CN107958972A - 一种金属及复合材料板混合设计的电池壳结构及制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属‑复合材料板混合设计的电池壳结构及制备工艺，电池壳结构包括电池壳主体和电池壳盖，电池壳主体包括电池壳体和底板，电池壳盖与电池壳体连接；电池壳体的侧壁由一整片金属‑复合材料层压板弯折而成；电池壳盖由一块金属‑复合材料层压板冲压而成，形成具有凸起平面的壳盖，相较于平板状电池壳盖，凸起增大了电池壳内部空间及电池壳盖的侧向抗冲击载荷性能；底板由一块金属‑复合材料层压板弯折而成，形成翻边与电池壳体的侧壁连接。本发明将弯折后金属‑复合材料层压板组件组合成复杂的电池壳体结构及制备工艺，能大批量生产，大幅降低制作成本。

Description

一种金属及复合材料板混合设计的电池壳结构及制备工艺
技术领域
本发明涉及一种由金属及复合材料板混合制成的电池壳结构及制备工艺，具体涉及一种由金属及复合材料板混合设计层合板制成的电池壳外壁及内部可采用的加强筋结构，金属-复合材料层压板及其弯折工艺在制造电池壳中的应用及电池壳各部分之间的连接工艺。
背景技术
随着电动车产业的不断发展及汽车被动安全要求的不断提高，也提高了对电池壳抗冲击性能要求。在电动汽车行驶过程中，汽车底盘会受到路面砂石的冲击，具有较大动能的石块容易对电池壳底部造成冲击破坏。当汽车受到侧面撞击时，电池壳整体受到较大冲击破坏载荷。纯纤维增强复合材料制成的电池壳由于复合材料固有的脆性断裂特性，在此工况下吸能能力不如传统带有延性损伤特性的金属材料电池壳。金属-复合材料层压板具有复合材料的高比刚，高比强的特点，同时具有类似金属的延性特性，因此制成的电池壳具有良好的抗冲击吸能效果。传统复合材料电池壳一般通过模压制成原材料及设备成本较高。较薄的金属-复合材料层压板具有较好的弯曲塑性，弯折工艺对原材料及设备要求简单，易于实现工业大批量生产。
目前关于金属-复合材料层压板具有类似金属的延性特性的研究有，Cheng Liu,Dandan Du,Huaguan Li,Yubing Hu,Yiwei Xu,Jingming Tian,Gang Tao,Jie Tao,Interlaminar failure behavior of GLARE laminates under short-beam three-point-bendingload,In Composites Part B:Engineering,Volume 97,2016,Pages 361-367,ISSN 1359-8368,https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2016.05.003.
(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135983681630573X)
Keywords:A.Hybrid；A.Laminates；B.Debonding；D.Mechanical testing
该文献为材料的理论研究，介绍了金属-复合材料层压板的弯曲力学性能，未涉及到工程应用。
专利，一般复合材料电池壳设计专利如CN201110065599，CN97116987，CN201510164046只采用单一复合材料，没有将复合材料与金属结合，因而结构的抗冲击能力差，断裂脆性强，不利于电池壳的冲击吸能。
发明内容
本发明技术解决问题：为了解决复合材料电池壳现有的批量生产成本高，受冲击断裂韧性差的缺点，提供一种金属及复合材料板混合设计的电池壳结构及制备工艺，利用金属-复合材料层压板的弯折性能，将弯折后金属-复合材料层压板组件组合成复杂的电池壳体结构，能大批量生产，大幅降低制作成本,使得金属-复合材料层压板复合材料在汽车零部件生产中占有一席之地。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：一种金属-复合材料板混合设计的电池壳结构，包括电池壳主体和电池壳盖，所述电池壳主体包括电池壳侧壁和电池壳底板，所述电池壳盖与电池壳主体连接；所述电池壳侧壁由一整片金属-复合材料层压板弯折并首尾铆接或胶接连接围成，并与电池壳盖连接一侧弯折出翻边，便于连接；所述电池壳底板由一整片金属-复合材料层压板弯折而成，通过裁剪及边缘弯折形成翻边与电池壳侧壁铆接连接；所述电池壳盖由一块金属-复合材料层压板冲压形成具有凸起平面的电池壳盖，相较于平板状电池壳盖，凸起增大了电池壳内部空间及电池壳盖的侧向抗冲击载荷性能，所述电池壳盖通过螺栓与电池壳侧壁的翻边连接。
当电池壳壳体壁厚小于3mm时，为增加电池壳主体的侧向承载能力，在电池壳主体内部设有多条加强筋，所述加强筋与电池壳侧壁的连接平面金属-复合材料层压板向侧向弯折所形成；所述加强筋采用金属-复合材料层压板通过冲裁工艺制成，再通过胶粘或铆接工艺与电池壳体的外壁连接成所需要的耳片；加强筋的交汇部分采用嵌锁工艺实现搭接；当金属层与复合材料层在3mm-16mm的较大壁厚下，可由金属层与复合材料层中的一个壁厚恒定，而另一个渐变壁厚，也可两者都渐变壁厚。
所述金属为钢或铝；所述复合材料为碳纤维或玻璃纤维增强复合材料。
所述金属-复合材料层压板由玻璃纤维复合材料和铝合金薄板压合而成，所述玻璃纤维复合材料和铝合金薄板为由4层铝合金加3层玻璃纤维-环氧树脂复合材料板构成的层压板，每层玻璃纤维复合材料板厚度可为0.2-2mm，每层铝合金板厚度为0.8-2mm。
所述电池壳侧壁采用金属-复合材料层压板进行弯折时，将一整块金属-复合材料层压板生成带有4个圆角的方形电池壳四面侧壁，通过铆接实现侧壁的闭合连接；所述电池壳底板由一块方形缺角金属-复合材料层压板弯折而成，形成四条翻边与电池壳体侧壁铆接。
所述加强筋外形轮廓为长条形、鱼腹梁形或楔形。
一种金属和复合材料板混合设计的电池壳结构制备工艺，实现步骤如下：
步骤一：通过自动化生产线完成对电池壳侧壁及电池壳底板所需金属-复合材料金属-复合材料层压板的上料，裁剪；
步骤二：通过自动化生产线上弯折设备将金属-复合材料层压板弯折成预定形状，制成电池壳侧壁与电池壳底板，并弯折出铆接时所需要的耳片，便于后续铆接连接；
步骤三：通过弯折工艺制造金属-复合材料层压板材质的加强筋及加强筋与电池壳侧壁的粘接平面，加强筋与电池壳侧壁的粘接平面通过金属-复合材料层压板向侧向弯折所形成的，过程为：首先对长条状金属-复合材料层压板沿等间距切割或裁剪出半通槽，得到裙片，便于后续分段弯折形成加强筋连接部分；之后通过弯折设备将加强筋上相邻各段裙片相反方向弯曲90°，形成垂直于加强筋的连接用耳片；
步骤四：在铆接前对需要连接的金属-复合材料层压板冲铆钉孔，也可采用胶粘连接：对需要连接的金属-复合材料层压板表面进行磨砂处理，形成粗糙表面，按预定施胶方案施加工程用结构胶后，在一定压力下进行固化压力取根据所选胶类型不同而不等，无范围，可参照网址https://wenku.baidu.com/view/8a8c03ec9e31433238689312.html，铆钉采用普通铝质铆钉，将电池壳体的侧壁和底板，加强筋进行铆接，连接成为电池壳体。
本发明的一种金属和复合材料板混合设计的电池壳结构制备工艺，对于渐变壁厚的电池壳，电池壳主体包含的制备步骤为：
步骤一：轧制渐变壁厚金属板，按照设计外形尺寸对金属板进行裁切。通过焊接渐变壁厚的金属板边缘，形成金属的电池壳的侧壁及底板，即电池壳主体的初步外形；
步骤二：在金属壳体基础上在电池壳主体内部进行复合材料铺层及树脂灌注，根据壁厚变化改变纤维铺层厚度；采用模压或袋压方法进行固化，固化之后复合材料层即与金属层连为一体,也可用铆钉进行后续固定，防止复合材料层脱落。
所述步骤二中，对金属-复合材料层压板一层厚度不满足电池壳主体承载力学性能要求时，采用多层金属-复合材料层压板分别弯折，之后各层之间采用胶粘连接，可以为当电池壳体侧壁和电池壳底板采用3mm-16mm的较大壁厚时，对金属-复合材料层压板进行弯折较为困难，采用多层压合的金属-复合材料层压板，外部一层较厚2mm及以上金属层，内部一层较厚复合材料层2mm及以上的金属-复合材料层压板设计方案，此处研究对象为电池壳壳体的侧壁和底板，且为一个类似于无盖长方体的整体，该无盖长方体的任何一处壁均为两层材料构成，故外部即为该无盖长方体的外层材料，内部即为该无盖长方体的内层材料，通过金属拼焊方法对金属壳体部分单独制造，复合材料在金属壳体内表面热压固化成为一体；金属和复合材料层均能够通过制造时模具的设计实现渐变厚度，改善承载时应力分布，增大承载能力。
在所述电池主体与电池壳盖连接翻边或其他承载作用不显著的区域，可不加复合材料，只保留金属部分，进一步实现轻量化，降低生产成本。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)相较于传统纤维增强复合材料电池壳提高了电池壳的吸能能力，增强对内部电池的防护能力；
(2)降低生产成本，生产设备简单；
(3)渐变壁厚设计改善了电池壳应力分布，增大了电池壳承载能力；
(4)本发明可以在制造车用箱体中应用。
附图说明
图1为本发明的金属-复合材料层压板电池壳的a正视图、b侧视图及c俯视图及d等轴测视图；
图2为本发明的金属-复合材料层压板零件生产线示意图；
图3为本发明的金属-复合材料层压板电池壳侧壁弯折示意图；
图4为本发明的金属-复合材料层压板电池壳底板弯折后示意图；
图5为本发明的壁厚可变的金属-复合材料电池壳设计方案及截面示意图；图中8,9为相连接的两层壳体，8为复合材料层壳体，9为金属层壳体。金属层壳体形状与前面所述电池壳主体1形状相同，复合材料壳体在电池壳侧壁11和电池壳底板12处与前面所述电池壳主体1形状相同，但不包括与用于电池壳盖连接翻边部分；
图6为本发明的金属-复合材料层压板加强筋未弯折前形状示意图；图6展示了加强筋的具体结构，包括半通槽10，裙片15，及弯曲方向16。
图7为本发明的金属-复合材料层压板加强筋示意图；17为成型后加强筋的耳片。图8为本发明的金属-复合材料层压板铆接连接示意图；18为连接所用的铆钉。
图9为本发明的金属-复合材料层压板加强筋外形轮廓变体形状，a是鱼腹梁形，b是楔形。
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，本发明金属-复合材料板混合设计的电池壳结构，包括电池壳主体1和电池壳盖2，电池壳主体1包括电池壳侧壁11和底板12，电池壳盖2与电池壳体主体1连接。电池壳侧壁11由一整片金属-复合材料层压板弯折并首尾铆接或胶接连接围成，并在与电池壳盖2连接一侧弯折出翻边，便于连接；电池壳底板12由一整片金属-复合材料层压板弯折而成，通过裁剪及边缘弯折形成翻边与电池壳侧壁铆接连接当；电池壳壳体壁厚小于3mm时，需要添加加强筋13，加强筋13以金属-复合材料层压板为原材料，通过裁剪、弯折形成加强筋及电池壳主体连接所需要的耳片17；加强筋13与电池壳主体1通过胶粘或铆接连接；电池壳盖2由一块金属-复合材料层压板冲压而成，冲压形成具有凸起平面的电池壳盖，相较于平板状电池壳盖，凸起增大了电池壳内部空间及电池壳盖的侧向抗冲击载荷性能，通过螺栓与电池壳侧壁的翻边14连接。
金属-复合材料层压板由玻璃纤维复合材料及铝合金薄板压合而成。电池壳体1的侧壁由一整片金属-复合材料层压板弯折而成。例如，可采用商品化的金属-复合材料层压板(glare板)，如4层7075铝合金加3层玻璃纤维-环氧树脂复合材料板构成的层压板，其厚度为2mm。由于较薄的金属-复合材料层压板具有较好的塑性弯折性能，通过对金属-复合材料层压板进行弯折，可以将一整块金属-复合材料层压板生成带有4个圆角的方形电池壳四面侧壁11，通过铆接实现侧壁的闭合连接。电池壳底板12同样由一块长方形缺角金属-复合材料层压板弯折而成，形成四条翻边便于与电池壳侧壁铆接。
为增加电池壳主体，即底部及侧向承载能力，本发明中电池壳主体内部可设有多条加强筋13，用以增大电池壳体承载能力。加强筋与电池壳侧壁的连接平面为金属-复合材料层压板的裙片15向侧向弯折所形成的连接耳片17。加强筋13同样采用金属-复合材料层压板材质，通过冲裁工艺制成，通过胶粘或铆接工艺与电池壳外壁连接。横纵加强筋交汇的地方可采用嵌锁工艺实现搭接。在有加强筋的设计中，电池壳侧壁及底面的壁厚要求较低，一般可选2-3mm厚商品化金属-复合材料层压板。加强筋13外形轮廓可根据电池壳应力分布进行变尺寸设计，包括简单的长条形，鱼腹梁形，楔形等，如图9所示，当长条形加强筋满足静力承载性能要求时，为了简化工艺，首选长条形加强筋，当电池壳轻量化要求较高，或电池壳承载要求较高时，在电池壳底部应布置鱼腹梁形加强筋，在电池壳侧壁应布置楔形加强筋，以实现加强筋外形结构优化，均匀加强筋的应力分布。19为加强筋的长度方向，加强筋的长度应与其分布方向上壁面长度一致，电池壳的在厚度方向和高度方向20进行尺寸设计时，要结合具体承载工况下的有限元模拟及实验验证。
另外，该也可不设置加强筋，但采用壁厚较厚(3mm以上)的电池壳的侧壁及底板。较大壁厚下，对多层压合的金属-复合材料层压板进行弯折较为困难，故采用外部一层较厚(2mm及以上)金属，内部一层较厚复合材料(2mm及以上)的金属-复合材料层压板设计方案。通过金属拼焊等方法对金属壳体部分单独制造，复合材料在金属壳体内表面热压固化成为一体。金属和复合材料层均可以通过制造时模具的设计实现渐变厚度，以改善承载时应力分布，增大承载能力。其中金属选材可以为钢或铝，复合材料可以为碳纤维或玻璃纤维增强复合材料。在电池壳与电池壳盖连接翻边或其他承载作用不显著的区域，可不加复合材料，只保留金属部分，可进一步实现轻量化，降低生产成本。同上可由其中一个壁厚恒定，而另一个渐变壁厚，也可两者都渐变壁厚。
电池壳盖2由一块方形金属-复合材料层压板冲压而成，形成具有凸起平面的电池壳盖，相较于平板状电池壳盖2，凸起增大了电池壳内部空间及电池壳盖的侧向抗冲击载荷性能。电池壳盖与电池壳体采用螺栓连接。
如图2所示，本发明的一种由金属及复合材料板混合制成的电池壳结构及其制造工艺。对于带有加强筋，采用商业化金属-复合材料层压板为原材料的电池壳，制造步骤可分为：
步骤一：裁剪制造电池壳侧壁及底板所需金属-复合材料层压板材。
通过自动化生产线完成对金属-复合材料层压板的上料，裁剪。
如图3，4所示，步骤二：对裁剪好的电池壳侧壁及底板板材进行弯折，形成所需外形。电池壳侧壁11外形为长方形盒体的四个侧面，各相邻侧面之间有过渡圆角111。电池壳底板12外形为带有四个翻边的长方形平板翻边与长方形平面之间有过渡圆角111。
原材料3(金属-复合材料层压板)经抓取模块4进入生产线，依次通过图2所述的生产线中5裁剪模块，6弯折模块，通过自动化生产线上弯折设备将金属-复合材料层压板弯折成预定形状。需要弯折的地方包括电池壳侧壁的棱边、电池壳侧壁在与电池壳盖连接方向的翻边、电池壳底板在与电池壳侧壁连接方向的翻边，制成电池壳侧壁11与电池壳底板12，便于后续铆接连接。当金属-复合材料层压板一层厚度不满足电池壳承载力学性能要求时，可采用多层金属-复合材料层压板分别弯折，之后各层之间采用胶粘连接，形成一层整体的层压板，用于电池壳底板12及电池壳侧壁11的制造。
如图6所示，步骤三：通过弯折工艺制造金属-复合材料层压板材质的加强筋
本发明加强筋13与电池壳侧壁11的粘接平面为金属-复合材料层压板向侧向弯折所形成的。首先对长条状金属-复合材料层压板沿等间距切割或裁剪出半通槽10，得到裙片15，便于后续分段弯折形成加强筋连接部分。之后，通过弯折设备将加强筋上相邻各段裙片向相反方向弯曲90°，如弯曲方向16所示，形成垂直于加强筋主体部分的连接用耳片，耳片用于贴合电池壳主体的大平面，便于与电池壳主体的大平面胶粘或铆接连接，最终如图7所示。
步骤四：通过铆接或胶粘对各部分进行连接。
如图8所示，在铆接前应对要连接的金属-复合材料层压板冲铆钉孔。铆钉采用普通铝质铆钉。将电池壳侧壁11，电池壳底板12，加强筋13进行铆接，连接成为电池壳体1。也可采用胶粘连接：对需要连接的金属-复合材料层压板表面进行磨砂处理，形成粗糙表面，按预定施胶方案施加工程用结构胶后，在一定压力下进行固化。
对于渐变壁厚的电池壳，电池壳主体1(包含侧壁11及电池壳底板12)的制造步骤可分为：
步骤一：渐变壁厚金属板的轧制，金属板的裁切，拼焊；
原材料3(轧制好的金属板)经抓取模块4进入生产线，依次通过图2所述的生产线中5裁剪模块，6弯折模块，通过7焊接模块焊接渐变壁厚的金属板边缘，形成金属壳体(电池壳四个侧壁及底板)，即电池壳主体的初步外形。
步骤二：渐变壁厚复合材料层的热固化
在金属壳体基础上在壳体内部进行复合材料铺层及树脂灌注，根据壁厚变化改变纤维铺层厚度。采用模压或袋压等方法进行固化，固化之后复合材料层即与金属层连为一体。也可用铆钉进行后续固定，防止复合材料层脱落，最终形成渐变壁厚壁截面部分可能的设计方案如图5所示。图中8,9为相连接的两层壳体，8为复合材料层壳体，9为金属层壳体。金属层壳体形状与前面所述电池壳主体1形状相同，复合材料壳体在电池壳侧壁11和电池壳底板12处与前面所述电池壳主体1形状相同，但不包括与用于电池壳盖连接翻边部分。
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 (10)

1.一种金属-复合材料板混合设计的电池壳结构，包括电池壳主体和电池壳盖，其特征在于：所述电池壳主体包括电池壳侧壁和电池壳底板，所述电池壳盖与电池壳主体连接；所述电池壳侧壁由一整片金属-复合材料层压板弯折并首尾铆接或胶接连接围成，并与电池壳盖连接一侧弯折出翻边，便于连接；所述电池壳底板由一整片金属-复合材料层压板弯折而成，通过裁剪及边缘弯折形成翻边与电池壳侧壁连接；所述电池壳盖由一块金属-复合材料层压板冲压形成具有凸起平面的电池壳盖，增大了电池壳内部空间及电池壳盖的侧向抗冲击载荷性能，所述电池壳盖与电池壳侧壁的翻边连接。
2.根据权利要求1所述的金属-复合材料板混合设计的电池壳结构，其特征在于：当电池壳壳体壁厚小于3mm时，为增加电池壳主体的侧向承载能力，在电池壳主体内部设有多条加强筋，所述加强筋与电池壳侧壁的连接平面通过金属-复合材料层压板向侧向弯折所形成；所述加强筋采用金属-复合材料层压板通过冲裁工艺制成，再通过胶粘或铆接工艺与电池壳体的外壁连接成所需要的耳片；加强筋的交汇部分采用嵌锁工艺实现搭接；当金属层与复合材料层在3mm-16mm的较大壁厚下，由金属层与复合材料层中的一个壁厚恒定，而另一个渐变壁厚，也可两者都渐变壁厚。
3.根据权利要求1所述的金属-复合材料板混合设计的电池壳结构，其特征在于：所述金属为钢或铝；所述复合材料为碳纤维或玻璃纤维增强复合材料。
4.根据权利要求1所述的金属-复合材料板混合设计的电池壳结构，其特征在于：所述金属-复合材料层压板由玻璃纤维复合材料和铝合金薄板压合而成，所述玻璃纤维复合材料和铝合金薄板为由4层铝合金板加3层玻璃纤维-环氧树脂复合材板料板构成的层压板，每层玻璃纤维复合材料板厚度可为0.2-2mm,每层铝合金板厚度为0.8-2mm。
5.根据权利要求1所述的金属-复合材料板混合设计的电池壳结构，其特征在于：所述电池壳侧壁采用金属-复合材料层压板进行弯折时，将一整块金属-复合材料层压板生成带有4个圆角的方形电池壳四面侧壁，通过铆接实现侧壁的闭合连接；所述电池壳底板由一块方形缺角金属-复合材料层压板弯折而成，形成四条翻边与电池壳体侧壁连接。
6.根据权利要求2所述的金属-复合材料板混合设计的电池壳结构，其特征在于：所述加强筋外形轮廓为长条形、鱼腹梁形或楔形。
7.一种金属-复合材料板混合设计的电池壳结构制备工艺，其特征在于：实现步骤如下：
步骤一：通过自动化生产线完成对电池壳侧壁及电池壳底板所需金属-复合材料金属-复合材料层压板的上料，裁剪；
步骤二：通过自动化生产线上弯折设备将金属-复合材料层压板弯折成预定形状，制成电池壳侧壁与电池壳底板，并弯折出铆接时所需要的耳片，便于后续连接；
步骤三：通过弯折工艺制造金属-复合材料层压板材质的加强筋及加强筋与电池壳侧壁的粘接平面，加强筋与电池壳侧壁的粘接平面通过金属-复合材料层压板向侧向弯折所形成的，过程为：首先对长条状金属-复合材料层压板沿等间距切割或裁剪出半通槽，得到裙片，便于后续分段弯折形成加强筋连接部分；之后通过弯折设备将加强筋上相邻各段裙片相反方向弯曲90°，形成垂直于加强筋的连接用耳片；
步骤四：在铆接前对需要连接的金属-复合材料层压板冲铆钉孔，也可采用胶粘连接：对需要连接的金属-复合材料层压板表面进行磨砂处理，形成粗糙表面，按预定施胶方案施加工程用结构胶后进行固化，将电池壳体的侧壁和底板，加强筋进行连接，连接成为电池壳体。
8.一种金属-复合材料板混合设计的电池壳结构制备工艺，其特征在于：对于渐变壁厚的电池壳，电池壳主体包含的制备步骤为：
步骤一：轧制渐变壁厚金属板，按照设计外形尺寸对金属板进行裁切，通过焊接渐变壁厚的金属板边缘，形成金属的电池壳的侧壁及底板，即电池壳主体的初步外形；
步骤二：在金属壳体基础上在电池壳主体内部进行复合材料铺层及树脂灌注，根据壁厚变化改变纤维铺层厚度；采用模压或袋压方法进行固化，固化之后复合材料层即与金属层连为一体,也可用铆钉进行后续固定。
9.根据权利要求1所述的一种金属-复合材料板混合设计的电池壳结构，其特征在于：所述步骤二中，对金属-复合材料层压板一层厚度不满足电池壳主体承载力学性能要求时，采用多层金属-复合材料层压板分别弯折，之后各层之间采用胶粘连接。
10.根据权利要求8或9所述的一种金属-复合材料板混合设计的电池壳结构，其特征在于：在所述电池主体与电池壳盖连接翻边或承载作用不显著的区域，可不加复合材料，只保留金属部分。
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