Le joint pliable s'attaque aux problèmes d'étanchéité de la batterie

Amir Yazdani et Andreas Proksch explorent comment le nouveau joint pliant de Datwyler relève les défis de la technologie existante

La sécurité et l'efficacité sont au cœur des préoccupations des développeurs de systèmes de batteries d'aujourd'hui. Les batteries pour les nouvelles solutions de mobilité présentent de nouveaux défis par rapport à celles utilisées dans les moteurs à combustion interne (ICE). Des problèmes tels que l'emballement thermique et la corrosion des composants de la batterie pourraient entraîner des situations mettant en danger les occupants ou réduisant considérablement le cycle de vie de la batterie. Une bonne étanchéité de la batterie dans son boîtier est essentielle pour atténuer ces risques, car le joint est la première ligne de défense contre les influences négatives indésirables. La batterie doit être correctement scellée pour éviter toute pénétration de poussière et d'humidité. La conductivité électrique du joint doit également être prise en compte pour la mise à la terre électrique du couvercle.

Les joints en place, principalement à base d'adhésifs et d'élastomères de silicone, sont courants pour sceller les boîtiers de batterie, tout comme les solutions de forme en place (FIP), qui sont injectées sur le boîtier et laissées à durcir. Les deux présentent des défis en termes de manipulation lors de l'installation, de positionnement sur le plateau, d'efficacité après durcissement et de capacité à faciliter à la fois la maintenance continue et la recyclabilité en fin de vie. En conséquence, Datwyler a conçu une solution innovante - le joint pliable - qui offre une solution d'étanchéité pour les batteries qui surmonte tous ces problèmes. La solution combine des matériaux élastomères avancés avec des plaques métalliques minces, pliables par points et rigides dans leur ensemble, qui peuvent être spécifiées et placées à intervalles selon des géométries de pièces uniques, permettant un montage précis manuel ou robotisé.

Normalement, pour le boîtier de la batterie et ses joints associés, les tolérances sont très restrictives et doivent respecter les paramètres de protection IP6x ou équivalents. Aucun espace ne sera accepté. Par conséquent, lors de la conception de l'insert métallique, Datwyler peut contrôler les dimensions avec précision avec une marge d'erreur minimale. Les ingénieurs utilisent les propriétés élastiques du matériau en caoutchouc de Datwyler, qui est très précis, pour répondre aux exigences dans les paramètres requis à certaines hauteurs. Contrairement aux joints FIP, il n'y a pas de section de début ou de fin, où vous devez vous assurer qu'il n'y a pas de petit canal pour se protéger contre les effets de la corrosion.

L'installation précise et fiable du joint pliable est essentielle, car les fabricants de batteries fabriquent des systèmes de batteries à plus haute densité et leurs boîtiers deviennent de plus en plus complexes et diversifiés. Ces conceptions plus complexes nécessitent un joint plus précis pour garantir que l'intégrité du joint n'est pas compromise et l'élément métallique de la solution garantit que c'est le cas. Le métal est généralement le même que celui utilisé pour le boîtier lui-même et la surface est anodisée et traitée pour assurer une liaison solide avec le composant élastomère. Le résultat est une solution d'étanchéité qui offre une durabilité accrue ainsi qu'une conductivité électrique, ce qui signifie que l'électricité peut être facilement transférée du couvercle supérieur au boîtier inférieur via le joint, ce qui évite la corrosion due à l'accumulation d'électricité. Les solutions autonomes en caoutchouc pur et FIP ​​n'ont pas cette capacité.

Enfin, les interférences électromagnétiques (EMI) - qui peuvent affecter des composants tels que des capteurs ou des unités de contrôle critiques - peuvent également être atténuées via des matériaux de blindage EMI, qui peuvent être utilisés pour formuler l'élément en caoutchouc du joint pliable.

La simulation numérique des performances d'étanchéité des joints pliables est un élément central de l'ensemble du processus de conception. De telles simulations permettent de comprendre le comportement mécanique et thermique précis du joint dans des conditions extrêmes, garantissant l'efficacité et la fiabilité du joint dans diverses situations critiques. Cet effort commence par un modèle d'éléments finis bidimensionnel, dans lequel les variations de la pression d'étanchéité le long des lèvres du joint sont évaluées (voir figure 1). Une fois que la pression de contact et la surface au niveau du joint répondent aux exigences des performances spécifiques définies, l'effort de simulation se poursuit en effectuant une modélisation tridimensionnelle par éléments finis afin d'évaluer la quantité de précontrainte au niveau des boulons nécessaire pour maintenir le joint pliable en place. Cette précontrainte garantit également la conductivité électrique souhaitée entre les parties du boîtier.

Enfin, la dernière étape se concentre sur la simulation de l'ensemble du boîtier de la batterie connecté au joint pliable, de sorte que l'intégrité du joint le long de toute la lèvre du joint soit assurée. Ces ensembles de tâches de simulation facilitent le processus d'optimisation lors de la conception du joint, le résultat étant une optimisation des dimensions géométriques, des propriétés des matériaux et des forces de montage.

Les fabricants de batteries envisagent également la possibilité d'ouvrir le bloc-batterie plusieurs fois au cours de sa durée de vie à des fins d'inspection et de maintenance. Le joint pliable rend cela possible. Si un joint FIP ​​est utilisé, un côté du joint est collé en permanence sur le boîtier. Cela signifie que lorsque le joint est ouvert, il ne peut pas être retiré. Le joint pliable peut être retiré et facilement remplacé car il n'y a pas d'adhésif entre le joint et le boîtier. La solution de fixation utilise des rivets auto-perforants généraux ou des vis M5/M6 pour faciliter l'ouverture. Cela permet également un démontage plus facile sans endommager le joint d'étanchéité lorsqu'une inspection ou une maintenance est nécessaire, ou lorsque la batterie atteint la fin de sa durée de vie utile.

Du point de vue de l'écoconception, les principes de conception du joint pliable signifient que, du transport initial, de la manipulation et de l'installation à l'application efficace, à la maintenance et finalement au recyclage, les fabricants de batteries bénéficient des avantages d'une solution d'étanchéité exceptionnelle.

À propos des auteurs : Le Dr Amir Yazdani est responsable du développement des technologies avancées chez Datwyler. Andreas Proksch est Product Manager Electrification chez Datwyler