ampliare la sua offerta e proporre involucri per batterie per veicoli elettrici di qualità superiore, CSP e Teijin hanno sviluppato un involucro per batterie polimaterico di grandi dimensioni caratterizzato da una copertura composita monoblocco e da un contenitore composito monoblocco con rinforzi in acciaio e alluminio.

I costruttori di autovetture si trovano ad affrontare diversi problemi con gli attuali involucri per batterie per veicoli elettrici multi-pezzo in acciaio e alluminio, tra cui il peso complessivo dei contenitori (generalmente superiore a 450 kg) e la necessità di più saldature, dispositivi di fissaggio e bulloni che possono in ultima analisi dare luogo a perdite. Stampando contenitore e copertura come un unico pezzo, CSP ha creato un sistema più facile da sigillare e certificabile prima della spedizione. La società è in attesa del rilascio di due brevetti sia per l’innovativo contenitore sia per i sistemi di fissaggio.

L’azienda ha anche sviluppato un telaio di supporto utilizzando un espanso strutturale per l’assorbimento dell’energia che consente di ridurre spessore e peso del telaio, migliorando al contempo le prestazioni antiurto. Gli altri vantaggi degli involucri per batterie polimaterici comprendono:

• assenza di conduttività,
• possibilità di stampaggio in forme complesse,
• minore complessità della strumentazione,
• elevata resistenza,
• stabilità dimensionale,
• sigillatura in fase di stampaggio,
• possibilità di schermatura in fase di stampaggio, anche con protezione EMI e RFI,
• resistenza alla corrosione,
• costo ridotto della strumentazione.

Nel complesso, gli involucri per batterie polimaterici di CSP risultano più leggeri del 15% rispetto a un normale contenitore per batterie in acciaio. Nonostante il peso sia identico a quello degli involucri in alluminio, l’involucro di CSP offre una migliore resistenza alle temperature rispetto all’alluminio, soprattutto se si utilizzano sistemi a base di resine fenoliche. Essendo priva di fori, inoltre, la struttura monoblocco del contenitore fa sì che non siano necessari sigillanti o sigillature. In questo modo non solo si elimina il rischio di perdite, ma si riducono anche complessità e costi di produzione complessivi.

Possibilità legate ai materiali

Molti dei vantaggi non potrebbero essere conseguiti senza le avanzate sostanze chimiche composite sviluppate dal team di ricerca e sviluppo dei materiali di CSP. L’assortimento di compositi avanzati a disposizione consente ai clienti di scegliere per la base o la copertura la formulazione più rispondente alle proprie specifiche. Le opzioni applicabili ai materiali per gli involucri per batterie di CSP comprendono:

• Tradizionale sistema ATH (triidrato di alluminio) con poliestere/vinilestere ad alto riempimento, che utilizza sostanze chimiche convenzionali di stampaggio con materiali compositi in fogli (sheet moulding compound, SMC); può essere facilmente adattato alla strumentazione esistente in modo da raggiungere eccellenti prestazioni di base con il progetto giusto.
• Sistema intumescente, che utilizza sostanze chimiche simili a quelle usate nei processi SMC tradizionali, ma con prestazioni migliori in termini di infiammabilità e fuga termica (runaway).
• Sistema fenolico, ideale per le applicazioni ad alte temperature in cui i componenti devono soddisfare requisiti antincendio, di emissioni di fumi, combustione e tossicità. I sistemi fenolici vantano caratteristiche eccellenti in termini di ritardo di fiamma, resistenza chimica e termica, e non conduttività elettrica.

Ognuna delle sostanze chimiche in questione può essere adattata utilizzando diversi tipi o formati di fibre (per esempio vetro/carbonio/mescole/altro, continue e/o tagliate) e formulata in modo da soddisfare i più rigorosi requisiti COV (composti organici volatili).

“Il lavoro attualmente svolto presso il Centro tecnologie avanzate, unitamente ai progressi nei materiali ottenuti nel nostro impianto di ricerca e sviluppo della sede centrale, consente a CSP di mantenere una posizione di leadership nel comparto dei compositi avanzati, consacrandoci tra i principali protagonisti globali nel campo dei prodotti polimaterici”, ha dichiarato Steve Rooney, amministratore delegato di CSP. “Utilizzando le competenze apportate da Teijin nel campo dei materiali e della fibra di carbonio, stiamo sviluppando soluzioni leggere che consentano ai nostri clienti di pensare in modo innovativo in fase di progettazione dei veicoli.”