Tilbake til søkeresultatene

ENERGIX-Stort program energi

Aluminium bus bars for marine battery systems

Alternativ tittel: Aluminium stømskinner for marine batterisystemer

Tildelt: kr 9,3 mill.

Prosjektleder:

Prosjektnummer:

296413

Prosjektperiode:

2019 - 2023

Midlene er mottatt fra:

Geografi:

Elektriske drivlinjer, enten gjennom hel-elektriske eller hybridløsninger, er en av de viktigste bidragene til å nå målet for utslippsreduksjon innen sjøtransport. Batterisystemet er et hovedelement i en elektrisk drivlinje og representerer en betydelig del av systemets totale vekt og kostnad. Utvikling av sikre, robuste og kostnadseffektive batterisystemer er derfor avgjørende for å sikre konkurranseevnen til disse nye og miljøvennlige løsningene. Marine batterisystemer er vanligvis basert på et modulært design, hvor hver modul består av et sett med mindre battericeller. Videre har batterisystemene interne strømskinner som forbinder alle cellene i en modul, samt eksterne strømskinner som forbinder modulene til et komplett system. Mens kobber er det mest brukte materialet for strømskinner, gjør høy ledningsevne og lav tetthet aluminium godt egnet som et alternativt materiale. Utfordringer knyttet til styrke og holdbarhet må imidlertid løses for å etablere konkurransedyktige løsninger. Det overordnede målet med prosjektet er å etablere typegodkjente aluminium-baserte strømskinner som er testet og klare for pilotinstallasjon, ved å kombinere tilgjengelig kunnskap og kompetanse på aluminiumteknologi, marine batterisystemer samt batteridrevne fartøy. I tillegg til de interne ressursene hos prosjektpartnerne vil prosjektet etablere omfattende samarbeid med NTNU og SINTEF gjennom NTNU Aluminium Product Innovation Center (NAPIC). Dette er et senter som er etablert for å fremme aluminiumbasert produktinnovasjon ved NTNU og er et tverrfaglig samarbeid mellom SINTEF og flere institutt ved NTNU. Det er utviklet ulike konseptuelle løsninger for eksterne strømskinner, samt en metodikk for testing av disse. Testoppsettet er en kombinasjon av eksponering for korrosivt miljø og termisk sykling. Termisk sykling er gjennomført med økende temperaturamplitude for å få frem forskjell i ytelse. Resultatene viser at bussbarer med nikkelbelegg gir stabil ytelse mens sykling på høy temperatur gir varierende ytelse for prøver uten overflatebelegg. Samtidig er det ønskelig å unngå overflatebelegg for å kunne konkurrere på pris. Det er derfor valgt å gjennomføre mer systematisk testing av skrudde forbindelser mellom aluminium bussbarer uten overflatebelegg. Resultatene fra disse testene viser at stabil ytelse for krever egnet forbehandling av flater som skal kobles sammen. Konklusjonen er derfor at skrudde forbindelser for aluminium uten overflatebelegg anbefales kun for anvendelser der man har god kontroll på sammenføyningsprosessen. Dette er et viktig resultat for marine batterisystemer der økt motstand i koblinger kan utgjøre en sikkerhetsrisiko. Den største utfordringen for sveiste interne strømskinner i aluminium er koblingen mellom aluminium og batteriterminaler for hver enkelt battericelle. Prosjektet har fokusert spesielt på sylindriske battericeller, der terminalene består av nikkelbelagt stål. En egnet prosess må gi en robust kobling med tilstrekkelig koblingsareal samtidig som at varmetilførsel og temperaturøkning må begrenses til et nivå som ikke skader battericellene. Det er gjennomført innledende sveisetester med laser, CMT fra Fronius samt ultralydsveising. Konklusjonen fra sveisetestene er at lasersveising er den mest lovende prosessen for sveising av aluminium til sylindriske battericeller. Det er derfor gjennomført omfattende testing og karakterisering av lasersveiser for å dokumentere ytelse og etablere robuste prosessparametere. Resultatene for prosjektet har bidratt til at Corvus har implementert interne koblingsskinner i aluminium for to av sine batterisystemer. Begge systemene er basert på lasersveising mellom koblingskinner og batteriterminaler.

The project results have been key enables for implementation of aluminum bus bars in new Corvus marine battery systems. Safety is always the main priority when developing marine battery systems, and well documented and stable performance is required for implementation of new solutions. Results from the extensive testing have shown that stable performance of bolted connections relies on proper preparation of the joint surface for non-coated aluminum bus bars. To avoid potential safety issues related to joint performance, Corvus has decided to base the initial implementation of aluminum bus bars on laser welding and utilized project results to establish robust laser welding solutions. The aluminum bus bar solutions are expected to be DNV approved and implemented for serial production during 2024. In addition to the described implementation in marine battery systems, the project results are used by Hydro to promote aluminum in conductors towards other industries. Especially towards electrification of the automotive industry, the potential for weight and cost reduction through implementation of aluminum as replacement for copper conductors represents a growing market. The project results on alloy selection as well as joint design and performance are valuable in supporting development and implementation of the new aluminum solutions.

The main objective of the project is to establish a solution for aluminium bus bars for marine applications as a direct replacement of the current copper-based solutions. With 60% of the electric conductivity and 30% of the density compared to copper, aluminium represents a potential 50% weight reduction of the bus bars. With the current LME prices, changing to aluminium also represents a significant reduction in cost. Marine battery systems have internal bus bars connecting all cells in one module, as well as external bus bars connecting modules into a complete system. For external bus bars, the main challenge related to use of aluminium is stable electrical conductivity of bolted connections. For internal bus bars, the main challenge restricting use of aluminium is related to joining of aluminium to the material used on the battery cell terminals, such as copper and nickel-plated steel. Due to a large number of separate cells used in a marine battery module, this joining process needs to allow short cycle time and be easily automated. Moreover, the heat input needs to be limited to avoid damage to the battery cells. Through utilization of available knowledge on metallurgy, corrosion, structural analyses and processing technology within the Norwegian aluminium industry, new and innovative aluminium bus bar solutions will be developed. These solutions are most likely found as a combination of alloy selection, surface treatment and design of the connections. Reducing both cost and weight, aluminium bus bars will increase the potential market for large marine battery systems, and thereby support development towards zero emission solutions. This is of special importance for high speed and long-range vessels, where cost and weight of the battery system is a major limitation.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

ENERGIX-Stort program energi