Docol® EV design concept
Pour répondre aux difficultés particulières posées par les caisses en blanc de véhicules électriques sur batterie, SSAB a mis au point une nouvelle « plateforme virtuelle » pour permettre une nouvelle génération de solutions de conception à partir d'aciers avancés à haute limite d’élasticité Docol®.
Une plateforme virtuelle pour solutions de conception de véhicules électriques
Le Docol EV Design Concept propose des méthodes pour améliorer de manière rentable la sécurité, le poids et l'utilisation de l'espace des véhicules électriques, en optimisant la géométrie des carrosseries intégrant des aciers AHSS pour les transferts de charge les plus importants. Le concept EV Concept présente actuellement des idées novatrices pour :
Des logements de batteries de véhicules électriques en acier AHSS laminé à froid en 3D
Une modification des traverses de plancher pour limiter les intrusions en cas de collision sur les blocs batterie des véhicules électriques
Et l'optimisation des traverses à absorption d'énergie pour longerons (bas de caisse) du véhicule électrique
Réduire la hauteur du logement de la batterie des véhicules électriques grâce au profilage 3D
Figure 1 : Cette partie de prototype de logement de batterie s'appuie sur certaines des idées clés du Docol EV Design Concept : traverses de bas de caisse à absorption d'énergie (illustrées ici après essai d'impact latéral) ; traverses de plancher transférant l'énergie ; et structure porteuse de batterie réalisée par profilage 3D (voir Figure 2 ci-dessous). L'essai d'impact latéral exige qu'il n'y ait pas d'intrusion dans le bloc batterie. Le poids le plus léger possible pour ce boîtier est de 75 kg pour un bloc batterie de 1742 x 1320 x 120 mm.
Figure 2 : Vue éclatée de la conception du logement de batterie Docol EV Concept.
Composant tout à fait unique du Docol EV Design Concept pour les boîtiers de batterie, la structure porteuse inférieure est faite en profilés 3D, agencés selon un motif en filet. Ce dernier maintient une distance spécifiée entre la plaque de fond du logement et le support de la batterie, assurant une protection suffisante à la batterie contre les impacts de la direction Z (c'est-à-dire les impacts de collision venant du dessous de la voiture).
Si vous avez fait un maillage avec le profilage 2D perpendiculaire à un profil 2D similaire, vous doublez la hauteur du maillage. Ce problème peut être éliminé par un profilage 3D. Dans une machine de profilage 3D, les bobines peuvent se déplacer dans toutes les directions pendant les opérations. Vous pouvez donc créer une partie fixe et une partie flexible, comme montré sur la Figure 3. Un profil peut ensuite être placé perpendiculairement à un profil similaire — retourné — sans doubler la hauteur dans la direction Z.
Figure 3 : Les traverses bleues sous le compartiment des passagers dans cette illustration signalent la structure inférieure en « filet » d'un logement de batterie — réalisé à partir d'un maillage de traverses obtenues en profilage 3D en acier Docol 1700M (martensitique). Les profilés dans le sens X sont les mêmes que pour le sens Y, mais renversés de manière à diviser la hauteur du maillage par deux.
Figure 4 : Outil de profilage 3D - photo d'Ortic AB à Borlänge, Suède. www.ortic.se
Comme les rainures sont fixées sur la longueur des traverses, les transferts de charge dans les directions X et Y ne sont pas affectés et par conséquent restent les plus forts possible. La production de profilage 3D est entièrement adaptable, ce qui signifie que la distance entre chaque traverse de la structure porteuse peut être modifiée sur le logiciel de la machine de profilage 3D. Le profilage 3D est économique et extrêmement polyvalent. Il permet également un niveau élevé d'utilisation de la matière.
Le support du logement de la batterie est fait en acier doux, tiré de manière à former des parois latérales parfaitement verticales (90°) qui optimisent l'espace pour le bloc batterie. Ce support a aussi pour effet d'empêcher les fuites des piles de la batterie dans l'environnement pendant et après une collision.
Un cadre autour du support de la batterie assure une protection contre les impacts et stabilise la structure. Les côtés profilés du cadre sont en acier martensitique Docol 1700Mpa, ils sont fabriqués par profilage 2D classique et quatre coins coulés sous pression relient les quatre côtés.
Le support du logement de la batterie est fait en acier doux, tiré de manière à former des parois latérales parfaitement verticales (90°) qui optimisent l'espace pour le bloc batterie. Ce support a aussi pour effet d'empêcher les fuites des piles de la batterie dans l'environnement pendant et après une collision.
Un cadre autour du support de la batterie assure une protection contre les impacts et stabilise la structure. Les côtés profilés du cadre sont en acier martensitique Docol 1700Mpa, ils sont fabriqués par profilage 2D classique et quatre coins coulés sous pression relient les quatre côtés.
Conception d'une traverse à absorption d'énergie en acier AHSS pour la structure du bas de caisse des véhicules électriques
Par rapport à une voiture équipée d'un moteur à combustion classique, un véhicule électrique doit absorber plus d'énergie par le bas de caisse. Pourquoi ? 1) Le poids de la batterie du véhicule électrique, 2) la plus grande rigidité du dessous de caisse des véhicules électriques, et 3) le besoin d'éliminer toute intrusion dans le bloc de batterie du véhicule électrique. L'aluminium extrudé dans les bas de caisse a souvent permis d'absorber des niveaux supérieurs d'énergie, mais pour un prix beaucoup plus élevé.
Pour tenter d'égaler les performances des traverses de bas de caisse en aluminium extrudé, SSAB a effectué des simulations pour les traverses en profilage 2D réalisées en acier Docol CR 1700M. L'alliage d'aluminium extrudé est EN AW-6082 T6, avec une épaisseur de 4,5 mm pour les parois extérieures et de 3 mm pour ses nervures.
Les possibilités de profilage 2D pour les traverses de bas de caisse est infini. Les résultats de la Figure 6 ne montrent donc que quelques conceptions courantes. (De nombreux autres profils de traverse de bas de caisse ont été simulés par SSAB, mais ne sont pas présentés ici.)
Pour tenter d'égaler les performances des traverses de bas de caisse en aluminium extrudé, SSAB a effectué des simulations pour les traverses en profilage 2D réalisées en acier Docol CR 1700M. L'alliage d'aluminium extrudé est EN AW-6082 T6, avec une épaisseur de 4,5 mm pour les parois extérieures et de 3 mm pour ses nervures.
Les possibilités de profilage 2D pour les traverses de bas de caisse est infini. Les résultats de la Figure 6 ne montrent donc que quelques conceptions courantes. (De nombreux autres profils de traverse de bas de caisse ont été simulés par SSAB, mais ne sont pas présentés ici.)
Figure 5 :Simulation d'essai d'impact latéral sur les longerons : le montant pousse vers la structure du bas de caisse où les traverses en acier Docol CR 1700M doivent démontrer leur potentiel d'absorption d'énergie.
Figure 6 : Diagramme force contre déplacement pour neuf profils Docol 1700M différents utilisés pour les traverses de la structure de bas de caisse d'un véhicule électrique. Pour voir les profils de traverse de bas de caisse testés ici, y compris celui qui présente les meilleurs performances, contactez Docol.
L'épaisseur de la paroi pour chaque profil est ajustée pour que le poids de la traverse de bas de caisse Docol 1700M soit identique à celui de la traverse en aluminium 6082 T6.
Les simulations de force par rapport au. déplacement montrent qu'une section transversale d'acier AHSS doit présenter des nervures pour fonctionner correctement. Par conséquent, tous ces profils présentent une forme de structure interne. Pour ne pas multiplier les coûts de fabrication ou la complexité du dispositif, de nombreuses simulations ont été faites avec des tubes carrés soudés ensemble.
Cette approche semble fonctionner, mais les nervures en butée sont deux fois plus épaisses. Par ailleurs, d'après les simulations, l'épaisseur de la coque extérieure du profilé est plus importante que l'épaisseur des nervures.
SSAB a déterminé quel profilé — avec des nervures de paroi simples — permet d'obtenir des parois extérieures plus épaisses pour des performances analogues à celles d'une traverse en aluminium en cas de collision, tout en conservant un poids identique pour les deux matières.
Est-ce qu'une traverse de bas de caisse à absorption d'énergie fabriquée en acier AHSS 1700M de Docol résisterait à la déformation due à la collision sans se fissurer ? Les premiers prototypes Docol montrent que c'est possible. Toutefois, tous ces profilés en tube carré demandent du soudage et SSAB compte procéder à d'autres tests pour vérifier que la ductilité des soudures de la traverse est suffisante pour gérer une déformation sans fissuration.
Les simulations de force par rapport au. déplacement montrent qu'une section transversale d'acier AHSS doit présenter des nervures pour fonctionner correctement. Par conséquent, tous ces profils présentent une forme de structure interne. Pour ne pas multiplier les coûts de fabrication ou la complexité du dispositif, de nombreuses simulations ont été faites avec des tubes carrés soudés ensemble.
Cette approche semble fonctionner, mais les nervures en butée sont deux fois plus épaisses. Par ailleurs, d'après les simulations, l'épaisseur de la coque extérieure du profilé est plus importante que l'épaisseur des nervures.
SSAB a déterminé quel profilé — avec des nervures de paroi simples — permet d'obtenir des parois extérieures plus épaisses pour des performances analogues à celles d'une traverse en aluminium en cas de collision, tout en conservant un poids identique pour les deux matières.
Est-ce qu'une traverse de bas de caisse à absorption d'énergie fabriquée en acier AHSS 1700M de Docol résisterait à la déformation due à la collision sans se fissurer ? Les premiers prototypes Docol montrent que c'est possible. Toutefois, tous ces profilés en tube carré demandent du soudage et SSAB compte procéder à d'autres tests pour vérifier que la ductilité des soudures de la traverse est suffisante pour gérer une déformation sans fissuration.
Concevoir des longerons de plancher en acier AHSS pour un transfert efficace des charges d'impact
La manière la plus efficace pour protéger le bloc batterie des véhicules électriques contre les intrusions lors d'une collision latérale consiste à s'assurer que les traverses de plancher directement sous le sol du compartiment des passagers ne se déformeront pas. Par conséquent, ces traverses doivent être robustes et ne pas absorber d'énergie du tout — pour au contraire transférer la force de la collision latérale d'un côté de la voiture à l'autre : voir Figure 7.
Pour obtenir le meilleur rapport performance/poids/coût en cas de collision, les traverses doivent être réalisées à partir d'une tôle fine d'acier AHSS, ce qui peut s'avérer compliqué quand l'acier est utilisé en compression. (Voir Manuel de conception : Conception de structures et fabrication en acier à haute limite d'élasticité.)
Des traverses avec différents profilés — mais toutes réalisées en acier Docol CR 1700M — ont fait l'objet d'une simulation par SSAB. Les différences de performance sont énormes. À partir d'un profil carré, se pose la question de la taille du rayon. Est-ce qu'un grand rayon avec une zone d'écrouissage modérée et plus étendue vaut mieux qu'un petit rayon avec une zone d'écrouissage élevée mais très localisée ? Les résultats de simulation de la Figure 8 montrent que 15 xt (soit le rayon en mm fois l'épaisseur de la traverse) permettent d'obtenir de meilleurs résultats que 1xt. Les épaisseurs de Docol 1700M de la traverse ont été ajustées de sorte que le poids total des différents profilés soit identique.
Des traverses avec différents profilés — mais toutes réalisées en acier Docol CR 1700M — ont fait l'objet d'une simulation par SSAB. Les différences de performance sont énormes. À partir d'un profil carré, se pose la question de la taille du rayon. Est-ce qu'un grand rayon avec une zone d'écrouissage modérée et plus étendue vaut mieux qu'un petit rayon avec une zone d'écrouissage élevée mais très localisée ? Les résultats de simulation de la Figure 8 montrent que 15 xt (soit le rayon en mm fois l'épaisseur de la traverse) permettent d'obtenir de meilleurs résultats que 1xt. Les épaisseurs de Docol 1700M de la traverse ont été ajustées de sorte que le poids total des différents profilés soit identique.
Figure 7 : Image de gauche : Transfert de charge de collision latérale par le longeron de plancher.
Image de droite : Installation de l'optimisation de la traverse.
Image de droite : Installation de l'optimisation de la traverse.
Figure 8 : Courbes de déplacement des forces des traverses Docol CR 1700M simulées. La légende montre les rayons en mm fois l'épaisseur de la traverse. Pour voir les profils de traverse testés ici, y compris celui qui présente les meilleurs performances, contactez Docol.
Les aciers AHSS ont une limite élastique très élevée et par conséquent, il faut prévoir un éventuel « flambage local » pour les pièces larges et fines travaillant en compression : voir le Manuel de conception de SSAB. L'une des méthodes pour limiter un flambage local consiste à réduire la largeur des segments profilés par une rainure et de répartir la charge sur plus de matière.
Il apparaît clairement dans la figure 8 que : 1) un rayon large vaut mieux qu'un petit, et 2) les rainures ont un effet majeur pour éliminer le risque de flambage local — elles permettent de faire passer les forces sur plus de rayons. Mais, pour conserver le même poids total, un profilé présentant une ou plusieurs rainures sera plus large sur sa surface avec une tôle Docol 1700M plus fine.
Les simulations montrent qu'en cas de collision, par rapport à un profilé de forme carrée, une traverse optimisée peut au moins doubler les performances de transfert de charge d'impact. Ce qui est critique pour cette application, c'est la charge maximale plutôt que l'absorption d'énergie. En cas de collision, cette charge maximale ne doit pas être dépassée.
Il apparaît clairement dans la figure 8 que : 1) un rayon large vaut mieux qu'un petit, et 2) les rainures ont un effet majeur pour éliminer le risque de flambage local — elles permettent de faire passer les forces sur plus de rayons. Mais, pour conserver le même poids total, un profilé présentant une ou plusieurs rainures sera plus large sur sa surface avec une tôle Docol 1700M plus fine.
Les simulations montrent qu'en cas de collision, par rapport à un profilé de forme carrée, une traverse optimisée peut au moins doubler les performances de transfert de charge d'impact. Ce qui est critique pour cette application, c'est la charge maximale plutôt que l'absorption d'énergie. En cas de collision, cette charge maximale ne doit pas être dépassée.
Quelle est la prochaine étape pour le Docol EV Design Concept ?
Il est vraiment dans l'intérêt des équipementiers de recourir à des aciers AHSS pour les pièces critiques des véhicules électriques sur batterie — tout en réalisant les mêmes économies de poids qu'avec l'aluminium ou une autre matière à forte émission de CO2, vendue bien plus cher.
Clairement, en tirant parti des AHSS, les équipementiers peuvent faire des économies supplémentaires. Nous mettons à disposition des études de simulations avec les AHSS pour les collisions latérales, entre autres. Elles démontrent comment il est possible d'améliorer les performances des pièces critiques pour la sécurité et par exemple, de multiplier par deux la performance des longerons de plancher.
Et enfin, nous voulons montrer de nouvelles conceptions et des méthodes de production innovantes pour les aciers AHSS, comme le profilage 3D pour des logements de batterie de véhicules électriques plus compacts. Les innovations comme le profilage 3D de l'acier AHSS pour fabriquer des maillages croisés fonctionnant sous compression ouvriront vraiment des possibilités d'optimiser les performances des charges axiales — aussi bien en latéral qu'en longitudinal.
Êtes-vous confronté à un problème de conception de véhicule électrique à batterie que vous aimeriez résoudre avec les aciers AHSS ? Il n'est jamais trop tôt pour nous contacter pour un prochain projet.
Clairement, en tirant parti des AHSS, les équipementiers peuvent faire des économies supplémentaires. Nous mettons à disposition des études de simulations avec les AHSS pour les collisions latérales, entre autres. Elles démontrent comment il est possible d'améliorer les performances des pièces critiques pour la sécurité et par exemple, de multiplier par deux la performance des longerons de plancher.
Et enfin, nous voulons montrer de nouvelles conceptions et des méthodes de production innovantes pour les aciers AHSS, comme le profilage 3D pour des logements de batterie de véhicules électriques plus compacts. Les innovations comme le profilage 3D de l'acier AHSS pour fabriquer des maillages croisés fonctionnant sous compression ouvriront vraiment des possibilités d'optimiser les performances des charges axiales — aussi bien en latéral qu'en longitudinal.
Êtes-vous confronté à un problème de conception de véhicule électrique à batterie que vous aimeriez résoudre avec les aciers AHSS ? Il n'est jamais trop tôt pour nous contacter pour un prochain projet.