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Oct 14, 2023

Las extrusiones de aluminio están ganando la carrera por el alojamiento de las baterías de los vehículos eléctricos

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Los gabinetes de baterías para vehículos eléctricos (también llamados marcos, carcasas o paquetes de baterías) tienen un propósito bastante sencillo: sostener y proteger los módulos de batería. Naturalmente, vienen en varias formas y tamaños, y pueden adaptarse fácilmente a las diferentes particularidades de los módulos de batería.

Al igual que otras piezas de automóviles, las carcasas de las baterías son un escenario para una serie de materiales que luchan por la prominencia: aluminio, acero avanzado de alta resistencia, fibra de carbono y magnesio. Aunque actualmente las carcasas se fabrican de acero (o de una combinación de aluminio y acero), a la larga el aluminio parece tener la ventaja, sobre todo gracias a su peso ligero y a sus favorables características técnicas. Los fabricantes de automóviles esperan que en el futuro disminuyan los costes de los sistemas de baterías, que actualmente representan entre el 30 y el 50 % del coste total de un coche eléctrico.

La conductividad térmica es de vital importancia para las carcasas de baterías. Deben proporcionar capacidades de transferencia térmica (como en el sistema de frenos de un automóvil) para mantener la batería fría o caliente en climas fríos. Por lo tanto, la estructura se convierte en realidad en parte de la fuente de energía. Puede afectar significativamente el rendimiento y el ciclo de vida de los módulos de batería, ya que las variaciones de temperatura de un módulo a otro en un paquete de baterías podrían reducir el rendimiento. Al mismo tiempo, el material debe tener suficiente fuerza y ​​resistencia al impacto para proteger los módulos de batería de daños, así como otras partes de un vehículo.

Los perfiles de carga/descarga de los vehículos eléctricos híbridos (HEV) son generalmente más agresivos que los de los vehículos eléctricos con batería, lo que da como resultado una mayor generación de calor, por lo que se requiere un sistema de gestión térmica para los HEV. El sistema de gestión térmica debe ser compacto y liviano, fácil de transportar en el vehículo, confiable y de bajo costo.

Los cables de interconexión también pueden agregar calor a los módulos. Para controlar la temperatura de un paquete de baterías en su rango de temperatura óptimo, es posible que sea necesario rechazar el calor de los módulos durante el clima cálido y agregarlo durante el clima frío. La gestión y el control térmico del recinto de la batería podrían lograrse mediante sistemas de aire o líquido, aislamiento, almacenamiento térmico (material de cambio de fase), enfoques activos o pasivos, o una combinación.

Los buenos diseños de gabinetes de baterías que utilizan extrusiones de aluminio pueden simplificar el proceso de ensamblaje y fijación de los módulos de baterías individuales. También proporcionan una mayor absorción de energía en caso de accidente, en comparación con otros materiales y procesos. Los grandes recintos pueden afectar a toda la arquitectura de la carrocería del coche. En algunos modelos, los compartimentos de la batería son tan grandes como todo el suelo del coche entre las ruedas. Esto significa que deben integrarse cuidadosamente en la estructura del automóvil y deben interactuar con la carrocería del vehículo.

Todos los principales productores de productos de aluminio para la industria del automóvil han desarrollado sus propios conjuntos de carcasas de baterías con sistemas de gestión térmica, incluidos Constellium, Novelis o Hydro.

Los gabinetes de batería de Constellium, por ejemplo, se producen a partir de aleaciones de aluminio superiores (alta resistencia) y están diseñados para resistir choques e intrusiones y al mismo tiempo enfriar módulos individuales utilizando materiales, diseño y tecnologías de unión innovadores. Para la parte inferior y superior de los gabinetes, se prefieren las láminas de aleaciones 3xxx, 5xxx y 6xxx de Constellium y el aluminio debido a su buena conductividad térmica y resistencia a la corrosión, así como a su conformabilidad en una variedad de formas. Cuando toda la carcasa está hecha de aluminio, se crea un escudo electromagnético natural que bloquea las interferencias con otros componentes eléctricos o electrónicos del vehículo.

La estructura del cerramiento producida por Constellium consta de miembros de aluminio extruido que tienen una cavidad hueca. La cavidad está llena de un material de cambio de fase, una sustancia que absorberá y liberará energía térmica durante el proceso de congelación o fusión. Es un material similar a la cera que actúa como sistema de enfriamiento pasivo para una batería.

Las propiedades del material de cambio de fase (que puede diseñarse según las especificaciones del vehículo del cliente) permiten que el material retenga el calor o se "derrita" como cera para alejar el calor de la batería. Al proteger la batería de temperaturas extremas, la estructura del cuerpo ayuda a prolongar su vida útil.

Por el contrario, Novelis utiliza su lámina de aluminio de la serie Advanz para producir la carcasa. Este material proporciona la conformabilidad necesaria para embuticiones profundas, pero también proporciona la protección necesaria contra la intrusión de escombros de la carretera, piedras y otros impactos potenciales. Esta aleación de aluminio también tiene buenas características de tenacidad a la fractura y absorción de energía. Este gabinete de batería fue diseñado para acomodar módulos de batería de 90 kWh, que es el tamaño utilizado en una camioneta eléctrica o un SUV grande, aunque el diseño es adaptable para adaptarse a baterías de diferentes tamaños. Al utilizar láminas de metal en lugar de extrusiones o piezas fundidas, Novelis puede lograr mejores rentabilidades.

Audi también ha desarrollado su sistema de carcasa de batería para el Audi e-tron. La gran batería de alto voltaje del Audi e-tron puede almacenar hasta 95 kWh de energía y, por tanto, es esencial para la larga autonomía del vehículo. Junto con la carcasa con sus sofisticadas estructuras de protección, compuestas por un 47 % de perfiles de aluminio extruido, un 36 % de chapa de aluminio y un 17 % de piezas de aluminio fundido a presión, el sistema de batería pesa alrededor de 700 kilogramos. Está atornillado a la estructura de la carrocería del Audi e-tron mediante 35 puntos. Esto aumenta su rigidez torsional en un 27 % y contribuye al alto nivel de seguridad del Audi e-tron, al igual que el sistema de refrigeración unido al exterior de la carcasa de la batería. Se han tomado medidas sofisticadas para proteger la batería de alto voltaje del automóvil. Un fuerte marco envolvente de nodos de aluminio fundido y secciones extruidas, además de una placa de aluminio de 3,5 milímetros (0,1 pulgadas) de espesor, protegen contra daños causados ​​por impactos de piedras o bordillos. En el interior, una estructura de aluminio a modo de armazón refuerza el sistema de baterías.

Crecimiento global proyectado de la extrusión de aluminio hasta 2026. Por Geoff Scamans, Innoval Technology y Brunel University.

Lo anterior, Bloomberg New Energy Finance estima que el tonelaje de extrusión de aluminio se obtuvo multiplicando el número de vehículos eléctricos proyectados por 80 kg de extrusión por vehículo. En esta figura también se incluye la cantidad necesaria para cajas de baterías. Contando el mercado chino, para 2040, el tonelaje de extrusión de aluminio necesario para los vehículos eléctricos podría superar los 3 millones de toneladas.

Según CRU, la necesidad combinada de láminas de aluminio para carrocerías de automóviles y extrusiones para vehículos eléctricos será de casi 10 millones de toneladas para 2030. Es probable que la proporción de esta demanda entre láminas y extrusiones sea de 80/20, lo que hace una demanda de extrusión de 2 millones de toneladas.

Al mismo tiempo, será necesario instalar un gran número de nuevas prensas de extrusión en todo el mundo para satisfacer la creciente demanda. Un desafío adicional es que, además de una mayor capacidad de extrusión, será necesario instalar las capacidades de acabado y tratamiento térmico necesarias para proporcionar extrusiones de aluminio para automóviles con las características de calidad y rendimiento requeridas.

Recientemente, varios productores de vehículos eléctricos cambiaron los diseños de carcasas de baterías de acero a aluminio, incluidos Nissan (el Leaf), PSA e incluso VW, tradicionalmente relacionados con el acero. El Tesla Model 3, que utiliza mucho acero, también utiliza carcasas de batería de aluminio. Kia y GM han desarrollado el uso de CFRP y polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP) en carcasas de baterías para sus modelos eléctricos, incluidos Spark, Volt y Bolt. El Chevrolet Bolt EV es el primer vehículo eléctrico de GM que adopta un diseño de patineta, con la carcasa de la batería hecha de una resina híbrida de vinilo termoestable con un refuerzo de vidrio tejido.

La competencia en metales sostenibles continuará entre el aluminio y el acero, especialmente porque la diferencia de precio entre ambos disminuye cuando las carcasas de aluminio se fabrican a partir de aluminio reciclado. Las aleaciones de aluminio extruido son una opción óptima y sostenible para la selección de carcasas de baterías, sobre todo cuando se combinan adecuadamente con las estructuras de los vehículos.