Estampage de précision des métaux pour les composants de véhicules électriques : matériaux, tolérances et exigences de qualité
Électrique Les véhicules sont composés de centaines de minuscules composants métalliques qui assurent le transfert d'énergie, les connexions électroniques et résistent à des températures extrêmes et à des contraintes mécaniques pendant des années. La plupart de ces composants sont des pièces métalliques embouties avec précision , comme les bornes et les connecteurs de charge, fabriquées en grandes séries, à raison de plusieurs millions d'unités par an. Un simple défaut d'alignement d'une petite barre de transmission d'énergie ou d'un point de contact peut entraîner une chute de tension, une dissipation de chaleur locale ou générale, ou une défaillance de connexion interne dans un bloc-batterie. L'emboutissage de qualité automobile est aujourd'hui conforme aux exigences de la norme ISO/IATF 16949.
De nombreux fournisseurs de pièces pour véhicules électriques imposent des tolérances très strictes, de l'ordre de ±0,025 mm (±0,001 pouce), sur les principales surfaces de contact. Cet article décrit le choix des matériaux appropriés, la définition des objectifs de tolérance, les contrôles qualité et d'autres éléments clés à prendre en compte lors de l'approvisionnement en pièces embouties pour les projets de véhicules électriques.
Composants de la batterie et contacts électriques
Les batteries constituent sans doute l'un des éléments les plus difficiles à maîtriser dans les voitures électriques. Connecteurs, cosses, ressorts de contact : tous ces éléments sont logés dans un boîtier étanche où la température et les contraintes mécaniques augmentent continuellement tout au long de la vie du véhicule. Une pièce mal fixée ou oxydée à l'intérieur d'une batterie peut provoquer une surchauffe locale ou une panne du véhicule ; le choix des matériaux et la précision des tolérances sont donc primordiaux à ce niveau.
Les bornes en cuivre et leur rôle
Les bornes en cuivre servent de voies de passage pour l'électricité d'un composant à l'autre, comme les cellules, les modules et même jusqu'au faisceau de câbles du véhicule.
Avec du cuivre pur et des alliages de cuivre tels que le C1100,C5191,C7025,C18160,C18150 Les pertes d'énergie sont minimes. Leur conductivité peut même atteindre 100 % IACS, ce qui limite la génération de chaleur sous fortes charges électriques. L'épaisseur des bornes varie généralement de 0,2 mm à 1,5 mm, et les bords estampés doivent être exempts de bavures. Une aspérité augmenterait la résistance du courant et, par conséquent, sa température à l'interface avec le matériau.
Le plaquage apporte un revêtement protecteur :
- L'étamage est très utile en cas de corrosion courante, car une couche de corrosion empêche toute corrosion ultérieure et permet également une soudure très lisse.
- Les surfaces argentées permettent d'obtenir des contacts à très faible résistance, ce qui explique précisément leur utilisation dans les terminaux haute puissance comme celui-ci.
- Les pièces nickelées résistent à la corrosion dans les endroits où la température est relativement élevée à l'intérieur d'un emballage, ce qui les rend adaptées à une exposition extérieure prolongée.
Conception des contacts électriques et des ressorts
La connexion électrique assurée par des contacts à ressort est essentielle au bon fonctionnement et à la durabilité d'un dispositif. Ces contacts à ressort, de forme emboutie, rappellent les éclats de balles, ces dernières étant reconnues pour leur capacité à conserver leur forme même après d'innombrables cycles d'insertion et de retrait. C'est pourquoi le cuivre-béryllium et le bronze phosphoreux sont considérés comme les matériaux de choix pour cette application : ils conservent leurs propriétés élastiques malgré des opérations de flexion répétées.
Un contacteur à ressort défectueux provoque une connexion intermittente. Concrètement, cela signifie que les voyants du tableau de bord s'allumeront et s'éteindront par intermittence, ou que la charge ne se fera pas correctement ; ce problème sera constaté ultérieurement et causera de nombreux désagréments.
Barres omnibus et connecteurs de charge
L'utilisation de barres omnibus pour transporter d'importantes quantités de courant entre les batteries, l'onduleur et le moteur est très courante. Contrairement aux faisceaux de câbles, les barres omnibus embouties offrent un chemin fixe à très faible résistance, capable de supporter des courants plus élevés dans un espace beaucoup plus réduit.
La plupart des barres omnibus pour véhicules électriques sont fabriquées à partir de feuilles de cuivre ou d'aluminium d'une épaisseur de 1 à 4 mm. Après estampage, elles sont remodelées pour s'aligner parfaitement avec la disposition de la batterie.
Un connecteur de charge requiert un câblage spécifique.
Il arrive qu'un connecteur de charge rapide CC transfère plus de 350 kW via des broches de la taille d'une pointe de crayon ; c'est seulement dans ce cas que l'on comprend la nécessité d'utiliser une borne en cuivre ou en métal estampé, avec une finition de surface impeccable et un ajustement intérieur très précis, afin d'éviter tout arc électrique ou surchauffe pendant la charge.
Parmi les pièces que Fortuna Metals produit pour charger les armes, il y a les bornes en cuivre fabriquées pour les programmes de véhicules à énergie nouvelle, que l'entreprise doit supporter avec des tolérances serrées alors que nos cycles de branchement et de débranchement se poursuivent.
Caractéristiques principales à vérifier sur les barres omnibus
Lorsque vous souhaitez procéder à l'approbation de la conception du jeu de barres, n'oubliez pas de demander les spécifications suivantes au fournisseur :
Vérifiez que la capacité actuelle ne se base pas uniquement sur une utilisation moyenne ; les conditions de fonctionnement réelles doivent également être prises en compte.
- Épaisseur du placage des surfaces de contact, généralement mesurée en microns
- L'uniformité de la pression sur toute la longueur de la barre omnibus est à prendre en compte, car une pièce pliée entraînera des pressions de contact différentes.
- Revêtement isolant lorsqu'une partie de la barre omnibus s'approche d'autres parties conductrices
Sélection des matériaux pour la conductivité et la résistance à la corrosion
Vous avez peut-être entendu dire que les matériaux utilisés pour divers composants des véhicules électriques sont exposés aux produits chimiques des batteries, au sel de déneigement et au liquide de refroidissement, sans parler des mouvements constants dus aux vibrations qui accompagnent la conduite de ces voitures.
Le choix des matériaux doit donc impérativement prendre en compte la conductivité, en plus de leur robustesse et de leur résistance à la corrosion sur le long terme. Toute défaillance prématurée d'un composant engendre des coûts considérables liés à la prise en charge sous garantie et peut même, s'il s'agit d'éléments essentiels à la sécurité, constituer une situation potentiellement mortelle.
| Matériel | Conductivité | Utilisation optimale dans les pièces de véhicules électriques | résistance à la corrosion |
|---|---|---|---|
| Cuivre C1100 | Excellent | Terminaux, barres omnibus | nécessite un plaquage |
| Bronze phosphoreux | Bien | Contacts de printemps | Bien |
| cuivre au béryllium | Bien | Contacts à cycle élevé | Bien |
| Aluminium 5052 | Bien | Barres omnibus légères, supports | Convient à l'anodisation |
| acier inoxydable 304 | Faible | Supports structuraux | Excellent |
Cuivre Le conducteur offre la meilleure conductivité électrique, mais il doit être plaqué ou revêtu pour le protéger de l'humidité à l'intérieur d'une batterie. L'aluminium est moins conducteur, mais beaucoup plus léger — un atout précieux pour les véhicules électriques où le poids de la batterie influe directement sur l'autonomie. Les supports structurels en acier inoxydable qui contiennent les modules de batterie sont fréquents, car la résistance mécanique et la résistance à la corrosion sont les critères essentiels, et non la conductivité électrique.
Cohérence des dimensions en fabrication
Les véhicules de covoiturage doivent avoir une longue durée de vie, et la production de batteries se poursuit en parallèle. Il est donc essentiel d'assurer une grande constance dans la fabrication des pièces. Autrement dit, un fournisseur doit garantir que la tolérance reste la même pour la pièce numéro un et la pièce numéro un million. Cette constance dimensionnelle repose sur la maîtrise de l'usure des matrices, la maintenance des presses et les contrôles en cours de production. Lors de la sélection d'un fournisseur, il convient de tenir compte de ces éléments.
- Utilisez les cartes de contrôle de processus uniquement pour les dimensions critiques.
- Utilisez une machine à mesurer tridimensionnelle pour contrôler la qualité de chaque lot produit.
- La maintenance des matrices doit être effectuée en fonction du nombre de coups plutôt que par simple inspection visuelle.
- Les fournisseurs de modules de batteries doivent fournir des rapports d'inspection du premier article pour tous les nouveaux outils développés, après la phase d'échantillonnage et avant la production en série.
Un fournisseur qui ne procède pas à de tels contrôles pourrait livrer des pièces conformes aux spécifications le premier jour, mais qui s'en écarteraient progressivement au bout de six mois, entraînant des problèmes sur la chaîne de montage qui se manifesteraient loin de la presse à emboutir.
Supports et éléments de structure
Toutes les pièces embouties d'un véhicule électrique ne sont pas alimentées en courant. Les supports servent principalement à maintenir les modules de batterie, les faisceaux de câbles et les conduites de refroidissement à l'intérieur du véhicule pendant toute la durée de son utilisation. Ces pièces subissent des vibrations constantes dues à la route et des variations de température liées à la proximité des batteries. Par conséquent, la résistance à la fatigue du matériau est aussi importante que sa résistance mécanique. L'acier inoxydable et l'acier au carbone revêtu sont fréquemment utilisés pour les supports ; leur choix dépend généralement des contraintes de poids et du risque de corrosion à l'endroit où ils sont fixés.
Exigences de qualité les plus importantes
La norme IATF 16949 est un ensemble de normes de qualité utilisées spécifiquement par les fournisseurs de la chaîne d'approvisionnement automobile ou de pièces détachées. Les fournisseurs accrédités IATF 16949, ISO 9001 et ISO 14001 (systèmes de management environnemental) ont passé avec succès plusieurs audits portant notamment sur le contrôle des processus, la traçabilité et l'amélioration continue. Fortuna Metals est certifiée IATF 16949:2016, ISO 9001:2015 et ISO 14001:2015. Cette entreprise d'emboutissage certifiée dispose de plus de 80 presses à emboutir pour des opérations d'emboutissage de 25 à 300 tonnes et de plus de 40 machines CNC pour d'autres travaux.
Outre la certification, voici une liste d'éléments relatifs aux fournisseurs qu'il convient de vérifier :
- Traçabilité des matériaux grâce au certificat d'usine pour chaque bobine.
- Conformité et rapports environnementaux, y compris le CBAM pour les pièces expédiées dans l'UE
- Il se peut que vous n'ayez pas besoin d'attendre aussi longtemps si une matrice nécessite un réglage ; par conséquent, la capacité d'effectuer des travaux de conception et de réparation d'outillage sur site peut s'avérer essentielle.
- Si un composant de véhicule électrique est exporté de plusieurs pays puis assemblé lors de la production finale, il aura probablement besoin d'une entreprise ayant une expérience en matière d'exportation internationale.
Réflexions finales
Parties La fabrication de composants sensibles pour véhicules électriques exige généralement une méthode d'emboutissage de haute précision. Maintenir la constance de la conductivité, de la résistance à la corrosion et des dimensions d'un grand nombre de composants sur une longue période représente un défi de taille, mais une nécessité absolue pour toute usine d'emboutissage. Collaborer avec un fournisseur possédant les certifications automobiles requises, des capacités d'outillage internes et une solide expérience dans la fabrication de produits tels que les bornes en cuivre, les barres omnibus et les connecteurs de charge, garantira à votre projet de développement une base plus solide, du prototype à la production en série.
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FAQ
1. Quelle tolérance les pièces estampées pour véhicules électriques nécessitent-elles généralement ?
Les pièces les plus importantes, comme les contacts, sont fabriquées avec des tolérances beaucoup plus strictes, de l'ordre de ±0,001 à ±0,003 pouce. Les pièces industrielles courantes ne sont généralement pas aussi précises !
2. Pourquoi utilise-t-on le cuivre pour les bornes et les barres omnibus des véhicules électriques ?
Pour maintenir une très faible résistance lors de fortes charges de courant, le cuivre à conductivité de 100 % est la solution idéale.
3. Quelle certification un fournisseur de pièces pour véhicules électriques doit-il posséder ?
Certification IATF 16949:2016, ainsi que certifications ISO 9001:2015 et ISO 14001:2015 pour les systèmes de management de la qualité et de management environnemental.
4. Quelle est l'épaisseur typique des barres omnibus utilisées dans les batteries de véhicules électriques ?
La plupart de ces résistances ont une épaisseur de 1 à 4 mm et varient en fonction de l'espace disponible et de la charge de courant du composant.
5. Pourquoi la cohérence dimensionnelle est-elle plus importante dans la production de véhicules électriques ?
Étant donné que les cycles de production des véhicules électriques sont très longs et que les pièces sont nécessaires en très grande quantité, même de légères variations qui s'accumulent au fil du temps peuvent entraîner des problèmes d'assemblage et de graves problèmes de sécurité à long terme.
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