CN111224021B - 高强度轻量化新能源汽车电池壳体的生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种高强度轻量化新能源汽车电池壳体，所述壳体包括碳纤维复合芯壳，所述碳纤维复合芯壳的内侧壁上设置有合金内壳，所述碳纤维复合芯壳的外侧壁上设置有合金外壳，所述碳纤维复合芯壳的侧壁上开设有若干泄压孔。本发明通过使用碳纤维复合材料与铝基合金材料的配合，再保证新能源汽车电池壳体足够强度的前提下，可大幅减轻壳体的重量，满足轻量化设计的需求，可大幅提升新能源汽车的续航和性能；碳纤维复合芯壳上设置的通孔可作为泄压孔使用，在电池包内温度过高或内部压力过大时，铝基合金材料会熔融并及时泄压，可减少爆炸的风险；同时与单纯使用碳纤维材料相比，可节省接近一半的材料成本，便于普及。
Description
技术领域
本发明属于新能源汽车电池壳体技术领域，具体涉及一种高强度轻量化新能源汽车电池壳体及其生产工艺。
背景技术
新能源汽车的电池壳体主要用于对电池包的保护，要具有一定的耐振动强度和耐冲击强度，在新能源汽车中发挥者重要的作用。
现有技术中的新能源汽车电池壳体一般为钢制壳体和铝合金壳体，钢制壳体是最原始的动力电池包壳体材料，一般采用铸造钢板焊接而成，强度高、刚性高，但是质量重，而且表面必须进行防腐防锈处理，其稳定性不高。铝合金壳体具有易加工、耐腐蚀性好的特点，但是加工工艺工序多，工艺复杂，流程长，虽然其质量比钢制壳体轻，但是仍具有较大的质量，不利于轻量化的发展。
目前，碳纤维复合材料的密度约为1.7g/cm3，拉伸强度3000MPa，弹性模量230GPa，而钢材的密度为7.85g/cm3，抗拉强度为300～600MPa，弹性模量1901GPa，由此可见，碳纤维复合材料与现有技术中常用的钢材相比，具有明显的强度和轻量化优势，但是由于其材料的单位成本较高，全部使用碳纤维复合材料会导致电池壳体的成本大幅提升，无法得到普及，而且碳纤维复合材料的耐高温性能较大，可以耐受2000℃以上的高温，当蓄电池发生高温等故障时，不能及时泄压，会增加电池包爆炸的风险。
因此，针对上述技术问题，有必要提供高强度轻量化新能源汽车电池壳体及其生产工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度轻量化新能源汽车电池壳体及其生产工艺，以解决上述的问题。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种高强度轻量化新能源汽车电池壳体，所述壳体包括碳纤维复合芯壳，所述碳纤维复合芯壳的内侧壁上设置有合金内壳，所述碳纤维复合芯壳的外侧壁上设置有合金外壳，所述碳纤维复合芯壳的侧壁上开设有若干泄压孔，所述合金内壳和合金外壳之间固定连接有一体化连接柱，所述一体化连接柱贯穿泄压孔。
一实施例中，所述泄压孔包括若干侧壁通孔和若干底板通孔，若干所述侧壁通孔均匀分布在碳纤维复合芯壳的侧壁上，若干所述底板通孔均匀分在碳纤维复合芯壳的底板上。
一实施例中，所述合金内壳、合金外壳和一体化连接柱为一体化结构。
一实施例中，所述合金内壳、合金外壳和一体化连接柱均为相同的铝基合金材料。
一实施例中，所述铝基合金材料包含的元素和质量组分为：
Si：≤0.4
Cu：≤0.1
Mg：4.0～4.9
Zn：0.2～0.3
Mn：0.40～1.0
Ti：≤0.15
Cr：0.05～0.25
Fe：0.3～0.5。
剩余部分为Al和其他杂质。
一实施例中，所述合金内壳和合金外壳远离碳纤维复合芯壳的侧壁上均涂有聚四氟乙烯涂层。
一实施例中，所述碳纤维复合芯壳的平均厚度大于合金内壳或合金外壳的平均厚度。
一种高强度轻量化新能源汽车电池壳体的生产工艺，包括以下步骤：
S1、将碳纤维复合材料的原料按配方百分比投入高混机内，在90～100℃的温度条件下进行搅拌，直至含水率为0.2～0.4％，然后通过输送装置进入平行同向双螺杆造粒机进行造粒，即为原料颗粒；
S2、将S1中的原料颗粒放入注塑机进行注塑成型，其中注塑机内预留有侧壁通孔和底板通孔的通孔，成型后即为碳纤维复合芯壳；
S3、将S2中的碳纤维复合芯壳固定在铸造模具中，铸造模具预留有合金内壳和合金外壳的空间，同时将铝基合金材料熔融为铝基合金液体，将足够的铝基合金液体导入铸造模具中；
S4、冷却后将S3中铸造模具内的壳体取出，进行适当的修整后涂覆聚四氟乙烯涂层，生产完成。
一实施例中，S1中，所述碳纤维复合材料的原料及质量百分比为：聚酰胺树脂30～50％、陶瓷微珠20～30％、碳纤维10～30％、硅烷偶联剂0.5～3％、气相二氧化硅5～20％、硅微粉10～20％，上述各组分用量之和为100％。
一实施例中，S4中，所述聚四氟乙烯涂层的厚度为20～30μm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过使用碳纤维复合材料与铝基合金材料的配合，再保证新能源汽车电池壳体足够强度的前提下，可大幅减轻壳体的重量，满足轻量化设计的需求，可大幅提升新能源汽车的续航和性能；碳纤维复合芯壳上设置的通孔可作为泄压孔使用，在电池包内温度过高或内部压力过大时，铝基合金材料会熔融并及时泄压，可减少爆炸的风险；同时与单纯使用碳纤维材料相比，可节省接近一半的材料成本，便于普及。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例中高强度轻量化新能源汽车电池壳体的结构示意图；
图2为本发明一实施例中高强度轻量化新能源汽车电池壳体的剖面图；
图3为图2中A处的结构示意图；
图4为本发明一实施例中高强度轻量化新能源汽车电池壳体的爆炸图。
图中：1.碳纤维复合芯壳、101.侧壁通孔、102.底板通孔、3.合金内壳、4.合金外壳、5.一体化连接柱。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
本发明公开了高强度轻量化新能源汽车电池壳体，参图1～图4所示，壳体包括碳纤维复合芯壳1，碳纤维复合芯壳1的内侧壁上设置有合金内壳3，碳纤维复合芯壳1的外侧壁上设置有合金外壳4，碳纤维复合芯壳1为主要受力板，强度大，合金内壳3和合金外壳4具有塑性与耐腐蚀性高的特点，中等强度，其密度在2～3g/cm3，可满足轻量化的需求，同时不易影响壳体的整体强度，可大幅减少碳纤维复合芯壳1的材料使用。
参图4所示，碳纤维复合芯壳1的侧壁上开设有若干泄压孔，合金内壳3和合金外壳4之间固定连接有一体化连接柱5，一体化连接柱5贯穿泄压孔，泄压孔包括若干侧壁通孔101和若干底板通孔102，若干侧壁通孔101均匀分布在碳纤维复合芯壳1的侧壁上，若干底板通孔102均匀分在碳纤维复合芯壳1的底板上，底板通孔102的分布密度较小，侧壁通孔101的分布密度较大，碳纤维复合芯壳1的底板与车辆底盘接触，底板通孔102分布密度小安全性更高，在电池包内温度过高或内部压力过大时，合金内壳3、合金外壳4和一体化连接柱5会熔融并及时通过侧壁通孔101或底板通孔102泄压，可减少爆炸的风险。合金内壳3和合金外壳4远离碳纤维复合芯壳1的侧壁上均涂有聚四氟乙烯涂层，可再次提升耐腐蚀的效果，且聚四氟乙烯涂层具有超低的摩擦系数，不易粘附杂质，易于保持壳体的清洁。
参图2～图3所示，碳纤维复合芯壳1的平均厚度大于合金内壳3或合金外壳4的平均厚度，可保证碳纤维复合芯壳1为主要受力层，实际操作中，碳纤维复合芯壳1的平均厚度可为合金内壳3和合金外壳4平均厚度的总和，合金内壳3、合金外壳4和一体化连接柱5为一体化结构，合金内壳3、合金外壳4和一体化连接柱5均为相同的铝基合金材料，可通过铸造的方式将合金内壳3、合金外壳4和一体化连接柱5一体化成型，结构稳定，强度大。
一种高强度轻量化新能源汽车电池壳体的生产工艺，包括以下步骤：
S1、将碳纤维复合材料的原料按配方百分比投入高混机内，在90～100℃的温度条件下进行搅拌，直至含水率为0.2～0.4％，然后通过输送装置进入平行同向双螺杆造粒机进行造粒，即为原料颗粒；
其中，碳纤维复合材料的原料及质量百分比为：聚酰胺树脂30～50％、陶瓷微珠20～30％、碳纤维10～30％、硅烷偶联剂0.5～3％、气相二氧化硅5～20％、硅微粉10～20％，上述各组分用量之和为100％
S2、将S1中的原料颗粒放入注塑机进行注塑成型，其中注塑机内预留有侧壁通孔101和底板通孔102的通孔，成型后即为碳纤维复合芯壳1；
S3、将S2中的碳纤维复合芯壳1固定在铸造模具中，铸造模具预留有合金内壳3和合金外壳4的空间，同时将铝基合金材料熔融为铝基合金液体，将足够的铝基合金液体导入铸造模具中，铝基合金材料的熔点低于纯铝的熔点，铝基合金液体的温度为580～620度，而碳纤维复合芯壳1的耐高温性能可达2000度，铝基合金液体不会导致碳纤维复合芯壳1的变形和融化；
铝基合金材料包含的元素和质量组分为：
Si：≤0.4
Cu：≤0.1
Mg：4.0～4.9
Zn：0.2～0.3
Mn：0.40～1.0
Ti：≤0.15
Cr：0.05～0.25
Fe：0.3～0.5。
剩余部分为Al和其他杂质。
S4、冷却后将S3中铸造模具内的壳体取出，进行适当的修整后涂覆聚四氟乙烯涂层，聚四氟乙烯涂层的厚度为20～30μm，生产完成。
具体可由本领域技术人员根据不同的新能源汽车以及不同的电池包设计不用的注塑模具和铸造模具，即可生成出符合要求的壳体。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明通过使用碳纤维复合材料与铝基合金材料的配合，再保证新能源汽车电池壳体足够强度的前提下，可大幅减轻壳体的重量，满足轻量化设计的需求，可大幅提升新能源汽车的续航和性能；碳纤维复合芯壳上设置的通孔可作为泄压孔使用，在电池包内温度过高或内部压力过大时，铝基合金材料会熔融并及时泄压，可减少爆炸的风险；同时与单纯使用碳纤维材料相比，可节省接近一半的材料成本，便于普及。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种高强度轻量化新能源汽车电池壳体的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将碳纤维复合材料的原料按配方百分比投入高混机内，在90～100℃的温度条件下进行搅拌，直至含水率为0.2～0.4％，然后通过输送装置进入平行同向双螺杆造粒机进行造粒，即为原料颗粒；
S2、将S1中的原料颗粒放入注塑机进行注塑成型，其中注塑机内预留有侧壁通孔(101)和底板通孔(102)的通孔，成型后即为碳纤维复合芯壳(1)；
S3、将S2中的碳纤维复合芯壳(1)固定在铸造模具中，铸造模具预留有合金内壳(3)和合金外壳(4)的空间，同时将铝基合金材料熔融为铝基合金液体，将足够的铝基合金液体导入铸造模具中；
S4、冷却后将S3中铸造模具内的壳体取出，进行适当的修整后涂覆聚四氟乙烯涂层，生产完成；
所述壳体包括碳纤维复合芯壳(1)，所述碳纤维复合芯壳(1)的内侧壁上设置有合金内壳(3)，所述碳纤维复合芯壳(1)的外侧壁上设置有合金外壳(4)，所述碳纤维复合芯壳(1)的侧壁上开设有若干泄压孔，所述合金内壳(3)和合金外壳(4)之间固定连接有一体化连接柱(5)，所述一体化连接柱(5)贯穿泄压孔，所述泄压孔包括若干侧壁通孔(101)和若干底板通孔(102)，若干所述侧壁通孔(101)均匀分布在碳纤维复合芯壳(1)的侧壁上，若干所述底板通孔(102)均匀分在碳纤维复合芯壳(1)的底板上；
所述铝基合金材料包含的元素和质量组分为：
Si：≤0.4
Cu：≤0.1
Mg：4.0～4.9
Zn：0.2～0.3
Mn：0.40～1.0
Ti：≤0.15
Cr：0.05～0.25
Fe：0.3～0.5
剩余部分为Al和其他杂质。
2.根据权利要求1所述的高强度轻量化新能源汽车电池壳体的生产工艺，其特征在于，S1中，所述碳纤维复合材料的原料及质量百分比为：聚酰胺树脂30～50％、陶瓷微珠20～30％、碳纤维10～30％、硅烷偶联剂0.5～3％、气相二氧化硅5～20％、硅微粉10～20％，上述各组分用量之和为100％。
3.根据权利要求1所述的高强度轻量化新能源汽车电池壳体的生产工艺，其特征在于，S4中，所述聚四氟乙烯涂层的厚度为20～30μm。
4.根据权利要求1所述的高强度轻量化新能源汽车电池壳体的生产工艺，其特征在于，所述合金内壳(3)、合金外壳(4)和一体化连接柱(5)为一体化结构。
5.根据权利要求1所述的高强度轻量化新能源汽车电池壳体的生产工艺，其特征在于，所述合金内壳(3)、合金外壳(4)和一体化连接柱(5)均为相同的铝基合金材料。
6.根据权利要求1所述的高强度轻量化新能源汽车电池壳体的生产工艺，其特征在于，所述合金内壳(3)和合金外壳(4)远离碳纤维复合芯壳(1)的侧壁上均涂有聚四氟乙烯涂层。
7.根据权利要求1所述的高强度轻量化新能源汽车电池壳体的生产工艺，其特征在于，所述碳纤维复合芯壳(1)的平均厚度大于合金内壳(3)或合金外壳(4)的平均厚度。
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