CN109360919B - 一种新能源汽车用的全复合材料电池箱及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种新能源汽车用全复合材料电池箱及其制作方法，全部使用纤维增强复合材料制作上盖采用快速固化预浸料制作，下箱体采用预浸料‑芯材‑预浸料的三明治夹芯结构，其中下箱体包含纵横加强筋和吊耳，加强筋同样使用夹芯结构，吊耳为预浸料铺层实心结构，箱体结构与加强筋和吊耳一体成型。本发明可以有效减轻电池箱的重量，达到新能源汽车轻量化的目的，采用一体成型工艺，避免因分别制备部件、拼接组装等带来的连接问题和赘重，从而实现结构进一步减重。使用快速固化预浸料及快速成型工艺，大大降低复合材料电池箱的整体成本；可满足电池箱在颠簸急刹车、碰撞等极限工况下的刚度需求；且电池箱采用一体成型，无粘接及焊接缝隙，防尘防水性能卓越。

Description

一种新能源汽车用的全复合材料电池箱及其制作方法

技术领域

本发明属于新能源汽车领域，具体涉及一种新能源汽车用的全复合材料电池箱及其制作方法。

背景技术

由于能源问题和环境问题的严峻性日益严重，新能源的研究已成为当今制造业的重点，而电动汽车的研究更是我国交通运输业的战略重点。小型电动车一般采取底盘悬挂式电池包，小型电动车对整车质量尤其电池包的质量要求比较高。传统钢结构电池箱总成本身占据了汽车总重的25％～30％，电池箱总成本身消耗了大量的电池效能，以某型号新能源汽车为例，若电池箱减重45％，可使续航里程提高18％。传统金属电池箱能量密度较低，减轻电池箱的重量、提高电池箱能量密度已经成为新能源汽车发展的当务之急。

由于行业内有对电池箱减重的需求，其中使用复合材料替代金属材料制备电池箱是实现减重最主要的手段。但是在使用纤维增强复合材料制备电池箱的过程中往往会出现很多问题，包括由于箱体尺寸大所引起的变形问题、金属结构件和复合材料连接性能差的问题、复杂工况下的疲劳寿命问题以及防火阻燃问题，更主要的原因还有复合材料成型周期长、综合成本较高，这些问题制约着复合材料在电池箱中的应用。目前仅有少量厂家使用SMC生产电池箱上盖，但是SMC产品性能较差，无法满足下箱体对材料的性能要求。专利CN106207044A中采用金属吊耳和箱体侧边通过螺栓连接，复合材料容易在螺栓孔的位置应力集中形成破坏，且螺栓连接会影响箱体的密封性。专利CN107910466A中完全使用拉挤型材，可以缩短成型周期，降低电池箱成本。但是由于拉挤型材本身性能较低，箱体很难满足性能要求；若增加型材厚度，又会失去减重效果。因此，目前急需一种成型周期短、材料成本低且电池包强度及各项性能指标满足国家标准要求的复合材料电池箱生产方案。

发明内容

本发明旨在提供一种新能源汽车用的全复合材料电池箱及其制作方法，解决复合材料电池箱成产周期长、成本高及无法应用于下箱体的技术问题。

本发明是这样实现的：

一种新能源汽车用的全复合材料电池箱，包括

上盖，所述上盖采用预浸料模压成型；

下箱体，所述下箱体包括主箱体、纵横加强筋和吊耳，纵横加强筋和吊耳为连续结构并且均设在主箱体的外侧；主箱体、纵横加强筋均采用预浸料-泡沫芯材-预浸料的三明治夹芯结构，吊耳采用预浸料铺层实心结构，主箱体、纵横加强筋和吊耳为一体模压成型。

作为发明的进一步改进，所述泡沫芯材包括底板泡沫和侧边框泡沫，夹芯泡沫采用机加切割，其中侧边框泡沫为异形结构，底板泡沫需进行机加切割，以便在加强筋位置形成凸台结构。

作为发明的进一步改进，所述加强筋为双纵向加强筋结构，所述双纵向加强筋结构包括从左到右依次横向排列的多条横向加强筋，以及从上到下依次纵向排列的2条纵向加强筋，并且各纵向加强筋均与左起第一条、第二条横向加强筋固定。

作为发明的进一步改进，所述加强筋为横向加强筋结构，所述横向加强筋结构包括从左到右依次横向排列的多条横向加强筋，以及从上到下依次纵向排列的2条纵向加强筋，其中1条纵向加强筋与所有横向加强筋的第一端固定，另外1条纵向加强筋与所有横向加强筋的第二端固定。

作为发明的进一步改进，所述泡沫芯材包括PVC、PET、PMI、PI中的至少一种；所述预浸料包括具有快速固化功能的碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维以及它们之间的混编纤维材料中的至少一种。

作为发明的进一步改进，其中，所述上盖选用玻璃纤维或玄武岩纤维预浸料；下箱体的主箱体蒙皮选用玻璃纤维或玄武岩纤维预浸料，加强筋和吊耳位置选用高性能单向碳纤维预浸料。

作为发明的进一步改进，所述模压成型用模具采用不锈钢模具，包括上模和下模，且模压成型用模具的模腔具有限位功能。

本发明还提供如上所述的新能源汽车用的全复合材料电池箱的制作方法，包括以下步骤：

S1，根据产品造型和制作工艺设计合适的模压成型用模具；

S2，根据模压成型用模具的尺寸，裁剪快速固化预浸料和切割泡沫芯材；

S3，铺贴上盖的预浸料，采用模压成型用模具制作上盖；

S4，在下箱体的模压成型用模具中依次铺贴预浸料-泡沫芯材-预浸料，其中加强筋位置需在蒙皮预浸料内部铺贴单向碳纤维预浸料进行加强，吊耳结构则全部使用单向碳纤维预浸料，采用模压成型用模具一体成型下箱体；

S5，打孔，通过螺栓连接上盖与下箱体。

作为发明的进一步改进，上盖和下箱体的主体结构采用3-6层的预浸料进行铺贴，上盖和下箱体的翻边处采用12层的预浸料进行铺贴。

相比现有技术来说，本发明的有益效果是：

1、本发明的新能源汽车用的全复合材料电池箱采用纤维复合材料和泡沫芯材组成三明治夹芯结构，能有效提高箱体的刚度，减小箱体的变形，且最大程度的降低电池包重量，增大能力密度。

2、与金属电池箱相比，新能源汽车用的全复合材料电池箱具有优秀的耐腐蚀性、抗撞吸能性好以及优良的密封防水性等。

3、本发明通过对电池箱进行结构设计及仿真优化，将吊耳和加强筋统一采用复合材料进行制备，使在满足性能的前提下做到最大程度的减重。

4、本发明使用快速固化预浸料，缩短了成型周期，且吊耳、加强筋与下箱体保持一体化，做到“一次铺层，一次成型”，生产效率高、成本低，可规模化生产。

附图说明

图1为双纵向加强筋结构的分布示意图。

图2为横向加强筋结构的分布示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明进一步说明。

实施例1

一种新能源汽车用全复合材料电池箱的低成本快速成型的制作方法，其特征在于该电池箱包括：

上盖，所述上盖采用预浸料模压成型；

下箱体，所述下箱体包括主箱体、纵横加强筋和吊耳，纵横加强筋和吊耳为连续结构并且均设在主箱体的外侧；主箱体、纵横加强筋均采用预浸料-泡沫芯材-预浸料的三明治夹芯结构，吊耳采用预浸料铺层实心结构，主箱体、纵横加强筋和吊耳为一体模压成型。

优选的，电池箱上盖使用6层400克重的快速固化玻璃纤维预浸料进行铺层，上箱盖的翻边使用12层预浸料，将铺层好的预浸料放在热压罐中加压3MPa加热到140℃成型。

优选的，将裁剪好的预浸料和泡沫芯材依次在下箱体模具铺层，铺层方式为预浸料-夹芯层-预浸料，箱体主体结构选用3层400克重的快速固化玻璃纤维预浸料，翻边使用12层预浸料；泡沫芯材选用PMI泡沫。其中加强筋位置需在蒙皮预浸料内部铺贴单向碳纤维预浸料进行加强，吊耳结构则全部使用单向碳纤维预浸料，采用模压工艺一体成型电池箱下箱体。

优选的，加强筋采用双纵向加强筋结构，如图1所示。

表1和表2提供上述制作的新能源汽车用全复合材料电池箱的模拟分析测试数据。

表1下箱体模态分析

模态	固有频率Hz	最大变形量mm	位置
				一阶	50.15	1	二层电池上盖顶端中间位置
二阶	71.12	1	单层电池上盖中间位置
				三阶	80	1	单层电池上盖两侧位置
四阶	92.5	1.02	单层电池下箱体中间位置
				五阶	105.4	1	单层电池下盖两端位置
六阶	105.8	1	二层电池上盖顶端外侧
				七阶	114.76	1	二层电池上盖顶端外侧

表2载荷工况分析

工况	最大应变量mm	最大应力MPa
			4g过载	0.0062	106.2

通过电池箱的模拟分析可知，在过载工况下未超出材料的极限强度与刚度，在给定功率谱的随机振动计算过程中，结构也满足使用要求。

实施例2

一种新能源汽车用全复合材料电池箱的低成本快速成型的制作方法，其特征在于该电池箱包括：

上盖，所述上盖采用预浸料模压成型；

下箱体，所述下箱体包括主箱体、纵横加强筋和吊耳，纵横加强筋和吊耳为连续结构并且均设在主箱体的外侧；主箱体、纵横加强筋均采用预浸料-泡沫芯材-预浸料的三明治夹芯结构，吊耳采用预浸料铺层实心结构，主箱体、纵横加强筋和吊耳为一体模压成型。

优选的，电池箱上盖使用6层400克重的快速固化玻璃纤维预浸料进行铺层，上箱盖的翻边使用12层预浸料，将铺层好的预浸料放在热压罐中加压3MPa加热到140℃成型。

优选的，将裁剪好的预浸料和泡沫芯材依次在下箱体模具铺层，铺层方式为预浸料-夹芯层-预浸料，箱体主体结构选用3层400克重的快速固化玻璃纤维预浸料，翻边使用12层预浸料；泡沫芯材选用PET泡沫。其中加强筋位置需在蒙皮预浸料内部铺贴单向碳纤维预浸料进行加强，吊耳结构则全部使用单向碳纤维预浸料，采用模压工艺一体成型电池箱下箱体。

优选的，加强筋采用横向加强筋结构，如图2所示。

表3和表4提供上述制作的新能源汽车用全复合材料电池箱的模拟分析测试数据。

表3下箱体模态分析

模态	固有频率Hz	最大变形量mm	位置
				一阶	50.15	1	二层电池上盖顶端中间位置
二阶	71.1	1	单层电池上盖中间位置
				三阶	79.9	1.02	单层电池上盖两侧位置
四阶	93.6	1	单层电池下箱体中间位置
				五阶	104.96	1	单层电池下盖两端位置
六阶	105.85	1	二层电池上盖顶端外侧
				七阶	114.74	1	二层电池上盖顶端外侧

表4载荷工况分析

工况	最大应变量mm	最大应力MPa
			4g过载	0.0056	95.2

通过电池箱的模拟分析可知，在过载工况下未超出材料的极限强度与刚度，在给定功率谱的随机振动计算过程中，结构也满足使用要求。

本发明制作的新能源汽车用全复合材料电池箱箱体全部使用纤维增强复合材料制作，避免了金属件与复合材料的连接问题，解决了复合材料电池箱制作成本高、成型周期长及无规模化生产技术等问题。

本发明不仅可以有效减轻电池箱的重量，达到新能源汽车轻量化的目的，而且使用快速固化预浸料及快速成型工艺，大大降低了复合材料电池箱的整体成本；可满足电池箱在颠簸急刹车、碰撞等极限工况下的刚度需求；且电池箱各结构采用一体成型，无粘接及焊接缝隙，防尘防水性能卓越。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新能源汽车用的全复合材料电池箱的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据产品造型和制作工艺设计合适的模压成型用模具；

S2，根据模压成型用模具的尺寸，裁剪快速固化预浸料和切割泡沫芯材；

S3，铺贴上盖的预浸料，采用模压成型用模具制作上盖；

S4，在下箱体的模压成型用模具中依次铺贴预浸料-泡沫芯材-预浸料，主箱体、加强筋均采用预浸料-泡沫芯材-预浸料的三明治夹芯结构，加强筋位置在蒙皮预浸料内部铺贴单向碳纤维预浸料进行加强，吊耳结构全部使用单向碳纤维预浸料，采用模压成型用模具一体成型下箱体；

S5，打孔，通过螺栓连接上盖与下箱体；

上盖和下箱体的主体结构采用3-6层的预浸料进行铺贴，上盖和下箱体的翻边处采用12层的预浸料进行铺贴。

2.根据权利要求1所述的新能源汽车用的全复合材料电池箱的制作方法，其特征在于：所述泡沫芯材包括底板泡沫和侧边框泡沫，泡沫芯材采用机加切割，其中侧边框泡沫为异形结构，底板泡沫需进行机加切割，以便在加强筋位置形成凸台结构。

3.根据权利要求2所述的新能源汽车用的全复合材料电池箱的制作方法，其特征在于，所述加强筋为双纵向加强筋结构，所述双纵向加强筋结构包括从左到右依次横向排列的多条横向加强筋，以及从上到下依次纵向排列的2条纵向加强筋，并且各纵向加强筋均与左起第一条、第二条横向加强筋固定。

4.根据权利要求2所述的新能源汽车用的全复合材料电池箱的制作方法，其特征在于，所述加强筋为横向加强筋结构，所述横向加强筋结构包括从左到右依次横向排列的多条横向加强筋，以及从上到下依次纵向排列的2条纵向加强筋，其中1条纵向加强筋与所有横向加强筋的第一端固定，另外1条纵向加强筋与所有横向加强筋的第二端固定。

5.根据权利要求3或4所述的新能源汽车用的全复合材料电池箱的制作方法，其特征在于，所述泡沫芯材包括PVC、PET、PMI、PI中的至少一种；所述预浸料包括具有快速固化功能的碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维以及它们之间的混编纤维材料中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的新能源汽车用的全复合材料电池箱的制作方法，其特征在于，其中，所述上盖选用玻璃纤维或玄武岩纤维预浸料；下箱体的主箱体蒙皮选用玻璃纤维或玄武岩纤维预浸料，加强筋和吊耳位置选用高性能单向碳纤维预浸料。

7.根据权利要求6所述的新能源汽车用的全复合材料电池箱的制作方法，其特征在于，所述模压成型用模具采用不锈钢模具，包括上模和下模，且模压成型用模具的模腔具有限位功能。

Images