يمكن القول إن أحد أهم المكونات في السيارة الكهربائية (EV) هو ما يحافظ على البطارية جافة وقوية وآمنة في حالة وقوع حادث أو حريق.

هناك العديد من المصطلحات المستخدمة لوصف هذا المكون: السكن، والغلاف، والصينية، والصندوق، والعلبة؛ تشمل المواد الرئيسية المستخدمة حاليًا في حاويات البطاريات الفولاذ والألمنيوم والبلاستيك.

ليس من المستغرب أن تكون حزمة بطارية السيارة الكهربائية الكاملة ثقيلة جدًا، حيث تمثل عادةً حوالي 40% من الوزن الإجمالي للسيارة؛ عند النظر في تركيبة مجموعة البطارية (الخلايا والوحدات، والإدارة الحرارية، ونظام إدارة البطارية (BMS)، والفواصل، وما إلى ذلك)، فمن السهل اكتشاف سبب كونها باهظة الثمن أيضًا، حيث يصل إجماليها إلى 50% من قيمة السيارة .

ولهذا السبب يجب التعامل مع البطاريات بعناية أثناء استخدامها وبعد استخدامها في السيارات الكهربائية؛ عندما تصل بطارية الطاقة في السيارة الكهربائية إلى نهاية عمرها الافتراضي، سواء من خلال إعادة التدوير أو الاستخدام الثانوي، فلا يزال لديها الكثير لتقدمه للعالم، لذلك يجب أن تكون بطارية الطاقة سهلة الفك وإعادة التدوير.

1. قابل للإزالة

لكن أغلفة البطاريات المستخدمة في السيارات الكهربائية الأولى التي تم إطلاقها بعد عام 2010، تم تصميمها بحيث تكون محكمة الغلق. يؤدي هذا إلى زيادة الحاجة إلى عدم الاختراق، ومقاومة الصدمات، ومقاومة الحرائق، ومقاومة الماء، ومقاومة العبث، مما يؤدي إلى بطاريات وعمليات إعادة التدوير يكاد يكون من المستحيل إصلاحها، وغالبًا ما يتطلب الأمر من الأشخاص الذين يرتدون البدلات الخطرة فتح الأغلفة الواقية. مفتاح استراتيجيات تصميم حاوية البطارية الحالية هو التفكيك، والحماية من الحرائق والحرارة، وأداء التصادم، وقابلية إعادة التدوير. لكن سوق بطاريات السيارات الكهربائية ينمو بسرعة، مع التغيرات المتكررة في كيمياء البطاريات، وأشكال تعبئة البطاريات (حزمة ناعمة، أسطوانية، موشورية) وتكنولوجيا البطاريات، كما أن وصول تكنولوجيا البطاريات ذات الحالة الصلبة يقترب. كل هذا له تأثير على حاويات بطارية السيارة الكهربائية.

وكما سنرى، فإن دور حاويات البطاريات في هياكل المركبات يتطور باستمرار، مما يزيد من المتطلبات الهيكلية، الأمر الذي يثير بدوره تساؤلات حول توفر المواد، وتقنيات الانضمام ومتطلبات الخدمة. يستخدم حوالي 80% من السيارات الكهربائية حاليًا أغلفة البطاريات المصنوعة من الألومنيوم، بينما يهيمن الفولاذ على الباقي، لكن حلول اللدائن الحرارية الجديدة توفر بديلاً خفيف الوزن ومبتكرًا للحلول المعدنية.

2. اختيار المواد قذيفة حزمة البطارية

يستمر الجدل القديم بين الفولاذ والألومنيوم في عالم أغلفة البطاريات، حيث يدعي كل مورد أنه أكثر ملاءمة من الآخر. يروج صانعو الصلب لمزاياها المتمثلة في القوة العالية والقابلية للتشكيل والإصلاح، فضلاً عن فعالية التكلفة وانخفاض كثافة الكربون أثناء الإنتاج مقارنة بالمواد الأخرى.

يمكن للحلول البلاستيكية أن تقلل الوزن، وتخفض التكاليف، وتحسن السلامة، وتقلل من التأثير البيئي من حيث إمكانية إعادة التدوير، كما أنها تنتج انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أقل من الفولاذ أو الألومنيوم.

حصلت (سابك) على جائزة إديسون عن غلاف البطارية البلاستيكية الحرارية لسيارة هوندا CR-V الهجينة. إن محلول راتينج الألياف الزجاجية من مادة البولي بروبيلين المصبوب بالحقن بوزن 6 كجم عبارة عن جزء كبير بقياس 1.6 م × 1 م وسمك 2 مم، مما يوفر لهوندا 10% من الوزن مقارنة بمحلول الفولاذ مع العزل، ويوفر 10% من التكلفة.

3. غلاف حزمة البطارية

ومن الواضح أن حاوية البطارية هي أكثر من مجرد صندوق بسيط، فهي مكون كبير للسلامة الهيكلية يؤدي دوره ومتطلبات الأداء إلى خلق فرص للإبداع والهندسة المبتكرة. بالنسبة لمورد المواد، ينعكس ذلك في برنامج التكامل متعدد الأجزاء (MPI)، الذي يجمع بشكل تسلسلي أجزاء متعددة مختومة من LWB (ورقة ملحومة بالليزر) في جزء مختوم على الساخن. تقليل عدد عمليات الانضمام المطلوبة.

4. الحماية الحرارية الهاربة

أحد مجالات التركيز الرئيسية لبطاريات السيارات الكهربائية هو الإدارة الحرارية والحماية من الانفلات الحراري، وهذا هو المكان الذي تتألق فيه اللدائن الحرارية. قامت منظمة السلامة UL Solutions بتطوير اختبار حراري صارم جديد يسمى UL 2596 ("طريقة اختبار الخواص الحرارية والميكانيكية لمواد حاوية البطارية") والذي يتضمن 25 خلية أسطوانية من المادة المراد التحقق منها. هارب حراري (18650) في علبة بطارية فولاذية. إن خصائص المواد البلاستيكية الحرارية من (سابك) هي أنه عندما تم تعريض عينة من المادة للهب عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية لأكثر من 5 دقائق في هذا الاختبار، كانت درجة الحرارة على جانب مجموعة البطارية أقل من 200 درجة مئوية، دون الحاجة إلى الحاجة إلى العزل الحراري المطلوب لأغلفة الألومنيوم والصلب. بطانية). وذلك لأن المواد البلاستيكية الحرارية التي طورتها (سابك) تبدأ في التفحم عند تعرضها للنار وتتوسع بمرور الوقت. وهذا يعني أنها لا تنقل الحرارة، وهي خاصية فريدة للمواد البلاستيكية الحرارية. مع مرور الوقت، مثل قوقعة السلحفاة، تصبح طبقة واقية ضد الحريق وانتقال الحرارة. تفشل المواد البلاستيكية القياسية في هذا الاختبار، لكن البلاستيك الذي يبلغ سمكه ملليمترًا ينجح في كل مرة. بالإضافة إلى ذلك، فإن صب الأصداف البلاستيكية الحرارية يمكن أن يلهم الإبداع ويزيد من تنوع المواد.

5. تبديل بطارية السيارة الكهربائية

هناك تطور خاص في تكنولوجيا بطاريات السيارات الكهربائية وهو أنه في استبدال البطارية، سيلعب الغلاف دورًا رئيسيًا، حيث ستعتمد إزالة البطارية وتخزينها بشكل آمن وفعال إلى حد كبير على أداء غلاف البطارية. حتى انسحاب شركة Better Place في عام 2013، بدا أن تبديل البطاريات له مكان في أي نظام بيئي للسيارات الكهربائية. لكن الأرقام آخذة في الارتفاع، خاصة بفضل شركتي صناعة السيارات الصينيتين Nio وGeely (تعمل LFT-G لصالح شركة Geely).

يعتقد أوفي فريس، رئيس قسم بناء الجسم وتجميعه وتفكيكه في معهد فراونهوفر للأبحاث الألماني لأدوات الآلات وتكنولوجيا التشكيل (IWU)، أنه إذا تم تحقيق استبدال بطارية التوصيل والتشغيل، فسيكون التأثير هائلاً. تتطلب الخبرة الفعلية بالطريقة التي يتم بها التعامل مع العناصر المشتركة حاويات إضافية للحماية من الصدمات وأنظمة مراقبة الحالة الضرورية لاكتشاف التعامل غير السليم. يتطلب كلا النظامين مكونات وتكلفة إضافية.

6. دور غلاف البطارية في الجسم باللون الأبيض

التطور الرئيسي الآخر في تكنولوجيا البطاريات الذي يؤثر على العبوات هو تطور دور بطاريات السيارات الكهربائية في الجسم باللون الأبيض. كانت أغلفة البطاريات في الأصل مكونًا داعمًا للهيكل باللون الأبيض، وأصبحت الآن أجزاء هيكلية من الجسم باللون الأبيض، ويستكشف صانعو السيارات البطاريات من البطارية إلى الجسم والبطاريات الهيكلية، حيث قد يكون تصميم الغلاف عاملاً رئيسيًا . بالنسبة لحزم البطاريات المدمجة في الهيكل باللون الأبيض، تعتبر صناعة الصلب حاليًا قادرة على المنافسة من حيث التكلفة والأداء فيما يتعلق بالأغطية العلوية للبطارية والأغطية السفلية والإطارات. يعد الألومنيوم حلاً فعالاً للغاية من خلية إلى بطارية مقارنة ببعض الخيارات الأخرى، بفضل موصليته الحرارية وتوفيره في الوزن. يمكن أن توفر حرية التصميم التي توفرها اللدائن الحرارية، في تصميمات البطارية إلى الهيكل، قيمة جيدة من حيث التكامل الوظيفي وإنتاج الأشكال الهندسية المعقدة مع انخفاض عدد المكونات.

7. مستدامة

ومع ذلك، فإن تطوير حزم البطاريات كمكونات هيكلية له آثار كبيرة على جوانب أخرى، لا سيما الإنتاج المستدام ودورة حياة المكونات والدائرية.

تركز معظم شركات صناعة السيارات على قابلية الإصلاح، لذلك يمكن في كثير من الأحيان الوصول إلى حافظات البطارية وإزالتها واستبدالها. لكنه أقر أيضًا بالنقص الحالي في قابلية الإصلاح. لن يقوم معظم التجار بإصلاح البطارية، بل سيرسلونها مرة أخرى إلى مصنعي المعدات الأصلية أو إلى أطراف ثالثة أخرى معينة للمعالجة. عندما يتعلق الأمر ببطاريات السيارات الكهربائية، فإن قابلية الإصلاح لا تقل أهمية عن قابلية إعادة التدوير، وأكثر كفاءة بكثير منها، في السعي لتحقيق النقل المستدام. يعد التطور السريع لتكنولوجيا بطاريات السيارات الكهربائية خبرًا جيدًا للمستهلكين. كما أنه يقدم فرصًا وتحديات مثيرة لشركات صناعة السيارات والموردين.

8. متطلبات الأداء لأغلفة بطارية السيارة الكهربائية

1) السلوك الميكانيكي
تعتبر صلابة غلاف البطارية ذات أهمية خاصة. في معظم السيارات الكهربائية، يعد غلاف البطارية جزءًا مهمًا من هيكل السيارة، ويلعب أدائه دورًا مهمًا في الصلابة العامة للجسم باللون الأبيض. يتطلب ذلك أن يفي غلاف حزمة البطارية بمتطلبات السلامة الخاصة بالصدمات الأمامية والجانبية.

2) الإدارة الحرارية وتثبيط اللهب
ميزة أخرى بغلاف حزمة البطارية المركبة هي أن التوصيل الحراري للمركبات المقواة بألياف الكربون أقل 200 مرة من تلك الخاصة بسبائك الألومنيوم، ولها عزل أفضل. لذلك، يمكن أن يتحمل غلاف حزمة البطارية المركبة بشكل أفضل من الأغلفة المعدنية التقليدية. أداء درجات الحرارة العالية والمنخفضة. تتراوح درجة حرارة التشغيل المثالية لبطاريات الليثيوم أيون شائعة الاستخدام حاليًا بين 10 و40 درجة مئوية، الأمر الذي يتطلب عمومًا إضافة نظام إدارة بارد/حراري. يتمتع الهيكل المركب بعزل حراري أفضل ويتطلب طاقة أقل في الظروف الحرارية، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة السيارة وتقليل استهلاك الطاقة الإجمالي. بالإضافة إلى التأثير الإيجابي على الإدارة الحرارية، يعد التوصيل الحراري المنخفض شرطًا أساسيًا ممتازًا لتثبيط اللهب بشكل فعال.
من خلال إضافة مثبطات اللهب، يمكن للأغلفة المركبة أن تلبي بسهولة متطلبات مثبطات اللهب مثل UL94-V-0 وUL94-5VB.

3) خصائص أخرى
بالإضافة إلى ذلك، يمكن لغلاف حزمة البطارية الساندويتش أن يلبي بشكل أفضل متطلبات الحماية من التآكل ويوفر ختمًا أفضل. يمكن تحقيق التدريع الكهرومغناطيسي في المناطق الحرجة من خلال تصميم طبقة الألياف ومحتوى حجم الألياف. في الوقت نفسه، يوفر تطبيق المواد المركبة مساحة أكبر للتصميم المتكامل، ويمكن دمج المكونات المحسنة ذات الصلة والمكونات الإضافية ومكونات التوصيل وأجهزة الاستشعار وما إلى ذلك في التصميم.

9.  تحليل عملية التصنيع وانعكاس قيمة المواد البلاستيكية الحرارية والمواد البلاستيكية المقواة في أغلفة البطاريات

بالمقارنة مع المكونات المعدنية، يمكن للأغلفة البلاستيكية ذات المساحة الكبيرة أن تقصر أوقات الدورات وتساعد على تقليل وزن السيارة، وبالتالي زيادة نطاق المركبات الكهربائية (EVs). قضت Lanxess وKautex Textron عدة سنوات في التعاون لمعرفة ما إذا كان يمكن تصميم أغلفة بطاريات السيارات الكهربائية وتصنيعها من اللدائن الحرارية الهندسية. باستخدام اللدائن الحرارية ذات الألياف الطويلة المباشرة (D-LFT) وراتنج البولياميد 6 (PA 6)، قاموا بتطوير عرض تكنولوجي في دراسة الجدوى. يبلغ قياس نظام البحث 1,400*1,400 مم (الطول*العرض) وهو عبارة عن حاوية بلاستيكية كبيرة ومعقدة تزن في نطاق الكيلوجرام المكون من رقمين. الهدف من المشروع البحثي هو إظهار مزايا اللدائن الحرارية على المعادن من حيث الوزن وخفض التكلفة والتكامل الوظيفي وخصائص العزل الكهربائي. وأوضح فيليكس هاس، مدير تطوير المنتجات في شركة كوستر: "كخطوة أولى، قمنا بالتخلص من استخدام الهياكل المعدنية المعززة وفي الوقت نفسه أثبتنا أنه يمكننا إنتاج هذه المكونات المعقدة والكبيرة تجاريًا". وأضاف الدكتور كريستوفر هوفس، مدير مشروع أنظمة الطاقة الإلكترونية في LANXESS: "تأمل Coaster وLANXESS في استخدام نتائج التعاون للدخول في مشاريع البحث والتطوير للإنتاج المتسلسل مع شركات تصنيع السيارات."