Docol designkoncept för elbil

För att uppfylla de unika krav som batteribilar ställer har SSAB tagit fram en ny ”virtuell plattform” för att främja utvecklingen av nästa generations konstruktionslösningar i avancerat höghållfast Docol®-stål.

SE DEN ANIMERADE FILMEN

En virtuell plattform för konstruktionslösningar för elbilar

Docol designkoncept för elbil visar hur man på ett kostnadseffektivt sätt kan förbättra säkerheten, vikten och utrymmet i elbilar genom att optimera karossgeometrin med avancerat höghållfast stål för de viktigaste lastvägarna. Konceptet innehåller bland annat följande innovativa lösningar:
  • Batterihöljen i 3D-rullformat AHSS
  • Optimering av tvärbalkar i golvet för att minimera inträngning i batteripaketet vid kollision
  • Optimering av energiupptagande balkar för elbilens trösklar (tröskellådor)

Minska batterihöljets vikt för elbilar med hjälp av 3D-rullformade profiler

Batterihöljesprototyp för en elbil.
Bild 1: Batterihöljesprototypen bygger på viktiga principer från Docol designkoncept för elbil: energiupptagande tröskellådor (visas här efter ett stolpkrocktest), energiöverförande golvtvärbalkar och 3D-rullformad bärande struktur (se bild 2 nedan). Sidokrocktestet kräver att ingen inträngning i batteripaketet får förekomma. Lägsta möjliga vikt för detta hölje är 75 kg för ett batteripaket med måtten 1742 x 1320 x 120 mm.
Sprängskiss av batterihöljet i Docol designkoncept för elbil
Bild 2: Sprängskiss av batterihöljet i Docol designkoncept för elbil.
En unik detalj i Docol designkoncept för elbil är batterihöljets undre bärande struktur som består av 3D-rullformade profiler placerade i ett rutmönster. Rutmönstret upprätthåller ett fast avstånd mellan höljets bottenplåt och batteritråget så att batteriet skyddas från stötar i z-led (det vill säga krockkrafter underifrån).
Om man skapar rutmönstret med hjälp av en 2D-rullformad profil som läggs vinkelrätt mot en likadan 2D-profil fördubblas konstruktionens höjd. Det problemet kan man undvika genom 3D-rullformning. I en 3D rullformningsmaskin kan rullarna röra sig i alla riktningar under formningsprocessen. Därmed kan man skapa en del av profilen som är styv och en del som är böjlig, enligt bild 3. Sedan kan en profil placeras vinkelrätt mot en likadan profil – som är vänd upp och ned – utan att höjden fördubblas i z-led.
3D-bild som visar batterihöljets konstruktion
Bild 3: De blå balkarna under passagerarutrymmet utgör batterihöljets nedre rutmönster – bestående av korslagda, 3D-rullformade balkar i Docol 1700M (martensitiskt). Profilerna i x-led är desamma som i y-led, men vända upp och ned vilket halverar höjden på konstruktionen.
3D-rullformning och foto från Ortic AB i Borlänge
Bild 4: 3D-rullformning och foto från Ortic AB i Borlänge. www.ortic.se
Eftersom spåren löper längs balkarnas hela längd är lastvägarna obrutna i x- och y-led och har därför maximal styrka. Tillverkningen är helt flexibel, vilket innebär att avståndet mellan varje tvärbalk i den bärande strukturen kan ändras i 3D-rullformningsmaskinens programvara. 3D-rullformning är kostnadseffektiv och mycket flexibel – och möjliggör mycket effektivt materialutnyttjande.

Batteritråget är tillverkat av mjukstål, valsat med vertikala (90°) sidoväggar som optimerar utrymmet för batteripaketet. Tråget förhindrar även att läckage från battericellerna kommer ut i naturen i samband med eller efter en krock.

En ram runt tråget fungerar som stötskydd och stabilisering. Ramens profilerade sidor i 1700 MPa martensitiskt Docol-stål tillverkas med konventionell 2D-rullformning, där kostnadseffektiva formgjutna hörn förbinder de fyra sidorna.

Konstruera en energiupptagande AHSS-balk för elbilens sidotrösklar

I en elbil måste trösklarna absorbera mer energi jämfört med en bil med förbränningsmotor. Varför? 1) Batteriernas vikt, 2) elbilens styvare underrede och 3) kravet på att batteripaketet inte får utsättas för någon inträngning. Extruderat aluminium i trösklarna betraktas som ett effektivt sätt att ta upp stora energimängder, men till en merkostnad.

För att försöka matcha prestanda för extruderade aluminiumtrösklar har SSAB utfört simuleringar för 2D-rullformade tröskellådor tillverkade av kallvalsat Docol 1700M-stål. Den extruderade aluminiumlegeringen är EN AW-6082 T6, med en tjocklek på 4,5 mm i ytterväggarna och 3 mm i flänsarna.

De 2D-rullformade tröskellådorna kan utformas på oändligt många sätt, så bild 6 visar bara resultaten för några typiska konstruktioner. (SSAB har simulerat många fler tröskelprofiler som inte visas här.)
Simulering av stolpkrocktest
Bild 5: Simulering av stolpkrocktest: stolpen trycks in i tröskeln där balkarna i Docol CR 1700M måste visa prov på sin energiupptagningsförmåga.

Diagram som visar kraft i förhållande till förskjutning för nio olika Docol 1700M-profiler
Bild 6: Diagrammet visar kraft som funktion av förskjutning för nio olika Docol 1700M-balkprofiler som används i elbilens trösklar. Kontakta Docol för uppgifter om de testade tröskellådornas profiler och vilken profil som gav bästa resultat.
Väggtjockleken för varje profilkonstruktion justeras så att vikten på tröskellådan i Docol 1700M är densamma som tröskellådan i 6082 T6-aluminium.

Simulering av kraft kontra förskjutning visar att ett AHSS-tvärsnitt måste ha någon form av fläns för att fungera bra. Därför har alla dessa profiler någon sorts inre struktur. För att hålla nere tillverkningskostnaderna och komplexiteten har vi utfört många simuleringar baserat på hopsvetsade fyrkantsrör.

Principen med hopsvetsade fyrkantsrör verkar fungera, men flänsarna blir dubbelt så tjocka i skarvarna. Och enligt simuleringarna är tjockleken på profilens ytterväggar viktigare än flänstjockleken.

SSAB har fastställt vilken profil – med enkelväggiga flänsar – som medger tjockare ytterväggar och erbjuder liknande krockprestanda som en aluminiumbalk, med samma totalvikt för båda materialen.

Skulle en energiupptagande tröskel i Docol 1700M AHSS kunna motstå krockdeformationen utan sprickbildning? De första prototyperna visar att det är möjligt. Samtliga fyrkantsrörsprofiler kräver dock någon form av svetsning och SSAB behöver utföra fler tester för att avgöra om balkens svetsfogar är tillräckligt sega för att tåla deformation utan sprickbildning.

Konstruera golvtvärbalkar i avancerat höghållfast stål för effektiv överföring av krocklaster

Det effektivaste sättet att skydda elbilens batteripaket från inträngning vid sidokollisioner är att säkerställa att tvärbalkarna direkt under passagerarutrymmets golv inte deformeras. Tvärbalkarna måste därför vara starka och inte absorbera någon energi alls – istället bör de överföra kraften vid en sidokollision från bilens ena sida till den motsatta sidan: se bild 7.
För att optimera förhållandet mellan krockegenskaper, vikt och kostnad måste tvärbalkarna bestå av tunn AHSS-plåt, vilket kan vara en utmaning när stålet är utsatt för kompression. (Se Konstruktionshandboken: Konstruktion och tillverkning i höghållfast stål.)

Tvärbalkar med olika profiler – men alla i kallvalsat Docol 1700M – har simulerats av SSAB och det är enorma skillnader i prestanda. Utgående från en fyrkantsprofil är frågan hur stor radien bör vara. Är en stor radie med måttlig och mer utspridd kallhärdningshårdhet bättre än liten radie med hög men mycket lokal kallhärdningshårdhet? Simuleringsresultaten nedan i bild 8 visar att 15xt (tvärbalkens radie i mm gånger tjockleken) har bättre prestanda än 1xt. Tjockleken på Docol 1700M-plåten i tvärbalkarna har justerats så att de olika balkprofilerna har samma totalhöjd.
Två bilder som visar lastväg genom golvtvärbalk vid sidokrock och principen för tvärbalksoptimering
Bild 7: Vänstra bilden: Lastväg genom golvtvärbalk vid sidokrock.
Högra bilden: Princip för tvärbalksoptimering.
Diagram som visar kraftförskjutningskurvor för de simulerade kallvalsade Docol 1700M-tvärbalkarna.
Bild 8: Kraftförskjutningskurvor för de simulerade kallvalsade Docol 1700M-tvärbalkarna. Etiketterna visar balkarnas radie i mm multiplicerat med tjockleken. Kontakta Docol för uppgifter om de testade tröskellådornas profiler och vilken profil som gav bästa resultat.
Avancerat höghållfast stål har mycket hög sträckgräns och risken för buckling måste därför beaktas för breda och tunna delar som utsätts för kompression: Konstruktionshandboken. Ett sätt att förebygga buckling är att göra profilens breda segment mindre breda med hjälp av spår och förbättra materialutnyttjandet.

Bild 8 visar att: 1) en större radie är bättre än en mindre radie, och 2) att spåren har stor förmåga att förhindra buckling – de skapar fler radier som krafter kan ledas genom. Noterbart är att en profil med ett eller flera spår har större yta och därför måste tillverkas av tunnare Docol 1700M för att uppnå samma totalvikt.

Enligt simuleringen kan man mer än fördubbla de lastöverförande egenskaperna med en optimerad tvärbalk jämfört med fyrkantsprofilen. Det som är avgörande för tillämpningen är den maximala belastningen, inte energiupptagningen. Vid en kollision får denna maximala belastning inte överskridas.

Vad är syftet med Docol designkoncept för elbil?

Vi vill att tillverkarna ska se till sitt egenintresse och motivera dem att använda avancerat höghållfast stål för kritiska komponenter i batteribilar – samtidigt som de uppnår samma viktbesparing som med dyrare aluminium eller andra koldioxidintensiva material.

Vi vill även att de ska utnyttja AHSS-materialet effektivare och på så sätt uppnå ytterligare besparingar. Vi kommer att förse fordonskonstruktörer med AHSS-simuleringar, däribland krocksimuleringar, som visar hur man kan förbättra prestanda för kritiska säkerhetskomponenter, till exempel konstruera tvärbalkar med fördubblade prestanda.

Till sist vill vi även demonstrera innovativa nya konstruktioner och tillverkningsmetoder för AHSS, som 3D-rullforming för utrymmeseffektiva batterihöljen. Innovationer som 3D-rullformat AHSS för tillverkning av tvärbalkskonstruktioner som fungerar under kompression öppnar nya möjligheter för konstruktörer att uppnå maximala prestanda vid axialbelastning – både i sid- och längdled.

Har du en utmanande konstruktion för en batteribil som du vill lösa med avancerat höghållfast stål? Tveka inte att kontakta oss angående ditt kommande projekt.