CN115224413A - 一种轻量化电池箱体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻量化电池箱体，包括上盖和下箱体，下箱体包括相互胶接连接的边框、横纵梁和底板，底板为三明治层板结构或多腔体型材结构，边框和横纵梁为多腔体型材结构，多腔体型材结构由连续纤维复合材料拉挤成型；连续纤维复合材料的内表面铺层和外表面铺层为连续纤维织物，中间填充层为连续纤维纱；连续纤维复合材料的原料包括连续纤维和浸渍在连续纤维上的树脂，连续纤维选自碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或几种，树脂选自环氧树脂、聚氨酯树脂中的一种或几种。本发明较传统的电池箱体减轻50%以上，且安装精度和材料利用率高，并在满足结构刚强度和重量、隔热绝缘、NVH等多方面的功能要求的基础上，有效降低了成本。

Description

一种轻量化电池箱体
技术领域
本发明属于电池应用技术领域，具体涉及一种轻量化电池箱体。
背景技术
新能源汽车的轻量化，对提升汽车的里程，提高汽车性能以及节能减排有重要意义。电池包的质量占整车***质量的18%~30%，而箱体质量约占电池包总质量的20%。电池箱体的轻量化，对整车的轻量化有明显的贡献。同时，通过采用高比强度，高比刚度的材料以及与车身结构协同的设计方案，能有效提高整车的扭转刚度和碰撞安全特性。
电池箱体减重可以从多个角度入手，一是使用高比强度，比刚度材料；另一个角度是从结构设计上进行集成和优化，减少结构冗余，提升结构效率。同时，电池箱体作为敏感储能***（电化学动力电池）的承载，不仅要满足结构刚强度和重量要求，还要满足隔热，绝缘，NVH等多方面的功能要求。
现有技术中，电池箱体通常采用钢、铝等金属材料，通过冲压、拉挤、压铸等工艺形成电池箱上盖，下箱体边框、横纵梁以及底板结构，不仅结构重量重，而且还会因为金属的高导热性带来热管理的不利。因此，电池箱结构会在其内外部增加额外的隔热保温层，从而增加额外的重量和成本。金属箱体多采用焊接工艺进行拼装，总体精度较低，加之下箱体焊装过程公差积累会大大降低电池箱体尺寸精度，对于产品质量，以及后续整包组装乃至装车工作都会带来一定难度和问题；此外，箱体上盖和底板采用金属材料，在满足热失控和NVH要求上存在着先天的弊端，从而不得不增加额外的防护涂层来改善相关性能。而对于下箱体，复杂的结构和受力形式为复合材料的应用带来了挑战，其经济性也是复合材料在箱体上大面积应用的主要挑战。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了一种轻量化电池箱体，较传统的电池箱体减轻50%以上，且安装精度和材料利用率高，并在满足结构刚强度和重量、隔热绝缘、NVH等多方面的功能要求的基础上，有效降低了成本。
技术方案：一种轻量化电池箱体，包括上盖和下箱体，所述下箱体包括相互胶接连接的边框、横纵梁和底板，所述边框分别设于底板的四周，所述横纵梁设于底板的上表面；所述底板为三明治层板结构或多腔体型材结构，所述边框和横纵梁为多腔体型材结构，所述底板、边框和横纵梁均由连续纤维复合材料拉挤成型；所述连续纤维复合材料包括内表面铺层、外表面铺层和中间填充层，所述内表面铺层和外表面铺层为连续纤维织物，所述中间填充层为连续纤维纱；所述连续纤维复合材料的原料包括连续纤维和浸渍在连续纤维上的树脂，所述连续纤维选自碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或几种，所述树脂选自环氧树脂、聚氨酯树脂中的一种或几种。
优选的，连续纤维复合材料成型为底板后，中间填充层的厚度占型材壁厚的25%~80%。
优选的，连续纤维复合材料成型为横纵梁或边框后，中间填充层的厚度占型材壁厚的40%~80%。
优选的，所述三明治层板结构包括上层合板、中间夹芯层和下层合板，所述上层合板和下层合板的厚度均为0.5~2mm，中间夹芯层的厚度为5~20mm。
优选的，所述中间夹芯层的原料为泡沫，所述泡沫选自PET，PU，PVC，PMI或轻木中的一种。
优选的，所述胶接采用结构胶为胶粘剂，所述结构胶为环氧胶、聚氨酯胶或丙烯酸结构胶。
优选的，所述边框与边框采用金属插接耳片式接头连接。
优选的，所述边框与金属插接耳片式接头的胶接处，胶层厚度为1~2mm。
优选的，所述横纵梁与边框通过角片胶接，胶层厚度为0.2~1.5mm。
优选的，所述横纵梁与底板胶接的胶层厚度、边框与底板胶接的胶层厚度均为0.5~3mm。
有益效果：本发明利用连续纤维复合材料的高强度、高刚度比的特性制备电池箱体，能够大幅减轻电池箱体的重量达50%以上。同时本发明针对不同零部件的承载性能要求和载荷形式，混合应用了多种结构工艺形式，充分利用了连续纤维复合材料的各向异性，最大程度上实现了力学性能和经济性的平衡。连续纤维复合材料的大量使用，满足了电池箱体的热扩散性能要求、隔热保温要求和底板的NVH性能要求，实现了结构、材料和功能的一体化。
本发明以胶接为主实现电池箱体的装配，可以实现公差补偿，提高了电池箱体的整体精度；通过拉挤工艺在边框、横纵梁和底板结构上的大比例使用，提高了材料利用率，解决了下箱体复杂结构的成型工艺问题和成本问题。
附图说明
图1是电池箱体的结构示意图；
图2是电池箱体的拆解结构图；
图3是横纵梁的截面图；
图4是边框的截面图；
图5是横纵梁与底板的胶接示意图；
图6是边框之间的胶接示意图；
图7是横纵梁与边框的胶接示意图；
图8是边框与底板的胶接示意图；
图中各数字标号代表如下：1.上盖；2.边框；3.横纵梁；4.底板；5.内表面铺层；6.外表面铺层；7.中间填充层；8.结构胶；9.金属插接耳片式接头；10.角片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
如图1所示，一种轻量化电池箱体，包括上盖1和下箱体，上盖1和下箱体通过螺栓装配。如图2所示，下箱体的主体承载部件包括边框2、横纵梁3和底板4，通过金属接头相互胶接，并配合以机械连接方式实现组装，连接紧固件可应用螺栓、拉铆和抽芯铆钉等类型。所述边框2和横纵梁3都设置在底板4的上表面，所述边框2分别设于底板4的四周，所述横纵梁3分布在边框2的内部。
在结构设计上，根据下箱体不同零部件的性能要求，所述底板4设计为三明治层板结构或多腔体型材结构，所述边框2和横纵梁3为多腔体型材结构，可为复合材料或复合材料和金属材料型材的组合；所述边框2与边框2采用金属插接耳片式接头9连接，所述横纵梁3与边框2通过角片10胶接，同时根据性能、空间和成本要求，接头均可设计为型材或薄板结构。连续纤维复合材料成型为底板后，中间填充层的厚度占型材壁厚的25%~80%。连续纤维复合材料成型为横纵梁或边框后，中间填充层的厚度占型材壁厚的40%~80%。
在材料选择上，所述多腔体型材结构由连续纤维复合材料拉挤成型；所述连续纤维复合材料包括内表面铺层5、外表面铺层6和中间填充层7，所述内表面铺层5和外表面铺层6为连续纤维织物，所述中间填充层7为连续纤维纱；所述连续纤维复合材料的原料包括连续纤维和浸渍在连续纤维上的树脂，所述连续纤维选自碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或几种，所述树脂选自环氧树脂、聚氨酯树脂中的一种或几种。所述金属插接耳片式接头9和角片10采用合金钢或铝合金材料。所述胶接采用结构胶8为胶粘剂，所述结构胶8为环氧胶、聚氨酯胶或丙烯酸结构胶8。所述底板4内设有泡沫夹芯，所述泡沫选自PET，PU，PVC，PMI或轻木中的一种。
在制备工艺上，通过拉挤成型工艺（织物拉挤、拉编、拉缠等），可以增加非0°方向纤维，提高结构的抗扭转和抗冲击性能；金属插接耳片式接头9可采用拉挤、铸造、机加等工艺方式成型；角片10可采用冲压、拉挤、铸造等方式成型。
实施例2
如图3和图4所示，本实施例中，边框2和横纵梁3为多腔体型材结构。边框2壁厚为3~4mm，外表面铺层6与内表面铺层5分别采用1~2层碳纤维或者玻璃纤维4轴向（0°，90°，+45°，-45°）NCF织物，织物总厚度为1~2mm，内外表层织物中间的中间填充层7采用碳纤维单向纱填充，厚度为2~3mm。横纵梁3壁厚为2~4mm，外表面铺层6与内表面铺层5分别采用1~2层碳纤维或者玻璃纤维3-4轴向（0°，+45°，-45°）NCF织物，织物总厚度为0.35~1mm，内外表层织物中间的中间填充层7采用碳纤维单向纱填充。树脂采用拉挤专用环氧树脂。
边框2与横纵梁3的制备工艺过程如下：
S1：备料
将单向纱放置到带有可调节张力的纱架上，织物制作的卷盘放置到带有张力控制的料架上，根据工艺要求引出单向纱、织物和防火毡，同时调整好单向纱的张力及织物和防火毡卷盘的张力大小。
S2：浸渍树脂
将料架上的单向纱、织物及防火毡按照顺序分别穿过导布辊，进入到加热恒温树脂胶槽中浸渍环氧树脂，通过挤胶辊的夹紧来控制树脂含量，胶槽中的胶液连续不断地循环更新，防止因胶液中溶剂挥发造成树脂粘度加大，挤胶辊的作用是使树脂进一步浸渍单向纱、织物及防火毡材料，同时起到控制含胶量和排气的作用，导布辊的作用是将浸渍树脂后的单向纱、织物跟防火毡分开，确保按工艺的要求合理分布。
S3：预成型
将浸透了环氧树脂的单向纱、织物跟防火毡进一步整理均匀并除去多余的树脂和排除气泡，使其形状逐渐形成固化模具的进口形状。
S4：固化
模口温度控制在60~120℃，进入拉挤模具分多段式加热，温度为70~120℃， 120~180℃，180~230℃，根据产品结构不同，拉挤速度为0.2~3 m/min，拉挤成型出边框2；
拉挤出的边框2进入后固化加热炉进行热应力处理及后固化，后固化加热炉分多段加热，温度为230℃~175℃，175℃~120℃， 120℃~70℃；
固化成为0.5mm~5mm的电池箱体的边框2。
S5：牵引
后固化完成后根据拉挤制品的形状尺寸调整牵引力的大小，牵引力可在50～100kN中调整，调整好后通过履带式或往复式牵拉机构拉出，牵引速度无级调速，根据工艺要求设定。
S6：切割
切割是在连续生产过程中进行的，当制品长度达到要求时，制品端部到达控制长度的位置，控制器接通切割电机电路，切割装置开始工作。首先是装有橡皮垫的夹具，将制品抱紧，然后用合金刀具切割成所需的边框2产品。
本实施例中底板4采用三明治层板结构，通过模压或RTM成型工艺制备，具体采用连续纤维三明治泡沫夹芯结构。所述三明治层板结构包括上层合板、中间夹芯层和下层合板，所述上层合板和下层合板的厚度均为0.5~2mm，中间夹芯层的厚度为5~20mm。所述中间夹芯层的泡沫采用带有树脂渗透孔的PU泡沫，并通过HP-RTM工艺方法成型。上盖1材料采用玻璃纤维织物和环氧树脂。金属插接耳片式接头9采用铝合金拉挤型材件，角片10采用铝合金冲压型材。
边框2和横纵梁3、底板4，以及连接接头完成后，将各零部件在下箱体工装上分别定位进行装配；其中边框2与边框2的装配过程采用注胶技术，先将铝合金接头耳片***边框2框型材空腔，通过边框2上的注胶孔，用注胶枪将结构胶8注入后加热固化完成连接，如图6所示，胶层厚度为1~2mm。横纵梁3和边框2通过铝合金角片10的连接采用涂胶技术，胶层厚度为0.2~1.5mm，先将结构胶8均匀涂覆在经表面处理后的连接件上，通过工装的移动，夹持完成与被连接件的贴合，进而加热固化完成连接，如图7所示。横纵梁3与底板4、边框2与底板4采用涂胶技术胶接，胶层厚度均为0.5~3mm，如图8所示。
传统钢材比强度为153 MPa/(g/cm3)，比刚度为26 GPa/(g/cm3)；铝合金比强度为151 MPa/(g/cm3)，比刚度为26 GPa/(g/cm3)；碳纤维复合材料层压板比强度为506~1100MPa/(g/cm3),比刚度为38~81 GPa/(g/cm3)；玻璃纤维复合材料层压板比强度为410~898MPa/(g/cm3)，比刚度为13~28 GPa/(g/cm3)；三明治夹芯结构中夹芯材料密度通常在200kg/m3以下，因此本实施例中采用三明治夹芯结构比传统层压板刚度更大，轻量化效果更高。
碳纤维复合材料热传导系数为0.6~6 W/m·K，玻璃纤维复合材料热传导率为0.06~0.08 W/m·K，具有良好的隔热保温性能。
玻璃纤维在热扩散温度下可呈熔融，防止火焰穿出，具有良好的放热扩散性能。
连续纤维复合材料属于高分子材料，其振动阻尼大，具有良好的NVH性能。

Claims (10)

1.一种轻量化电池箱体，其特征在于，包括上盖（1）和下箱体，所述下箱体包括相互胶接连接的边框（2）、横纵梁（3）和底板（4），所述边框（2）和横纵梁（3）设于底板（4）的上表面，所述边框（2）分别设于底板（4）的四周，所述横纵梁（3）分布于边框（2）的内部；所述底板（4）为三明治层板结构或多腔体型材结构，所述边框（2）和横纵梁（3）为多腔体型材结构，所述多腔体型材结构由连续纤维复合材料拉挤成型；所述连续纤维复合材料包括内表面铺层（5）、外表面铺层（6）和中间填充层（7），所述内表面铺层（5）和外表面铺层（6）采用连续纤维织物，所述中间填充层（7）采用连续纤维纱；所述连续纤维复合材料的原料包括连续纤维和浸渍在连续纤维上的树脂，所述连续纤维选自碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维中的一种或几种，所述树脂选自环氧树脂、聚氨酯树脂中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种轻量化电池箱体，其特征在于，成型为底板（4）的连续纤维复合材料中，中间填充层（7）的厚度占型材壁厚的25%~80%。
3.根据权利要求1所述的一种轻量化电池箱体，其特征在于，成型为横纵梁（3）或边框（2）的连续纤维复合材料中，中间填充层（7）的厚度占型材壁厚的40%~80%。
4.根据权利要求1所述的一种轻量化电池箱体，其特征在于，所述三明治层板结构包括上层合板、中间夹芯层和下层合板，所述上层合板和下层合板的厚度均为0.5~2mm，中间夹芯层的厚度为5~20mm。
5.根据权利要求4所述的一种轻量化电池箱体，其特征在于，所述中间夹芯层的原料为泡沫，所述泡沫选自PET，PU，PVC，PMI或轻木中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种轻量化电池箱体，其特征在于，所述胶接采用结构胶（8）为胶粘剂，所述结构胶（8）为环氧胶、聚氨酯胶或丙烯酸结构胶。
7.根据权利要求1所述的一种轻量化电池箱体，其特征在于，所述边框（2）与边框（2）采用金属插接耳片式接头（9）连接。
8.根据权利要求7所述的一种轻量化电池箱体，其特征在于，所述边框（2）与金属插接耳片式接头（9）的胶接处，胶层厚度为1~2mm。
9.根据权利要求1所述的一种轻量化电池箱体，其特征在于，所述横纵梁（3）与边框（2）通过角片（10）胶接，胶层厚度为0.2~1.5mm。
10.根据权利要求1所述的一种轻量化电池箱体，其特征在于，所述横纵梁（3）与底板（4）胶接的胶层厚度、边框（2）与底板（4）胶接的胶层厚度均为0.5~3mm。
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