CN107639858A - 一种具有损伤感知的复合材料动力电池包及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有损伤感知的复合材料动力电池包及其制备方法。动力电池底座与上盖接合处通过连接件压紧密封；底座底部中间设置有U型凹槽；底座和上盖的复合层中间均设有与U型凹槽平行的多条压电传感器；其两端分别集中于各自接插口与检测仪表连接，底座的一个侧壁孔内装有电缆引出装置。底座和上盖均采用阴、阳模的模具模压，在阴模内按顺序依次敷设脱模剂、外碳纤维层、玻璃纤维层、植入压电传感器的传感器层及内碳纤维层；其纤维层数和纤维角度按照载荷状况计算确定；敷设好后置入涂有脱模剂的阳模并压紧固化。本发明具有低成本、重量轻和可大批量生产的特点。可用于各类无人驾驶飞机、航空飞行器和各类电动汽车等动力电池的外壳。
Description
技术领域
本发明涉及一种动力电池包及其制备方法，特别是涉及一种具有损伤感知的复合材料动力电池包及其制备方法。
背景技术
动力电池包是电动汽车中用来安全承载动力电池的部件，其安全性十分重要，传统动力电池包为钢质材料，随着电动汽车对各项指标的要求越来越高，汽车的轻量化成为一个主要的发展方向，其中电池包结构的轻量化也成为主要目标。目前电池包轻量化主要采用高强钢、铝合金及复合材料等作为轻量化新材料，效果非常显著，尤其采用复合材料结构可以比传统金属材料减轻50%的重量，因此越来越被广泛采用。
目前有关复合材料动力电池包专利主要有李瑞峰等的ZL201620578424.0 “一种动力电池包箱体结构”，其大部分结构由不同材料的板拼装而成，不是一体化成形，因此强度及刚度有所下降；宁德时代新能源科技股份有限公司的ZL201621061423.5 “动力电池包上盖结构”，提出了一种SMC复合材料动力电池上盖，可以减轻电池包的重量，但是电池包本体结构仍然是金属的；成都凯迈科技有限公司的ZL201320884689.X “一种复合材料电池保温箱”，采用金属、保温层、复合材料对动力电池隔热，便于电池的能热管理与控制；美国US2014352886A1 “Battery pack case assembly for electric and hybrid vehiclesusing a plastic composite and a method for manufacturing the same”介绍了一种动力电池结构及制造方法；赵紫州的ZL201610188261.X “一种锂电池包”，介绍一种用于锂电池的改性碳纤维复合材料框架，有利于散热，并且具有阻燃功能。复合材料动力电池包已有较多专利，但是具有损伤感知功能的专利还未见申请。
发明内容
为了克服背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有损伤感知的复合材料动力电池包及其制备方法，它具有实时感知电池包损伤、低成本、重量轻和可大批量生产的特点。
本发明采用的技术方案是：
一、一种具有损伤感知的复合材料动力电池包：
包括动力电池底座、上盖、密封垫和电缆引出装置；动力电池底座与上盖接合处有密封垫，动力电池底座与上盖和密封垫通过连接件压紧密封；动力电池底座底部设置U型凹槽；动力电池底座和上盖的底面及四周复合层中间均设有多条压电传感器；多条压电传感器一端集中于一个接插口处，另一端集中于另一个接插口处，两个接插口用数据线分别与检测仪表的两端连接，动力电池底座的一个侧壁孔内装有电缆引出装置。
所述电缆引出装置，包括电缆引出管、两个锁紧螺母和两个绝缘密封垫；电缆引出管装在动力电池底座的一个侧壁孔内，通过各自的锁紧螺母和各自的绝缘密封垫分别拧紧于电缆引出管两端的外螺纹上，两个锁紧螺母的一端都是带有螺纹的开口，两个锁紧螺母的另一端是与各自电缆外套形成一体的电缆护套，锁紧螺母和电缆护套均采用绝缘塑料制成；电缆引出管的外侧结构与内侧结构完全对称一致，电缆引出管的内侧和外侧的电缆通过电缆引出管内的导线密封连接，电缆引出管内的导线有绝缘塑料固定。
所述动力电池底座和上盖的底面及四周复合层均由内向外分别为内碳纤维层、传感器层、玻璃纤维层和外碳纤维层；多条压电传感器敷设在传感器层中。
所述多条压电传感器为电阻应变丝、压电传感器或压电光栅。
二、一种具有损伤感知的复合材料动力电池包的制备方法，该动力电池底座和上盖均采用由阴模和阳模组成的模具模压，其中：
1) 动力电池底座的制备方法：
在成型前根据各部位承受载荷的大小，在阴模内按顺序依次敷设脱模剂、外碳纤维层、玻璃纤维层、植入多条压电传感器的传感器层及内碳纤维层；碳纤维层数、玻璃纤维层数和纤维角度按照载荷状况计算确定；敷设好后置入涂有脱模剂的阳模并压紧，待固化后取出，即为动力电池底座；
2) 上盖的制备方法：
在成型前根据各部位承受载荷的大小，在阴模内按顺序依次敷设脱模剂、外碳纤维层、玻璃纤维层、植入多条压电传感器的传感器层及内碳纤维层；碳纤维层数、玻璃纤维层数和纤维角度按照载荷状况计算确定；敷设好后置入涂有脱模剂的阳模并压紧，待固化后取出，即为上盖；
3) 电缆引出装置的设置：
是在动力电池底座在成型之后，用粘结剂将电缆引出装置粘结于动力电池底座一个侧壁的预设开孔内。
所述动力电池底座的外碳纤维层为(±45 º)倍数的编织碳纤维层，玻璃纤维层为(0，±45 º，90)倍数的纤维层，压电传感器为多条电阻应变丝，内碳纤维层为(±45 º)倍数的编织碳纤维层，固化后成形。
所述上盖的外碳纤维层为(±45 º)倍数的编织碳纤维层，玻璃纤维层为(0，±45º，90)倍数的纤维层，压电传感器为多条电阻应变丝，内碳纤维层为(±45 º)倍数的编织碳纤维层，固化后成形。
所述纤维为预涂胶纤维或是编织纤维再进行真空注入树脂。
本发明具有的有益效果是：
具有损伤感知的复合材料动力电池包结构具有对各种损伤进行实时监控的功能，这种嵌入式结构是复合材料层合结构所特有的，传统金属材料无法嵌入这种智能结构，该技术可以确保动力电池在运行中的安全。本复合材料动力电池包整体结构具有密封性，具有防水防油等功能。采用一体化成型技术制造复合材料动力电池包结构，与传统金属结构相比，具有低成本、重量减轻50%以上和可大批量生产的特点。它可用于各类无人驾驶飞机、航空飞行器和各类电动汽车等动力电池的外壳结构。
附图说明
图1是本发明的结构主视图。
图2是动力电池底座的俯视图。
图3是电池包壁厚的剖视图。
图4是电缆引出装置的局部放大图。
图中：1、动力电池底座，2、上盖，3、加强筋，4、密封垫，5、螺栓，6、螺母，7、垫片，8、U型凹槽，9、电缆引出装置，10、压电传感器，11、检测仪表，12、数据线，13、内碳纤维层，14、传感器层，15、玻璃纤维层，16、外碳纤维层，17、螺栓孔，18、电缆护套，19、绝缘密封垫，20、导线，21、电缆引出管，22、外螺纹，23、锁紧螺母，24、绝缘塑料，25、接插口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，本发明包括动力电池底座1、上盖2、密封垫4和电缆引出装置9；动力电池底座1与上盖2接合处有密封垫4，动力电池底座1与上盖2和密封垫4通过连接件螺栓5、螺母6和垫片7压紧密封，；上盖2连接法兰四周边缘的螺栓压紧面与上盖凸起之间有加强筋3，法兰边开有多个螺栓孔17；动力电池底座1的内部四周转角处、动力电池底座1底部中间的U型凹槽8均有圆角过渡；动力电池底座1底部中间设置有有增强底部的两条U型凹槽8；动力电池底座1和上盖2的底面及四周复合层中间均设有与两条U型凹槽8平行的多条压电传感器10(图1中为8条)；多条压电传感器10一端集中于一个接插口处，另一端集中于另一个接插口处，两个接插口用数据线分别与检测仪表11的两端连接，检测仪表可以检测到哪一条传感器发生损伤，检测仪表可以安装于汽车的仪表板上。动力电池底座1的一个侧壁孔内装有电缆引出装置9。
如图1和图4所示，所述电缆引出装置9，包括电缆引出管21、两个锁紧螺母23和两个绝缘密封垫19；电缆引出管21装在动力电池底座1的一个侧壁孔内，通过各自的锁紧螺母23和各自的绝缘密封垫19分别拧紧于电缆引出管21两端的外螺纹22上，两个锁紧螺母23的一端都是带有螺纹的开口，两个锁紧螺母23的另一端是与各自电缆外套形成一体的电缆护套18，锁紧螺母23和电缆护套18均采用绝缘塑料制成；电缆引出管21的外侧结构与内侧结构完全对称一致，电缆引出管21的内侧和外侧的电缆通过电缆引出管21内的导线20密封连接，电缆引出管21内的导线20有绝缘塑料24固定。
如图1和图3所示，所述动力电池底座1和上盖2的底面及四周复合层均由内向外分别为内碳纤维层13、传感器层14、玻璃纤维层15和外碳纤维层16；多条压电传感器10敷设在传感器层14中。
所述多条压电传感器10为电阻应变丝、压电传感器或压电光栅。
本发明具有损伤感知的复合材料动力电池包的制备方法，该动力电池底座1和上盖2均采用由阴模和阳模组成的模具模压，其中：
1) 动力电池底座1的制备方法：
在成型前根据各部位承受载荷的大小，在阴模内按顺序依次敷设脱模剂、外碳纤维层16、玻璃纤维层15、植入多条压电传感器的传感器层14及内碳纤维层13；碳纤维层数、玻璃纤维层数和纤维角度按照载荷状况计算确定；敷设好后置入涂有脱模剂的阳模并压紧，待固化后取出，即为动力电池底座1；
2) 上盖2的制备方法：
在阴模内按顺序依次敷设脱模剂、外碳纤维层16、玻璃纤维层15、植入多条压电传感器的传感器层14及内碳纤维层13；碳纤维层数、玻璃纤维层数和纤维角度按照载荷状况计算确定；敷设好后置入涂有脱模剂的阳模并压紧，待固化后取出，即为上盖2；
3) 电缆引出装置9的设置：
是在动力电池底座1在成型之后，用粘结剂将电缆引出装置9粘结于动力电池底座1 一个侧壁的预设开孔内。
所述动力电池底座1的外碳纤维层为(±45 º)倍数的编织碳纤维层，玻璃纤维层为(0，±45 º，90)倍数的纤维层，压电传感器10为多条电阻应变丝，内碳纤维层为(±45 º)倍数的编织碳纤维层，固化后成形。
以一台商用车动力电池包为例，外碳纤维层为(±45 º)2四层T700编织碳纤维层，玻璃纤维层为(0，±45 º，90)4s三十二层纤维，压电传感器10为8条电阻应变丝，内碳纤维层为(±45 º)2四层T700编织碳纤维层，合计44层，固化后厚度5mm，凹槽的宽度是80mm，深度40mm，四周圆角均为5mm。
所述上盖2的外碳纤维层为(±45 º)倍数的编织碳纤维层，玻璃纤维层为(0，±45º，90)倍数的纤维层，压电传感器10为多条电阻应变丝，内碳纤维层为(±45 º)倍数的编织碳纤维层，固化后成形。
以一台商用车动力电池包为例，外碳纤维层为(±45 º)2四层T700编织碳纤维，玻璃纤维层为(0，±45 º，90)2s十六层纤维，压电传感器10为8条电阻应变丝，内碳纤维层为(±45 º)2四层T700编织碳纤维层，合计24层，固化后厚度3mm。
8条电阻应变丝通过接插口接到带显示的检测仪表11(即电阻应变仪)，当电阻应变丝因动力电池包外壳受到外力撞击或者长期使用发生裂纹时，电阻应变丝的受冲击力的部位或者裂纹部分的电阻丝长度会发生变化，甚至断裂，当电阻应变丝的这种变化发生时，电阻应变仪即可检测到这种突然的变化。如果极端情况下该通道的电阻丝断裂，则电阻应变仪将发出报警灯闪亮。根据电阻应变丝的位置，可以非常方便的找到该损伤的位置和严重程度。
所述纤维为预涂胶纤维或是编织纤维再进行真空注入树脂。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种具有损伤感知的复合材料动力电池包，包括动力电池底座(1)、上盖(2)、密封垫(4)和电缆引出装置(9)；动力电池底座(1)与上盖(2)接合处有密封垫(4)，动力电池底座(1)与上盖(2)和密封垫(4)通过连接件压紧密封；动力电池底座(1)底部设置有U型凹槽(8)；动力电池底座(1)和上盖(2)的底面及四周复合层中间均设有多条压电传感器(10)；多条压电传感器(10)一端集中于一个接插口处，另一端集中于另一个接插口处，两个接插口用数据线分别与检测仪表(11)的两端连接，动力电池底座(1)的一个侧壁孔内装有电缆引出装置(9)。
2.根据权利要求1所述的一种具有损伤感知的复合材料动力电池包，其特征在于：所述电缆引出装置(9)，包括电缆引出管(21)、两个锁紧螺母(23)和两个绝缘密封垫(19)；电缆引出管(21)装在动力电池底座(1)的一个侧壁孔内，通过各自的锁紧螺母(23)和各自的绝缘密封垫(19)分别拧紧于电缆引出管(21)两端的外螺纹(22)上，两个锁紧螺母(23)的一端都是带有螺纹的开口，两个锁紧螺母(23)的另一端是与各自电缆外套形成一体的电缆护套(18)，锁紧螺母(23)和电缆护套(18)均采用绝缘塑料制成；电缆引出管(21)的外侧结构与内侧结构完全对称一致，电缆引出管(21)的内侧和外侧的电缆通过电缆引出管(21)内的导线(20)密封连接，电缆引出管(21)内的导线(20)有绝缘塑料(24)固定。
3.根据权利要求1所述的一种具有损伤感知的复合材料动力电池包，其特征在于：所述动力电池底座(1)和上盖(2)的底面及四周复合层均由内向外分别为内碳纤维层(13)、传感器层(14)、玻璃纤维层(15)和外碳纤维层(16)；多条压电传感器(10)敷设在传感器层(14)中。
4.根据权利要求1所述的一种具有损伤感知的复合材料动力电池包，其特征在于：所述多条压电传感器(10)为电阻应变丝、压电传感器或压电光栅。
5.用于权利要求1所述的一种具有损伤感知的复合材料动力电池包的制备方法，其特征在于：该动力电池底座(1)和上盖(2)均采用由阴模和阳模组成的模具模压，其中：
1) 动力电池底座(1)的制备方法：
在成型前根据各部位承受载荷的大小，在阴模内按顺序依次敷设脱模剂、外碳纤维层(16)、玻璃纤维层(15)、植入多条压电传感器的传感器层(14)及内碳纤维层(13)；碳纤维层数、玻璃纤维层数和纤维角度按照载荷状况计算确定；敷设好后置入涂有脱模剂的阳模并压紧，待固化后取出，即为动力电池底座(1)；
2) 上盖(2)的制备方法：
在阴模内按顺序依次敷设脱模剂、外碳纤维层(16)、玻璃纤维层(15)、植入多条压电传感器的传感器层(14)及内碳纤维层(13)；碳纤维层数、玻璃纤维层数和纤维角度按照载荷状况计算确定；敷设好后置入涂有脱模剂的阳模并压紧，待固化后取出，即为上盖(2)；
3) 电缆引出装置(9)的设置：
是在动力电池底座(1)在成型之后，用粘结剂将电缆引出装置(9)粘结于动力电池底座(1) 一个侧壁的预设开孔内。
6.根据权利要求5所述的一种具有损伤感知的复合材料动力电池包的制备方法，其特征在于：所述动力电池底座(1)的外碳纤维层为(±45 º)倍数的编织碳纤维层，玻璃纤维为(0，±45 º，90)倍数的纤维层，压电传感器(10)为多条电阻应变丝，内碳纤维层为(±45 º)倍数的编织碳纤维层，固化后成形。
7.根据权利要求5所述的一种具有损伤感知的复合材料动力电池包的制备方法，其特征在于：所述上盖(2)的外碳纤维层为(±45 º)倍数的编织碳纤维层，玻璃纤维层为(0，±45 º，90)倍数的纤维层，压电传感器(10)为多条电阻应变丝，内碳纤维层为(±45 º)倍数的编织碳纤维层，固化后成形。
8.根据权利要求5所述的一种具有损伤感知的复合材料动力电池包的制备方法，其特征在于：所述纤维为预涂胶纤维或是编织纤维再进行真空注入树脂。
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