CN109728214A - 一种多材料轻量化复合结构电池箱及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多材料轻量化复合结构电池箱及其制备方法，包括电池箱本体，所述电池箱本体由两大部分组成，所述电池箱本体由冲压、焊接而成的上端盖和下端盖接合而成，且所述上端盖和下端盖采用铝合金为热处理可强化的6000系列铝合金材料，分别通过一次冲压成型与焊接形成。与传统工艺相比，本发明的采用冲压和焊接工艺加工电池箱本体，能够快速、连续、精密地制造出满足强度、刚度、模态与碰撞安全的轻量化电池箱。

Description

一种多材料轻量化复合结构电池箱及其制备方法

技术领域

本发明涉及电动汽车电池架领域，尤其涉及一种多材料轻量化复合结构电池箱及其制备方法。

背景技术

在纯电动汽车中，动力电池箱总成占整车总质量的30％-40％。但是目前各大电动汽车厂商仍在使用传统低碳钢制备的电池箱来装载动力电池，这无形中增加了纯电动汽车的整体质量。因此，在满足电池架动静态性能、密封防水性、碰撞安全性等基本的要求的基础上，需要对纯电动汽车的电池箱进行优化设计，从而实现其轻量化设计，这对推进纯电动汽车的快速发展具有重要的意义。

电动汽车作为一种以车载电源为动力的新能源汽车，车载电池对于其正常运行具有重要的作用。由于车载电池的体积较大，一般将其放在车身中部底板下方，这就容易在碰撞事故发生后，引起车载电池起火问题。所以，提供一种电动汽车车载电池的保护外壳十分必要。

现有技术通常利用钢板来制备车载电池的保护外壳，通过将钢板制备成合适于车载电池的箱装，将车载电池放置于其中。然后通过铆钉固定在电动汽车的车身中部底板下方。但是钢板制备的电池箱难以兼顾高强度和低质量的要求，不利于规模化推广使用。

铝合金材料具有很多方面的优势：有良好的机械性能，可满足强度要求；低密度，铝合金的密度为2.6-2.8g/cm³，约为钢的1/3，可使电池箱大幅减重，节省能量；有良好的成型性；有良好的防腐蚀性能；有良好的焊接性能；有良好的机加工性能；有高的导热性；易于回收再利用。特别地，6000系列铝合金则是热处理可强化合金，而且它具有较好的吸能作用。

高强度钢具有很大的屈服强度和拉伸强度，能够极大的提高零部件的抗变形能力和吸收能量的能力，同时可以扩大零部件的弹性应变区。高强度钢板在电池箱上应用时，能极大地提高其动态性能。做到降低电池箱的质量，提高电池箱的动静态刚度、固有频率、性能和碰撞性能。特别地，Q460高强度钢有微合金元素，能增加其钢材强度；碳当量低使其有良好的焊接性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轻量化、强度高、寿命长、工艺简单的一种多材料轻量化复合结构电池箱及其制备方法，它能有效的解决背景技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多材料轻量化复合结构电池箱，包括电池箱本体，所述电池箱本体由两大部分组成，所述电池箱本体由冲压、焊接而成的上端盖和下端盖接合而成，且所述上端盖和下端盖采用铝合金为热处理可强化的6000系列铝合金材料，分别通过一次冲压成型与焊接形成。

为了提高强度，所述下端盖的内侧底板上还设置有采用Q460高强度钢材料制成的加强筋结构。

为了提高强度，所述加强筋结构为横向加强筋结构和纵向间隔加强筋结构。

为了提高强度，加强筋结构焊接在下端盖的内侧底板上。

为了降低成本，所述上端盖包括上层受力部、下层受力部和中层受力部。

本发明还提供了一种多材料轻量化复合结构电池箱的制造方法，其包括如下步骤：

S1、根据电池箱在极限工况的工作条件和碰撞试验条件下进行受力分析，计算得出受力数据，来确定上端盖和下端盖的厚度；制定出具体的电池箱结构、尺寸以及加强筋焊接位置的分布，以适应电池箱的强度和刚度要求；

S2、根据步骤S1获得上端盖由于分布力的不同，故此设置为上层受力部、下层受力部和中层受力部然后分别进行冲压成型：先对铝合金进行均匀化处理，采用560℃温度，6h溶解并通过水冷却工艺，获得细小的等轴晶粒组织，然后进行压铸，在压铸时，铸棒加热温度490℃-500℃，最后通过强风冷的方式进行冷却，成型后再采用了180℃高温，6h的时效工艺，获得上端盖的几个部分，然后将各部分冲压完成后进行激光焊接，得到完整的电池箱上端盖；

S4、在上端盖的内侧壁粘贴由相变材料和导热泡绵组成的散热材料；

S5、用同样的工艺将下端盖一次冲压成型；

S6、上端盖和下端盖分别成型后，通过排列在上端盖和下端盖上的一系列的螺栓来形成连接，再进行后期的防水防漏电等密封处理，最后得到多材料轻量化复合结构电池箱。

为了避免成型的结构中出现尖角导致应力集中，提高箱体的强度，在冲压过程中将上端盖和下端盖的尖角改为圆角过渡。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明带有高强度钢加强筋结构，能在保证其强度的同时极大地降低电池箱本体的重量，大幅节约产品用料，降低产品生产成本；另外，为了进一步改善电池箱的散热问题，可在电池箱本体内部加入导热性良好的材料，与传统工艺相比，本发明的采用冲压和焊接工艺加工电池箱本体，能够快速、连续、精密地制造出满足强度、刚度、模态与碰撞安全的轻量化电池箱。

附图说明

图1为本实施例中一种多材料轻量化复合结构电池箱的上端盖结构示意图；

图2为本实施例中一种多材料轻量化复合结构电池箱的下端盖结构示意图；

图3为本实施例中下端盖的内侧底板上的横向加强筋和纵向间隔加强筋结构示意图；

图4为本实施例中一种多材料轻量化复合结构电池箱的上端盖和下端盖的装配示意图。

附图标记中：1.上端盖；2.下端盖；3.加强筋结构；4.横向加强筋结构；5.纵向间隔加强筋结构；6.上层受力部；7.下层受力部；8.中层受力部。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：

如图1-图4所示，本实施例提供的一种多材料轻量化复合结构电池箱，包括电池箱本体，所述电池箱本体由两大部分组成，所述电池箱本体由冲压、焊接而成的上端盖1和下端盖2接合而成，且所述上端盖1和下端盖2采用铝合金为热处理可强化的6000系列铝合金材料，分别通过一次冲压成型与焊接形成。

为了提高强度，所述下端盖2的内侧底板上还设置有采用Q460高强度钢材料制成的加强筋结构3。

为了提高强度，所述加强筋结构3为横向加强筋结构4和纵向间隔加强筋结构5。

为了提高强度，加强筋结构3焊接在下端盖2的内侧底板上。

为了降低成本，所述上端盖1包括上层受力部6、下层受力部7和中层受力部8。

本发明还提供了一种多材料轻量化复合结构电池箱的制造方法，其包括如下步骤：

S1、根据电池箱在极限工况的工作条件和碰撞试验条件下进行受力分析，计算得出受力数据，来确定上端盖1和下端盖2的厚度；制定出具体的电池箱结构、尺寸以及加强筋焊接位置的分布，以适应电池箱的强度和刚度要求；

S2、根据步骤S1获得上端盖1由于分布力的不同，故此设置为上层受力部6、下层受力部7和中层受力部8然后分别进行冲压成型：先对铝合金进行均匀化处理，采用560℃温度，6h溶解并通过水冷却工艺，获得细小的等轴晶粒组织，然后进行压铸，在压铸时，铸棒加热温度490℃-500℃，最后通过强风冷的方式进行冷却，成型后再采用了180℃高温，6h的时效工艺，获得上端盖的几个部分，然后将各部分冲压完成后进行激光焊接，得到完整的电池箱上端盖；

S4、在上端盖1的内侧壁粘贴由相变材料和导热泡绵组成的散热材料；

S5、用同样的工艺将下端盖2一次冲压成型；

S6、上端盖1和下端盖2分别成型后，通过排列在上端盖1和下端盖2上的一系列的螺栓来形成连接，再进行后期的防水防漏电等密封处理，最后得到多材料轻量化复合结构电池箱。

为了避免成型的结构中出现尖角导致应力集中，提高箱体的强度，在冲压过程中将上端盖1和下端盖2的尖角改为圆角过渡。

在本实施中将冲压成型好的上端盖1的各部分通过激光焊接组成完整的上端盖1，而传统的焊接方法由于铝合金的线膨胀系数为碳素钢和合金钢的两倍，凝固时的体积收缩率高，容易产生热裂纹。因此采用激光焊接的工艺将上端盖的各部分接合起来，采用激光密封焊接能获得较为美观的焊缝，焊缝表面平整，内部无裂纹和气孔缺失，能满足电动汽车动力电池对铝合金外壳较好的密封性要求和抗压要求。

经过步骤S1分析发现由于电池箱体上端盖1结构复杂，在各部分的交接处由于结构形式发生急剧变化，会导致较大的应力集中，还需要再优化上端盖的结构布局形式，经过计算得到上端盖铝合金板的厚度的最优值为2.30mm。

经过步骤S1分析发现由于下端盖2由于离地面距离小，容易受到撞击或磨损；电池包安装在下端盖上，下端盖要承受更多的重量，因此，下端盖1的厚度要大于上端盖2的厚度，并且需要设置加强筋以承受更多的重量，通过通过设置加强筋结构，有效地加强了下端盖的强度，还实现了在下端盖强度不变的情况下达到更加轻量化的效果，间接的增强了箱体的负载能力。加强筋选用高强度钢材料，能使电池箱整体重量减轻45.6％，比较符合经济适用性的要求。经过受力分析和计算，在满足各项强度，刚度，正、侧面碰撞安全指标下，经过计算得到下端盖铝合金板厚度的最优值为3.50mm，加强筋厚度的最优值为2.35mm。

当前对电池箱进行散热冷却主要采用风冷和水冷。风冷是指在电池箱上加装风扇，增大与空气的对流，将电芯表面热量带走；水冷是指将冷水管引入到电池箱内部，与电芯表面进行热交换，带走电芯热量。但是它们都有缺点，风冷的缺点是：开了进风口和出风口后，电池箱难以满足防尘、防水的等级要求；水冷的缺点是：水冷结构通常比较复杂，成本较高，还存在冷凝水泄漏的危险。铝合金具有导热率高的特点，可以不额外添加风冷或水冷装置，直接用自然风进行冷却。在上端盖1内侧粘贴由相变材料和导热泡绵组成的散热材料，可提高导热效率，加速热量排出电池箱体内，在完成上端盖1和下端盖2的成型及附件的安装后，将它们进行后期处理和装配以达到防水、防尘、绝缘等安全要求。

Claims (7)

1.一种多材料轻量化复合结构电池箱，包括电池箱本体，所述电池箱本体由两大部分组成，其特征在于：所述电池箱本体由冲压、焊接而成的上端盖(1)和下端盖(2)接合而成，且所述上端盖(1)和下端盖(2)采用铝合金为热处理可强化的6000系列铝合金材料，分别通过一次冲压成型与焊接形成。

2.根据权利要求1所述的一种多材料轻量化复合结构电池箱，其特征在于：所述下端盖(2)的内侧底板上还设置有采用Q460高强度钢材料制成的加强筋结构(3)。

3.根据权利要求2所述的一种多材料轻量化复合结构电池箱，其特征在于：所述加强筋结构(3)为横向加强筋结构(4)和纵向间隔加强筋结构(5)。

4.根据权利要求2或3所述的一种多材料轻量化复合结构电池箱，其特征在于：加强筋结构(3)焊接在下端盖(2)的内侧底板上。

5.根据权利要求1所述的一种多材料轻量化复合结构电池箱，其特征在于：所述上端盖(1)包括上层受力部(6)、下层受力部(7)和中层受力部(8)。

6.根据权利要求1至5所述的一种多材料轻量化复合结构电池箱的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、根据电池箱在极限工况的工作条件和碰撞试验条件下进行受力分析，计算得出受力数据，来确定上端盖(1)和下端盖(2)的厚度；制定出具体的电池箱结构、尺寸以及加强筋焊接位置的分布，以适应电池箱的强度和刚度要求；

S2、根据步骤S1获得上端盖(1)由于分布力的不同，故此设置为上层受力部(6)、下层受力部(7)和中层受力部(8)然后分别进行冲压成型：先对铝合金进行均匀化处理，采用560℃温度，6h溶解并通过水冷却工艺，获得细小的等轴晶粒组织，然后进行压铸，在压铸时，铸棒加热温度490℃-500℃，最后通过强风冷的方式进行冷却，成型后再采用了180℃高温，6h的时效工艺，获得上端盖的几个部分，然后将各部分冲压完成后进行激光焊接，得到完整的电池箱上端盖；

S4、在上端盖(1)的内侧壁粘贴由相变材料和导热泡绵组成的散热材料；

S5、用同样的工艺将下端盖(2)一次冲压成型；

S6、上端盖(1)和下端盖(2)分别成型后，通过排列在上端盖(1)和下端盖(2)上的一系列的螺栓来形成连接，再进行后期的防水防漏电等密封处理，最后得到多材料轻量化复合结构电池箱。

7.根据权利要求6所述的一种多材料轻量化复合结构电池箱的制造方法，其特征在于：在冲压过程中将上端盖(1)和下端盖(2)的尖角改为圆角过渡。