Nhôm định hình chiếm ưu thế trong “cuộc đua” chế tạo vỏ pin ô tô điện

27/02/2021 09:25
Chia sẻ:

Vỏ pin cho xe điện được chế tạo với mục đích cơ bản: đó là giữ và bảo vệ các mô-đun pin. Vỏ pin có nhiều hình dạng, kích thước, đồng thời có thể dễ dàng điều chỉnh cho phù hợp với các đặc tính khác nhau của các mô-đun pin.

Gần đây một số nhà sản xuất xe điện đã chuyển từ việc sử dụng thép sang nhôm cho thiết kế vỏ pin

Giống như các bộ phận khác của một chiếc xe, việc lựa chọn chất liệu cho vỏ pin cũng đã mở ra “cuộc chiến” giành thị phần sôi động cho một số vật liệu như nhôm, thép cường độ cao, sợi các-bon, ma-giê.... Hiện nay vỏ pin thường được làm từ thép (hoặc kết hợp giữa nhôm và thép), tuy nhiên về lâu dài thì nhôm dường như có ưu thế hơn, chủ yếu nhờ vào ưu điểm trọng lượng nhẹ và sở hữu các đặc tính kỹ thuật phù hợp. Các nhà sản xuất ô tô kỳ vọng rằng chi phí cho hệ thống pin (hiện chiếm từ 30 - 50% tổng chi phí của một chiếc ô tô điện) sẽ giảm trong tương lai.

VỎ PIN CẦN CÓ NHỮNG ĐẶC TÍNH GÌ?

Đối với vỏ pin, độ dẫn nhiệt giữ vai trò quan trọng thiết yếu bởi chúng phải luôn đảm bảo giữ nhiệt độ ổn định cho pin. Cấu trúc cũng là một phần ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và vòng đời của mô-đun pin, vì sự thay đổi nhiệt độ từ mô-đun này sang mô-đun khác trong bộ pin có thể làm giảm hiệu suất. Đồng thời, vật liệu phải có đủ độ bền và khả năng chống va đập để bảo vệ các mô-đun pin cũng như các bộ phận khác của xe khỏi bị hư hại.

Cấu trúc vỏ pin

Cấu hình sạc / xả của xe hybrid* (xe ô tô lai điện- HEV) nhìn chung mạnh hơn so với cấu hình của xe điện (EV), dẫn đến sinh nhiệt lớn hơn, do đó cần có hệ thống quản lý nhiệt cho xe hybrid. Hệ thống quản lý nhiệt phải nhỏ gọn, nhẹ, chắc chắn, dễ dàng lắp đặt và chi phí thấp.

Cáp kết nối cũng có thể làm tăng nhiệt cho các mô-đun. Để kiểm soát nhiệt độ của bộ pin trong phạm vi nhiệt độ tối ưu của nó, có thể cần phải bỏ bớt nhiệt từ các mô-đun khi thời tiết nóng và tăng thêm nhiệt khi thời tiết lạnh. Có thể quản lý và kiểm soát nhiệt của vỏ bọc pin bằng nhiều cách như thông qua hệ thống không khí hoặc chất lỏng, phương pháp cách nhiệt, bảo quản nhiệt (vật liệu chuyển pha), phương pháp tiếp cận chủ động hoặc thụ động hoặc kết hợp.

CÁC VÍ DỤ VỀ THIẾT KẾ VÀ KỸ THUẬT CỦA VỎ PIN

Các thiết kế vỏ bọc pin tốt sử dụng nhôm định hình có thể giúp đơn giản hóa quá trình lắp ráp và cố định các mô-đun pin riêng lẻ. Chúng cũng cung cấp khả năng hấp thụ năng lượng nhiều hơn so với các vật liệu khác trong trường hợp xảy ra va chạm. Vỏ pin lớn cũng có thể tác động đến toàn bộ cấu ​​trúc của xe. Ở một số kiểu xe, kích thước vỏ pin lớn bằng cả phần diện tích sàn xe nằm giữa các bánh xe. Điều này có nghĩa là chúng phải được tích hợp cẩn thận trong cấu trúc ô tô và cần phải tương thích với phần thân của xe.

Tất cả các nhà sản xuất hàng đầu về sản phẩm nhôm cho ngành ô tô đều đã phát triển nghiên cứu sản xuất cụm vỏ pin của riêng họ với hệ thống quản lý nhiệt, tiêu biểu như Constellium, Novelis hay Hydro.

Ví dụ, vỏ bọc pin của Constellium được sản xuất từ ​​hợp kim nhôm cao cấp (độ bền cao) và được thiết kế để chống va đập, xâm nhập, đồng thời làm mát các mô-đun riêng lẻ bằng cách sử dụng vật liệu, công nghệ thiết kế và ghép nối sáng tạo. Đối với đáy và đỉnh của vỏ pin, Constellium ưu tiên sử dụng hợp kim nhôm 3xxx, 5xxx và 6xxx do tính dẫn nhiệt và chống ăn mòn tốt, cũng như có thể tạo thành nhiều hình dạng khác nhau. Khi toàn bộ vỏ được làm bằng nhôm sẽ tạo ra một lá chắn điện từ tự nhiên giúp ngăn chặn các tác động của các bộ phận điện hoặc điện tử khác trong xe.

Cấu trúc vỏ pin do Constellium sản xuất bao gồm các thành phần nhôm định hình có khoang rỗng. Khoang chứa được lấp đầy bởi một vật liệu chuyển pha, chất này sẽ hấp thụ và giải phóng năng lượng nhiệt trong quá trình đóng băng hoặc nóng chảy. Vật liệu này đóng vai trò như bộ phận dự trữ nhiệt hoặc tỏa nhiệt, giúp ổn định nhiệt độ cho hệ thống pin, từ đó kéo dài tuổi thọ của pin.

Các thiết kế vỏ bọc pin sử dụng nhôm định hình giúp cung cấp khả năng hấp thụ năng lượng nhiều hơn so với các vật liệu khác trong trường hợp xảy ra va chạm

Trong khi đó, hãng Novelis sử dụng tấm nhôm dòng Advanz của mình để sản xuất vỏ pin. Vật liệu này cung cấp khả năng định hình cần thiết cho các rãnh hút sâu, đồng thời tạo sự bảo vệ cần thiết để chống lại sự xâm nhập của mảnh vỡ trên đường, đá và các tác động tiềm ẩn khác. Hợp kim nhôm này có độ dẻo dai và khả năng hấp thụ năng lượng rất tốt. Vỏ pin này được thiết kế để chứa các mô-đun pin 90 kWh, được sử dụng trong xe bán tải điện hoặc SUV cỡ lớn, mặc dù thiết kế có thể điều chỉnh để phù hợp với các loại pin có kích thước khác nhau. Bằng cách sử dụng kim loại tấm thay vì đùn hoặc đúc, Novelis có thể đạt được hiệu quả chi phí tốt hơn.

Audi cũng đã phát triển hệ thống vỏ pin cho dòng xe Audi e-tron. Pin điện áp cao trong xe Audi e-tron có thể lưu trữ năng lượng lên đến 95 kWh – điều này rất hữu ích khi xe di chuyển trên những chặng đường dài. Không chỉ sở hữu vỏ pin với cấu trúc tinh vi (bao gồm 47% nhôm đùn, 36% nhôm tấm và 17% linh kiện nhôm đúc), Audi-etron còn nổi bật bởi hệ thống pin nặng khoảng 700 kg, được bắt vít ở 35 điểm vào cấu trúc thân xe. Điều này giúp làm tăng độ cứng xoắn của xe lên 27% và góp phần tạo độ an toàn cao của Audi e-tron, cũng như hệ thống làm mát liên kết với bên ngoài vỏ pin. Các biện pháp kỹ thuật tinh vi đã được áp dụng để bảo vệ pin điện áp cao của xe: các nút nhôm đúc và các phần đùn, cộng với một tấm nhôm dày 3,5mm (0,1in) bảo vệ module pin khỏi bị hư hại do tác động của đá hoặc lề đường. Ngoài ra, bên trong vỏ pin là một cấu trúc nhôm giống như bộ khung giúp gia cố hệ thống pin.

NHÔM ĐỊNH HÌNH DẪN ĐẦU CUỘC ĐUA

Dự kiến tăng trưởng đùn nhôm toàn cầu đến năm 2026. Bởi Geoff Scamans, Innoval Technology & Brunel University

Tờ Bloomberg New Energy Finance ước tính khối lượng nhôm đùn cần thiết trong tương lai bằng cách nhân số lượng xe điện dự kiến ​​với 80 kg nhôm đùn trên mỗi xe (bao gồm cả lượng nhôm cần thiết cho vỏ hộp pin). Tính đến năm 2040 tại thị trường Trung Quốc, khối lượng nhôm đùn cần thiết cho xe điện có thể vượt quá 3 triệu tấn.

Theo dự báo, tổng nhu cầu nhôm tấm đối với khung xe ô tô và nhôm đùn cho xe điện sẽ là gần 10 triệu tấn vào năm 2030. Tỷ lệ nhu cầu này giữa nhôm tấm và nhôm định hình có thể sẽ đạt 80/20, theo đó nhu cầu cho nhôm đùn sẽ đạt 2 triệu tấn.

Để đáp ứng nhu cầu về nhôm đùn ngày càng tăng trong tương lai, đòi hỏi một số lượng lớp máy đùn ép mới cần phải được trang bị trên toàn thế giới. Điều đó cũng đồng nghĩa với việc gia tăng các nhu cầu về khả năng xử lý nhiệt và hoàn thiện sản phẩm để tạo ra các sản phẩm nhôm đùn cho ô tô với chất lượng và hiệu suất đáp ứng yêu cầu cần thiết.

Gần đây, một số nhà sản xuất xe điện đã chuyển từ việc sử dụng thép sang nhôm cho thiết kế vỏ pin, bao gồm Nissan (the Leaf), PSA, thậm chí cả Volkswagen - hãng xe hơi nổi tiếng với các dòng xe sử dụng thép. Dòng xe thép Tesla Model 3 cũng đang sử dụng vỏ pin bằng nhôm. Việc sử dụng vật liệu tổng hợp polyme gia cố sợi carbon (CFRP) và nhựa gia cố sợi thuỷ tinh (GFRP) trong vỏ bọc pin đã được Kia và General Motors phát triển cho các mẫu xe điện của họ, tiêu biểu như Spark, Volt và Bolt.

Sự cạnh tranh trong ngành kim loại bền vững giữa nhôm và thép vẫn sẽ tiếp diễn sôi động hơn trong tương lai, nhất là khi sự chênh lệch về chi phí giữa hai kim loại này ngày càng giảm do vỏ pin nhôm có thể được chế tạo từ nhôm tái chế. Hợp kim nhôm đùn ép là một lựa chọn tối ưu và bền vững cho việc sản xuất vỏ pin, đặc biệt khi chúng được chế tạo phù hợp với kết cấu xe.

(*) Hybrid là loại xe sử dụng hai nguồn động lực: Động cơ đốt trong và động cơ điện

*Nguồn: https://aluminiuminsider.com/aluminium-extrusions-are-winning-the-race-for-battery-enclosure-in-evs/