Una piattaforma virtuale per soluzioni di progettazione di veicoli elettrici

In risposta alle sfide uniche in termini di scocca nuda poste dai veicoli elettrici a batteria, SSAB ha sviluppato una nuova "piattaforma virtuale" per contribuire a promuovere la prossima generazione di soluzioni progettuali realizzate con acciai avanzati altoresistenziali Docol®.

Il Docol EV Design Concept mostra come migliorare in modo economico la sicurezza, il peso e l'utilizzo dello spazio dei veicoli elettrici, ottimizzando le geometrie della scocca con acciai AHSS per i percorsi di carico più importanti. Il concetto di EV comprende attualmente idee innovative per:
  • Alloggiamenti per batterie per veicoli elettrici in acciaio AHSS profilato 3D
  • Ottimizzazione delle traverse a pavimento per ridurre al minimo le intrusioni da urto sui pacchi batterie per veicoli elettrici
  • Ottimizzazione delle travi ad assorbimento di energia per il sottoporta e veicoli elettrici (battitacco)

Riduzione dell'altezza degli alloggiamenti per batterie per veicoli elettrici utilizzando profilati 3D

Prototipo di alloggiamento per batterie per veicoli elettrici
Figura 1: Questo prototipo parziale di un alloggiamento per batterie utilizza idee chiave del Docol EV Design Concept: sottoporta ad assorbimento di energia (qui mostrati dopo una prova d'urto laterale sulle barre laterali); traverse a pavimento a trasferimento di energia e struttura portante della batteria profilata 3D (v. Figura 2 sotto). La prova d'urto laterale richiede che non vi sia alcuna intrusione nel pacco batterie. Il peso più basso possibile per questo alloggiamento è di 75 kg per un pacco batterie di 1742 x 1320 x 120 mm.
Esploso della configurazione dell'alloggiamento della batteria Docol EV Concept
Figura 2:Esploso della configurazione dell'alloggiamento della batteria Docol EV Concept.
Un componente molto particolare del Docol EV Design Concept per gli alloggiamenti per batterie è la struttura portante inferiore realizzata con profilati 3D disposti a griglia. La griglia mantiene una distanza specifica tra la piastra di fondo dell'alloggiamento e il vano batteria, garantendo una protezione sufficiente della batteria dagli urti provenienti dalla direzione Z (cioè da sotto l'auto).
Se si è realizzata la griglia utilizzando un profilato 2D perpendicolare a un profilo 2D simile, si raddoppia l'altezza della griglia. Questo problema può essere eliminato con la tecnologia di profilatura 3D. Durante il processo di profilatura 3D, i rulli possono muoversi in tutte le direzioni. In questo modo è possibile creare una parte del profilo fissa e una parte flessibile, come mostrato in Figura 3. Un profilo può poi essere posizionato perpendicolarmente a un profilo simile — che viene capovolto — senza raddoppiare la sua altezza in direzione Z.
Rendering 3D che mostra la struttura di un alloggiamento per batterie
Figura 3: Le travi blu sotto l'abitacolo in questa illustrazione sono la struttura a "griglia" inferiore di un alloggiamento per batterie, realizzata con il modello a travi profilate 3D in Docol 1700M (martensitico). I profili nella direzione X sono gli stessi della direzione Y, ma capovolti per ridurre del doppio l'altezza della griglia.
Tecnologia di profilatura 3D e foto di Ortic AB di Borlänge
Figura 4:Tecnologia di profilatura 3D e foto di Ortic AB di Borlänge, Svezia. www.ortic.se
Poiché le scanalature sono fissate longitudinalmente alle travi, i percorsi di carico in direzione X e Y sono ininterrotti e quindi il più resistenti possibile. La produzione di profilati 3D è completamente flessibile, il che significa che la distanza tra ogni traversa della struttura portante può essere modificata attraverso il software della profilatrice 3D. La profilatura 3D è efficiente in termini di costi e altamente flessibile, e permette inoltre un elevato livello di utilizzo del materiale.

Il vano batteria è realizzato in acciaio dolce, trafilato in modo da formare pareti laterali completamente verticali (90°), che ottimizzano lo spazio per il pacco batterie. Il vano impedisce inoltre che le celle della batteria si disperdano nell'ambiente durante e dopo un urto.

Un telaio intorno al vano batteria fornisce una protezione dagli urti e una struttura stabilizzante. I lati profilati del telaio sono realizzati in Docol martensitico 1700 Mpa e sono fabbricati utilizzando la tradizionale profilatura 2D, con angoli pressofusi a basso costo che collegano i quattro lati.

Progettazione di una trave in AHSS ad assorbimento di energia per la struttura del battitacco dei veicoli elettrici

A differenza di un'auto con motore a combustione interna, un veicolo elettrico deve assorbire più energia attraverso il sottoporta. Perché? 1) Il peso della batteria del veicolo elettrico, 2) il sottoscocca più rigido del veicolo elettrico, e 3) il requisito che non sia consentita alcuna intrusione nel pacco batterie del veicolo elettrico. L'alluminio estruso del sottoporta è stato visto come un modo efficiente per assorbire livelli di energia più elevati, ma a un prezzo superiore.

Per cercare di eguagliare le prestazioni dei sottoporta in alluminio estruso, SSAB ha eseguito simulazioni di sottoporta profilati 2D realizzati in acciaio Docol CR 1700M. La lega di alluminio estruso è la EN AW-6082 T6, con uno spessore di 4,5 mm per le pareti esterne e 3 mm per le sue nervature.

Il numero di possibili disegni per la profilatura 2D dei sottoporta è infinito, pertanto i risultati della Figura 6 mostrano solo alcuni dei disegni tipici. (Molti altri profili di sottoporta sono stati simulati da SSAB, ma non sono mostrati qui.)
Simulazione della prova d'urto laterale della barra
Figura 5: Simulazione della prova di impatto laterale sulla barra: la barra spinge nella struttura del sottoporta dove le sue travi Docol CR 1700M devono dimostrare la loro efficacia di assorbimento dell'energia d'impatto.

Grafico che mostra la forza di tracciamento rispetto allo spostamento per nove diversi profili Docol 1700M
Figura 6: Forza di tracciatura vs. spostamento per nove diversi profili Docol 1700M per le travi utilizzate nella struttura del sottoporta/battitacco di un veicolo elettrico. Per vedere i profili dei sottoporta qui testati, compreso il profilo più performante, contattare Docol.
Lo spessore della parete per ogni profilo progettato è regolato in modo che il peso del sottoporta in Docol 1700M sia lo stesso del sottoporta in alluminio 6082 T6.

Le simulazioni di forza vs. spostamento mostrano che, per funzionare correttamente, una sezione trasversale in acciaio AHSS deve presentare una sorta di nervatura. Pertanto, tutti questi profili presentano una sorta di struttura interna. Per cercare di contenere i costi di fabbricazione e la complessità, molte simulazioni sono state condotte utilizzando tubi di forma quadrata saldati assieme.

L'approccio del tubo quadrato saldato sembra funzionare, ma le nervature di spalla presentano uno spessore doppio. Secondo le simulazioni, lo spessore del guscio esterno del profilo è più importante dello spessore delle nervature.

SSAB ha individuato il profilo — con nervature a parete singola — che consente di ottenere pareti esterne più spesse e fornisce una prestazione di crash simile a quella di una trave in alluminio, con pesi uguali per entrambi i materiali.

Un sottoporta/battitacco ad assorbimento di energia realizzato con acciaio Docol 1700M AHSS resisterebbe alla deformazione da urto senza riportare cricche? I prototipi iniziali di Docol mostrano che è possibile. Tuttavia, tutti questi profili a tubo quadrato richiedono un certo tipo di saldatura e SSAB deve eseguire più prove per determinare se le saldature della trave sono abbastanza duttili da sopportare la deformazione senza riportare cricche.

Progettazione di traverse a pavimento in AHSS per un efficiente trasferimento del carico d'urto

Il modo più efficiente per proteggere il pacco batterie del veicolo elettrico da intrusioni durante un urto laterale è quello di garantire che le traverse direttamente sotto il pavimento dell'abitacolo non si deformino. Pertanto, le traverse devono essere resistenti e non devono assorbire alcuna energia, bensì trasferire la forza d'urto laterale da un lato della vettura al lato opposto: vedi Figura 7.
Per ottenere il miglior rapporto possibile tra prestazioni di crash/peso e costi, le traverse devono essere realizzate in lamiera sottile di acciaio AHSS, il che può rappresentare una sfida quando l'acciaio viene utilizzato in compressione. (Vedi Manuale di Progettazione: La progettazione strutturale e la produzione in acciaio altoresistenziale.)

SSAB ha simulato delle traverse con diversi profili, ma tutte realizzate in Docol CR 1700M. Ne è risultata un'enorme differenza di prestazioni. Partendo da un profilo di forma quadrata, si pone la domanda di quanto dovrebbe essere grande il raggio. Un raggio grande con un'area di tempra moderata e più estesa è migliore di un raggio piccolo con un'area di tempra alta, ma molto localizzata? I risultati della simulazione riportati di seguito in Figura 8 mostrano che 15xt (raggi in mm per spessore della traversa) vanta prestazioni migliori di 1xt. Gli spessori della traversa Docol 1700M sono stati regolati in modo che il peso complessivo dei diversi profili delle travi sia il medesimo.
Due immagini che mostrano il percorso del carico d'urto laterale attraverso la traversa a pavimento e l'impostazione dell'ottimizzazione della trasversa
Figura 7: Immagine sinistra: Percorso di carico d'urto laterale attraverso la traversa a pavimento.
Immagine destra: Impostazione dell'ottimizzazione della traversa.
Grafico che mostra le curve di spostamento della forza delle traverse simulate Docol CR 1700M
Figura 8:Curve di spostamento della forza delle traverse simulate Docol CR 1700M. Le etichette mostrano i raggi in mm per lo spessore della trave. Per vedere i profili delle traverse qui testati, compreso il profilo più performante, contattare Docol.
Gli acciai AHSS presentano un punto di snervamento molto elevato, quindi per gli elementi larghi e sottili che lavorano in compressione è necessario tener conto del fenomeno chiamato "instabilità locale": si veda il Manuale di progettazione SSAB. Un modo per limitare l'instabilità locale è quello di ridurre le dimensioni dei segmenti larghi di un profilo per mezzo di una scanalatura e di aumentare il livello di utilizzo del materiale.

Dalla Figura 8 emerge chiaramente che: 1) un raggio grande è meglio di un raggio piccolo, e 2) le scanalature hanno un effetto significativo poiché eliminano l'instabilità locale; forniscono più raggi attraverso i quali le forze possono transitare. Si noti che un profilo con una o più scanalature è in realtà più grande in termini di superficie e per mantenere lo stesso peso totale deve presentare uno spessore più sottile di Docol 1700M.

I risultati della simulazione dimostrano che sul profilo a forma quadrata una traversa ottimizzata può più che raddoppiare le prestazioni di trasferimento del carico d'urto. L'elemento critico in questa applicazione è il carico di picco, non l'assorbimento di energia. In caso di collisione, questo carico di picco non deve essere superato.

Quali sono le prossime applicazioni per il Docol EV Design Concept?

Vogliamo fare appello all'interesse personale degli OEM, motivandoli a utilizzare acciai AHSS per i componenti critici dei veicoli elettrici a batteria, ottenendo al contempo lo stesso risparmio di peso dell'alluminio dal prezzo più elevato o di altri materiali a elevato contenuto di CO2.

Vogliamo anche che gli OEM raggiungano livelli più elevati di utilizzo di AHSS, in modo da poter realizzare ulteriori risparmi. Forniremo ai progettisti di automobili delle simulazioni AHSS, come le simulazioni di urto laterale, che mostrano come migliorare le prestazioni dei componenti critici per la sicurezza e come raddoppiare le prestazioni delle traverse a pavimento.

Infine vogliamo fornire una dimostrazione dei nuovi progetti e metodi di produzione innovativi per gli acciai AHSS, come ad esempio la profilatura 3D, che consente di ottenere alloggiamenti per batterie per veicoli elettrici, più efficienti in termini di spazio. Le innovazioni come la profilatura 3D di AHSS per fabbricare griglie trasversali che lavorano in compressione riveleranno il modo in cui i progettisti pensano di ottenere il massimo delle prestazioni di carico assiale, sia laterale sia longitudinale.

State affrontando una sfida di progettazione BEV che vorreste risolvere utilizzando acciai AHSS? Non è mai troppo presto per contattarci per il vostro prossimo progetto.