Gelişmiş alüminyum alaşımlara dayanan haddelenmiş ürünler, ekstrüzyon ürünleri ve yapısal parçalar üreten Constellium, elektrikli araçlarda yer alan pil taşıyıcılar için yeni alaşımlar geliştiriyor.

Ağırlık azaltma, alüminyum pil taşıyıcılarının ön plana çıkan güçlü yönüdür. Elektrikli araçlardaki (EV) pil taşıyıcıları için tercih edilen alüminyumun basit ama bir o kadar da önemli özelliği hafif yapısıdır. Constellium Kuzey Amerika operasyonları teknik direktörü Dr. Andreas Afseth, bir Otomotiv Araştırma Merkezi (CAR) web seminerinde şu anda mevcut olan tüm uzun menzilli (400 km ötesine geçebilenler) pilli elektrikli araçların (BEV)  pil taşıyıcısı için ana malzeme olarak alüminyum kullandığını söylüyor.

Alüminyumun otomotiv uygulamasında en hızlı büyüyen malzeme olmaya devam ettiğini söyleyen Afseth, büyümenin de kısmen geleneksel güç aktarma organlarından daha fazla miktarda alüminyum kullanan elektrikli kamyonlar ve kamyonetler de dahil olmak üzere BEV’lerin artan pazar payından kaynaklandığını belirtiyor.

Elektrikli kamyonların sahip olacağı çok büyük boyutlardaki pillerin maksimum yükle birlikte minimum enerji tüketimi sağlaması için alüminyumun tercih edilmesini beklediğine de sözlerinde yer veriyor.

Alüminyum pil taşıyıcıları veya diğer platform parçaları, eşdeğer bir çelik tasarıma kıyasla yaklaşık %40’lık bir ağırlık tasarrufu sağlar. Afseth, pil taşıyıcıları için en çok kullanılan ve en uygun alaşımların 6000 serisi Al-Si-Mg-Cu ailesinden olduğunu ve bu alaşımların kullanım ömrü sonunda geri dönüşümle uyumlu olduğunu belirtiyor.

Constellium, 80 GPa E-modülü ve 350 MPa akma gerilimi ile geliştirilmekte olan bir 4xxx alaşımına sahiptir. Geliştirme aşamasındaki 4xxx alaşımı ile %40’lık bir ağırlık azalmasının da teknik olarak mümkün olduğunu öne çıkarıyor. Afseth, yüksek modüllü bu alaşım, geleneksel soğuk şekillendirme ile uyumlu olduğunu ve maliyet açısından da rekabetçi olduğunu söylüyor.

Ayrıca geliştirme aşamasında olan 7075 T6 alaşımı da 500 MPa akma gerilimi ve 70 GPa E-modülüyle öne çıkıyor. Al-Zn-Mg-Cu’nun 7000 serisi alaşımlarının henüz otomotiv uygulamalarında yaygın olarak kullanılmadığını söylenirken, bu serinin darbe direncinin önemli olduğu alt plakalar için düşünülebileceği vurgulanıyor.

Pil Taşıyıcıların Tasarımı

Pil taşıyıcısı, hem pil hücrelerine izinsiz girişin önlenmesinde hem de yolcuları korumak için enerjinin emilmesi açısından çarpışma enerji yönetiminde kritik bir role sahiptir. Constellium tarafından gösterilen çift çerçeveli bir prototip, iki farklı gelişmiş ekstrüde alaşım kullanılarak tasarlanmıştır. İç çerçeve, mukavemeti optimize edilmiş 6000’den yapılırken, dış takviye sünek 6000 alaşımından yapılmıştır. İç çerçevenin ana işlevi, metalin kırılmasına yol açsa bile hücrelere izinsiz girişi önlemektir. Dış takviye ise, maksimum miktarda enerji emilmesi için kırılmaktan ziyade kontrollü bir şekilde buruşacak şekilde tasarlanmıştır.

Gözde parçaları olarak bilinen BIW’e doğrudan yerleştirilen pil taşıyıcıları sayesinde, gereksiz parçaların da ortadan kalkacağını belirtilirken, bu şekilde entegre edilen hücrelere sahip BEV’lerde etkili sızdırmazlık ve birleştirmenin de öneminin artacağı söyleniyor.

Termal Zorluklar

Hafiflik ve geri dönüştürülebilirlik avantajlarına rağmen, alüminyum taşıyıcılar, termal kaçak meydana geldiğinde veya bir araç alev aldığında avantajını yitiriyor. Alüminyum çok yüksek termal iletkenliğe sahiptir ve erime noktası 630°C’dir. Yangın sırasında oldukça yüksek sıcaklıklara çıkılır ve bu süreçte alüminyum kasa metal erimeden önce yalnızca kısa bir süre dayanır. Afseth bu durum için, “Üst kaplama için daha ağır bir çelik sac veya yangın geciktirici yüklü polimer kalıplama daha uzun süre dayanacak ve yolculara tahliye için daha fazla zaman tanıyacaktır.” diyor.

Termal kaçak sırasında yolcuları en az beş dakika korumayı amaçlayan EV güvenliğine ilişkin 20 No’lu Küresel Teknik Düzenleme (GTR 20), Çin’de kabul edilirken, Avrupa ülkelerine de tek tek bildiriliyor. CAR web seminerinin bir katılımcısı, alüminyumun bu düzenlemeyi sürdüremediğini söylerken, Afseth katılımcının yorumunun doğru olabileceğini söylüyor.

Pil hücreleri tarafından üretilen ısı, özellikle pillerle veya yüksek voltaj sisteminin şarj veya deşarj sırasında ısınan diğer parçalarıyla doğrudan temas halinde olan parçalar için, alüminyum taşıyıcılar için bir endişe kaynağı olabilir. Afseth, asıl sorunun ağırlıkça %3,5’ten fazla Mg içeren 5182 gibi alaşımlarla ilgili olacağını, çünkü bunların zamanla tane sınırlarında bozulmuş özelliklere yol açabilecek bir beta fazı çökeltileri filmi geliştirebileceğini belirtmiştir.

Soğutma plakasının altında bulunan alt plaka gibi hücrelerden uzakta olan taşıyıcı parçaları için ısı endişe kaynağı değildir. Afseth, “3000, 5000 ve 6000 serisinin alüminyum alaşımları çok iyi uyumlu ve genel soğutma sıvılarına karşı tamamen dirençli.” sözleriyle daldırma soğutma ile ilgili herhangi bir sorun görmediğini söylüyor.

Çoklu Malzemelere Geçiş

Afseth, alüminyum yapıların aşırı maliyetinin gerekçesinin pili ve güç aktarma organını küçültmeye bağlı maliyet tasarruflarında bulunduğunu vurguladı. Ancak pil maliyetleri düşmeye devam ettikçe alüminyumun değer denklemi dağılabilir. Son yıllarda, pil maliyetinin neredeyse on kat düştüğünü, 2010’daki yaklaşık 1.000 kWh’den geçen yıl 150 kWh’nin altına düştüğünü belirtti. Bu değerler enerji yoğunluğunun neredeyse üç katına çıktığını ve bu nedenle pillerin de eskisinden çok daha az ağırlığa sahip olduğunu gösteriyor.

Afseth, önümüzdeki yıllarda pil taşıyıcıları için çoklu malzemelere geçiş gördüğünü söyledi. Bu noktada karbon fiberler ön çıkıyor. Motor sporlarında veya maliyetin önemli olmadığı ultra lüks spor otomobillerde kullanılması şimdilik daha mantıklı görünürken, bu adımın daha ucuz fiber takviyeli plastikler sayesinde daha fazla büyüyebileceği de Afseth’in sözleri arasında yer alıyor.

KAYNAK: https://www.sae.org/news/2021/02/constellium-aluminum-ev-battery-enclosures