CN107768556A - 一种局部增强的多纤维混杂复合材料电池壳及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
一种局部增强的多纤维混杂复合材料电池壳及制备工艺，电池壳包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体通过螺栓连接；所述下壳体包括复合材料主壳体和分布在主壳体上复合材料增强带，复合材料增强带对所述主壳体起到了局部加强的作用，在制备工艺的快速加热阶段中复合材料增强带与主壳体通过基体的融化连接在一起。所述电池壳的下壳体使用多纤维混杂模式，包括两种模式：主壳体采用单向连续复合材料，增强带采用纤维织物；主壳体和增强带采用纤维混编复合材料。所述电池壳的上壳体与下壳体的主壳体使用的材料相同。本发明制备工艺流水线包含原料抓取、切割、预成形、快速加热、模压成型等工序；可设计性强，实现电池壳减重的同时，又能保证其力学性能优异、生产成本低、生产工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种局部增强的多纤维混杂复合材料电池壳及制备工艺，具体涉及到局部织物增强、变厚度、多材料体系热塑性复合材料电池壳的自动化高效生产工艺。
背景技术
汽车的轻量化设计对于汽车产业及交通运输行业实现节能减排，绿色发展意义重大，是该产业持续发展的必经之路。电池组总成在电动汽车整备质量中占比可达30％，因而电池壳轻量化设计对整车轻量化十分重要。复合材料由于其轻量化、高比刚、高比强，冲击吸能特性良好等优势，在汽车零部件设计的应用逐渐广泛。
目前大部分复合材料零部件都是单一材料的，但是单一复合材料往往无法满足设计的多方面需求。如果整体使用力学性能优异的复合材料，会造成零部件的成本过高。
因此目前的复合材料电池壳设计中，为了提高电池壳的力学性能，以满足电池壳的承载要求和在碰撞下的抗变形能力，往往会设计出较大的壁厚或者加筋结构。但是大壁厚会使得电池壳的整体重量大幅增加，设置筋条不仅变相减小了电池壳的容量，而且在大部分设计中筋条是胶粘在壳体上的，在实际使用中连接界面处很容易发生失效。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种局部增强的多纤维混杂复合材料电池壳及制备工艺，既降低电池壳的重量，同时又能保证其满足力学性能、生产成本等多项要求。
因此，本发明提出了一种局部增强复合材料电池壳，该电池壳具有变厚度、多种纤维混杂的特点，用于增强的碳纤维织物复合材料与主体间连接可靠，可以有效地实现电池壳的轻量化。
本发明一种局部增强的多纤维混杂复合材料电池壳，包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体通过螺栓连接；上壳体和下壳体使用的是单向连续碳纤维强复合材料；所述下壳体包括采用单向连续碳纤维复合材料的主壳体和分布在主壳体上的碳纤维织物复合材料增强带，所述下壳体所用的碳纤维织物复合材料由于在2个方向上均有优异的力学性能，优于单向连续碳纤维复合材料，因此对下壳体完成了局部的增强；在制备工艺的快速加热阶段中碳纤维织物复合材增强带与主壳体通过基体的融化连接在一起。
本发明所述电池壳的下壳体使用多纤维混杂模式，包括两种模式：(1)主壳体采用单向连续复合材料，增强带采用纤维织物；(2)主壳体和增强带采用纤维混编复合材料。两种模式既可以单独使用，也可以同时使用在一个电池壳上。
一种局部增强的多纤维混杂复合材料电池壳制备工艺，其特征在于步骤如下：
(1)将单向连续纤维复合材料预浸料和纤维织物复合材料预浸料板切割成用于后续铺层的方形单向连续纤维复合材料预浸料板和纤维织物复合材料预浸料带；
(2)将步骤(1)中切割出的纤维织物复合材料预浸料带铺放在方形单向连续纤维复合材料预浸料板上，用超声波焊接进行固定，形成毛坯；
(3)将步骤(2)中生产出的毛坯以及用于生产上壳体的方形单向连续纤维复合材料预浸料板送入加热炉中进行加热；
(4)将步骤(3)中加热好的毛坯和方形单向连续纤维复合材料预浸料板分别送入压机中进行模压，分别制成电池壳的下壳体和上壳体；
(5)在下壳体和上壳体上分别打孔，使用螺栓将它们连接。
本发明中所增设的纤维织物复合材料增强带，类似于传统电池壳中的加筋结构，但在加筋结构的复合材料中，筋条都是在主壳体成型之后粘接到壳体上的。而本发明中的增强带是在模压之前通过对毛坯的加热与主壳体连接在一起的。根据所需的工况，可以更改增强带的布置数量。
同时，为了实现该电池壳的规模化生产，本发明所提出的局部增强复合材料电池壳由热塑性材料经自动化流水线生产而成。本发明提出的复合材料制备工艺流水线包含原料抓取、切割、预成形、快速加热、模压成型等工序。各个工序之间使用吸盘式机械手及传送带进行工件的运输。
本发明所述局部增强复合材料电池壳，主壳体所使用的单向纤维复合材料的增强相可以为各种单向纤维，纤维织物增强带所使用的复合材料的增强相可以是各种纤维织物，纤维混编复合材料所使用的增强相可以是任意的多种纤维混编而成的单向纤维或纤维织物。主壳体和增强带所使用的复合材料采用同一种基体材料，基体可以为各种热塑性树脂。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)使用单向连续碳纤维与纤维织物或纤维混编的多纤维模式，同时满足轻量化和力学性能的要求。与CN 106898711 A所使用的金属加强骨架相比，采用了碳纤维织物复合材料作为增强结构所用的材料，进一步降低了电池壳的重量。
(2)利用复合材料的基体的融化来完成局部增强结构与主壳体之间的连接，连接的界面性能好，在受力时不容易发生界面的失效。
(3)可设计性强，可以根据使用需要改变材料的搭配和增强带的数量。
(4)工艺简单、同时使用流水线生产，生产效率更高，降低生产周期和生产成本。
附图说明
图1为局部增强的多纤维混杂复合材料电池壳；
图2为电池壳下壳体的俯视图；
图3为发明制备工艺流程图；
图4为本发明电池壳下壳体毛坯；
图5为模压示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的局部增强的多纤维混杂复合材料电池壳由上壳体1和下壳体2组成，上壳体1和下壳体2通过螺栓连接。
如图2所示，下壳体2包含单向连续碳纤维复合材料制成的主壳体3和碳纤维织物复合材料制成的增强带4，增强带在制备过程的快速加热工序中通过其与主壳体基体的融合完成连接。
在设计时，根据搭载该电池壳的汽车的类型，预先计算出在电池壳受到冲击载荷发生横向或轴向压溃时电池下底面及侧面所受到的压力。由于电池壳主要承力的部件为下壳体，因此只针对下壳体进行设计和校核。在垂直于主壳体的单向连续碳纤维复合材料的纤维铺放方向上，所有的力均由碳纤维织物复合材料局部增强带承受，而在沿主壳体单向连续碳纤维复合材料的纤维铺放方向上，压力由单向连续碳纤维复合材料主壳体和碳纤维织物复合材料局部增强带共同承受。根据所受的压力和碳纤维织物复合材料局部增强带及单向连续碳纤维复合材料沿纤维铺放方向所能承受的最大压力布置相应数量的碳纤维织物复合材料局部增强带。
如图3所示，本发明所述电池壳的下壳体2的制备工艺如下：
1、本发明所述的电池壳的下壳体，其所用原材料为单向连续碳纤维增强复合材料板和碳纤维织物复合材料，均为热塑性复合材料的预浸料。其厚度可以根据需要在0.6-3mm范围内取值。在本发明的电池壳中，下壳体的主壳体所用的单向连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸料板厚度为2mm。碳纤维织物复合材料预浸料板的厚度为3mm。
2、切割工序5处，机械手根据产品的优化设计，对2种不同材料的复合材料预浸料板进行切割，切割出数块40cm×40cm的正方形单向连续碳纤维复合材料预浸料板和数条30cm×3cm的碳纤维织物复合材料预浸料带。切割好的两种材料分别摆放到2个堆栈中存放，
3、预成形工序6处，机械手将切割好的1块单向连续碳纤维复合材料预浸料板、4条碳纤维增强带取出，按照产品设计的位置完成自动铺放，使用超声波焊接完成铺层的固定，形成如图4所示的产品毛坯。产品毛坯被送入快速加热工序7处加热炉中进行快速加热，使得由热塑性复合材料预浸料形成的毛坯软化，此时主壳体和增强带完成了分子级别的连接。
4、如图5所示，在完成加热后，已经软化的毛坯9被取出，送到模压工序8处，放置在压机10中完成模压成型，冷却脱模。
本发明所述的电池壳的上壳体1由于不是承力件，所以在上壳体1上不设置碳纤维织物复合材料增强带。上壳体的制备工艺如下：
(1)本发明所述的电池壳的上壳体其所用原材料为单向连续碳纤维复合材料预浸料板。其厚度可以根据需要在0.6-3mm范围内取值。在本发明电池壳中，上壳体的主壳体所用的单向连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸料板厚度为2mm。
(2)切割工序处，机械手根据产品的优化设计，对单向连续碳纤维复合材料预浸料板进行切割，切割出数块40cm×40cm的正方形单向连续碳纤维复合材料预浸料板。切割好的正方形单向连续碳纤维复合材料预浸料板直接被送往快速加热工序。
(3)在快速加热工序处，正方形单向连续碳纤维复合材料预浸料板被送入加热炉中进行快速加热，使得正方形单向连续碳纤维复合材料预浸料板软化。
(4)在完成加热后，已经软化的正方形单向连续碳纤维复合材料预浸料板被取出，放置在压机中完成模压成型，冷却脱模。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (5)
1.一种局部增强的多纤维混杂复合材料电池壳，其特征在于：包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体通过螺栓连接；下壳体包括主壳体和分布在主壳体上的复合材料增强带。
2.根据1所述的复合材料电池壳，其特征在于：所述上壳体使用的是单向连续纤维强复合材料；所述下壳体的主壳体采用单向连续纤维复合材料，增强带采用纤维织物复合材料，所述下壳体所用的纤维织物复合材料由于在2个方向上均有优异的力学性能，优于单向连续纤维复合材料，因此对下壳体完成了局部的增强；在制备工艺的快速加热阶段中纤维织物复合材增强带与主壳体通过基体的融化连接在一起，所用的是碳纤维、玻璃纤维、植物纤维、天然纤维等任意种类的单向连续纤维，纤维织物复合材料是碳纤维、玻璃纤维、天然纤维任意种类的纤维织物复合材料。
3.根据1所述的复合材料电池壳，其特征在于：所述上下壳体均适用混编复合材料，所用混编复合材料是碳纤维玻璃纤维混编、碳纤维亚麻纤维混编任意种类混编复合材料。
4.根据1所述的复合材料电池壳，其特征在于：所述复合材料的基体使用任意一种热塑性树脂，上壳体、下壳体使用同一种基体。
5.一种局部增强的多纤维混杂复合材料电池壳制备工艺，其特征在于：步骤如下：
(1)将单向连续纤维复合材料预浸料和纤维织物复合材料预浸料板切割成用于后续铺层的方形单向连续纤维复合材料预浸料板和纤维织物复合材料预浸料带；
(2)将步骤(1)中切割出的纤维织物复合材料预浸料带铺放在方形单向连续纤维复合材料预浸料板上，用超声波焊接进行固定，形成毛坯；
(3)将步骤(2)中生产出的毛坯以及用于生产上壳体的方形单向连续纤维复合材料预浸料板送入加热炉中进行加热；
(4)将步骤(3)中加热好的毛坯和方形单向连续纤维复合材料预浸料板分别送入压机中进行模压，分别制成电池壳的下壳体和上壳体；
(5)在下壳体和上壳体上分别打孔，使用螺栓将它们连接。
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