CN111224037A - 轻量型动力电池下箱体及其制作方法 - Google Patents

轻量型动力电池下箱体及其制作方法 Download PDF

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CN111224037A CN202010207371.2A CN202010207371A CN111224037A CN 111224037 A CN111224037 A CN 111224037A CN 202010207371 A CN202010207371 A CN 202010207371A CN 111224037 A CN111224037 A CN 111224037A
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唐昌伟
龚建峰
曹正宁
吴国庆
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Liyang Kangben Composite Material Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种轻量型动力电池下箱体及其制作方法，其中，轻量型动力电池下箱体包括：基体、液冷板、承重托盘；基体的一面形成有装配型腔，基体包括层叠设置的：第一复合层、中间填充层以及第二复合层，第一、第二复合层由若干单元层复合而成，任一单元层由连续玻璃纤维和环氧树脂的无序混合热固成型，中间填充层为PET硬质发泡层，液冷板安装于装配型腔中，液冷板上还具有固定梁组件，承重托盘通过粘胶和螺栓安装于基体的另一面。本发明的下箱体采用连续玻纤维和环氧树脂形成的预浸料制作作为基体，获得一种强度高、低密度的基体结构。同时，对基体、液冷板、承重托盘的结构进行设计，提升了动力电池下箱体的强度，并使其具有较好的均热性能。

Description

轻量型动力电池下箱体及其制作方法
技术领域
本发明涉及电动汽车技术领域，尤其涉及一种轻量型动力电池下箱体及其制作方法。
背景技术
随着世界能源危机和环境污染问题日益严重，汽车轻量化越来越受到人们的重视。对于很多新能源汽车公司来说，提升续航里程是所有新能源汽车公司面临的最大挑战，增加续航里程主要有三种方法：提升锂电池性能，增加锂电池数目，减轻汽车重量。其中，减轻汽车重量是最可行，成本最低，最快速的方法。轻量化对汽车节能减排的效果直接而显著，试验证明，对于传统燃油汽车，汽车整备质量每减轻10％，可降低油耗6％～8％，排放下降3％～4％；对于新能源纯电动汽车，汽车整备质量每减少10％，电耗下降5.5％，续航里程增加5.5％。同时汽车质量的降低可减小汽车制动距离，提高安全性能。
所以，无论是对传统燃油汽车，还是对新能源汽车，轻量化研究与探索始终具有重要意义。轻量化并非简单地将整备质量减轻，而是在保证强度和安全性能的前提下尽可能地降低整备质量并保证制造成本在合理范围内，以实现安全性和经济性的兼顾统一。电池包箱体作为动力电池的承载和防护机构，在电池包系统中占据重要位置，而且其整备质量目前偏大，具有较大的轻量化空间，同时政策对于电池包能量密度的要求逐步提高，使得电池包箱体轻量化发展具有很强的紧迫性。
针对传统电池包箱体一般采用低碳钢钣金和焊接工艺加工而成，成本较低但箱体质量较大，严重影响电池包系统能量密度的提高和新能源汽车的轻量化，不符合发展趋势，需要进行轻量化改进。因此，面临电池包箱体轻量化同时保证其具有结构强度的技术问题，有必要提出进一步地解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种轻量型动力电池下箱体及其制作方法，以克服现有技术中存在的不足。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种轻量型动力电池下箱体，其包括：基体、液冷板、承重托盘；
所述基体的一面形成有装配型腔，所述基体包括层叠设置的：第一复合层、中间填充层以及第二复合层，所述第一、第二复合层由若干单元层复合而成，任一单元层由连续玻璃纤维和环氧树脂的无序混合热固成型，所述中间填充层为PET硬质发泡层，所述液冷板安装于所述装配型腔中，所述液冷板上还具有固定梁组件，所述承重托盘通过粘胶和螺栓安装于所述基体的另一面。
作为本发明的轻量型动力电池下箱体的改进，所述PET硬质发泡层的密度范围为120kg/m3～150kg/m3。
作为本发明的轻量型动力电池下箱体的改进，所述PET硬质发泡层上开设有若干孔洞，任一孔洞中由SMC材料填充。
作为本发明的轻量型动力电池下箱体的改进，所述固定梁组件包括若干横向和纵向设置的安装梁，各横向和纵向设置的安装梁限定多个固定区域。
作为本发明的轻量型动力电池下箱体的改进，所述液冷板与固定梁组件之间通过搅拌摩擦焊连接为一体。
作为本发明的轻量型动力电池下箱体的改进，所述液冷板的一侧设置有两个进水口，另一侧设置有一个出水口，与所述两个进水口和一个出水口相连通的流道均匀地布置于所述液冷板中。
作为本发明的轻量型动力电池下箱体的改进，与所述两个进水口相连通的各流道沿X方向平行设置，与所述出水口相连通的各流道沿Y方向平行设置，所述X方向与Y方向相垂直，且所述沿X方向平行设置的各流道与沿Y方向平行设置的各流道保持连通。
作为本发明的轻量型动力电池下箱体的改进，所述承重托盘通过螺栓与所述基体相连接的位置处开设有螺孔，所述螺孔的外围设置有环形的凸筋。
作为本发明的轻量型动力电池下箱体的改进，所述基板和称重托盘沿贴地方向的外表面还通过喷涂的方式形成PVC防护层。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种轻量型动力电池下箱体的制作方法，其包括：
在阳模中，将单元层进行裁切，并将裁切后的多个单元层逐个进行铺层并压合，形成第一复合层；
在将发泡硬质PET放在铺好层的所述第一复合层上，并施加压力使二者充分贴合；
将裁切后的多个单元层在发泡硬质PET层上逐个进行铺层并压合，形成第二复合层；
再将仿形导热硅胶模垫放在所述第二复合层上；
将阴模与所述阳模进行合模，将合模后的预热固化模具放入压机，在工艺条件下进行热压成型，形成基体；
在所述基体上装配液冷板和承重托盘。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的轻量型动力电池下箱体采用连续玻纤维和环氧树脂形成的预浸料制作作为基体，获得一种强度高、低密度的基体结构。同时，对基体、液冷板、承重托盘的结构进行设计，提升了动力电池下箱体的强度，并使其具有较好的均热性能。
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为表征本发明轻量型动力电池包下箱体性能的密度-杨氏模量图；
图2为表征本发明轻量型动力电池包下箱体性能的韧性-强度图；
图3为表征本发明轻量型动力电池包下箱体性能的比强度图；
图4为表征本发明轻量型动力电池包下箱体性能的成本-电阻率图；
图5本发明轻量型动力电池包下箱体一实施例的立体示意图；
图6为图5中局部放大示意图；
图7为图6中A-A方向的剖视放大图；
图8为图5中局部放大示意图；
图9为图8中B-B方向的剖视放大图；
图10为图5中基体的立体分解示意图；
图11为图5中液冷板及其上固定梁组件的立体分解示意图；
图12为图11中液冷板内部流道的平面示意图；
图13为图5中承重托盘的立体图；
图14为本发明轻量型动力电池包下箱体制作方法一实施例中热固成型时的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种轻量型动力电池包下箱体及其制作方法，将以往传统动力电池下箱体采用金属材料(如钣金冲压下箱体、钣金拼焊下箱体、铝合金挤压成型再拼焊下箱体、铸铝加铣下箱体)改用以性价比较高的连续玻璃纤维+环氧树脂为复合材料层，并在夹层中间预埋硬质发泡PET作为轻量化填充物增强材料，通过与复合材料层在成型模具内高温模压固化一体成型。复合材料往往兼具刚性和轻质性，在密度上，复合材料密度远远低于金属及金属合金的密度，连续玻璃纤维+环氧树脂的复合材料密度通常在1600～1820kg/m3，在物理特性上：如杨氏模量、强度、比强度却与金属及金属合金相媲美(如下图1、图2、图3)，而图4中电阻率却远远大于金属及金属合金，这种特性显示复合材料的绝缘性能非常优越，在金属材料的动力电池下箱体往往为了绝缘性能提高，通常要做表面绝缘处理，从性价比上明显低于复合材料下箱体。
本发明的轻量型动力电池下箱体采用连续玻璃纤维+阻燃型环氧树脂作为基体。整个下箱体复合材料成型的PCM工艺流程：裁布→铺层→模内热压固化→修边打孔→胶接铆接→箱体底部喷塑→气密性及尺寸检测→包装。根据电池包的储能电量大小不同，下箱体承载结构设计略有变化，通常采用的下箱体复合材料的总厚度在2mm～3mm，在复合材料夹层中采用发泡硬质PET填充，作用是增强刚度，发泡硬质PET的密度较底，一般在150～200kg/m3，而发泡硬质PET可以通过模具内发泡成型，也可以通过挤压成型，生产不同规格、不同形状的异形发泡结构，相对传统的PET通过CNC加工成异形预埋结构，成本上有优势；在下箱体内为了给动力电池进行冷却及模组固定装置，采用了冷却板与模组固定梁一体化设计(即将铝制液冷板与增强挤压模组固定梁通过搅拌摩擦焊接在一起)，同时考虑冷却液在冷却板内的流向均衡性及对电池冷却降温一致性，采用在冷却板一端两侧同时设置进水口，而在另一端一侧设置为出水口；为了液冷板和模组固定梁组件能更好的与下箱体内表面进行有效胶合黏接，在黏接前对所要胶接处的复合材料表面进行砂纸打磨和有机溶济清洗，以便增强胶接后的附着力，而冷却板胶接面同样做磷化表面处理，也是为了去除生产过程中的“脏污”和增加胶接后的附着力；在电池下箱体底部采用二次承重高强度钢DP780，局部采用增强结构设计，而承重钣金件结构延伸到与整车挂载平台下方，使得挂载平台的刚度、强度增强，可有效地将力传到整个下箱体钣金及复合材料基体上，分散因整车运行过程产生对电池包的振动力；为了能更好延长电池包下箱体的使用安全性、可靠性，将二次承重钣金局部通过贯穿压合螺栓与下箱体内部胶合黏接的液冷板、模组固定梁及下箱体复材基体进行机械锁紧装置，考虑贯穿箱体对密封性能的下降，采用了贯穿孔内打密封结构胶和在下箱体底面及钣金件表面喷上软性PVC，同时还可预防电池下箱体底部长期可能受异物或石击，有效增加下箱体的保护；下箱体的法兰面也是个重要的结构部分，法兰面通常要与电池包的上盖进行组装密封，上盖与下箱体的密封件通常采用密封垫或密封胶在上盖和法兰面之间，再用锁紧螺栓将上盖与下箱体紧固密封，本发明中的下箱体法兰面通过基体打孔后，将盲孔压铆防滑螺母+密封结构胶一起压入孔内。
如图5所示，本发明一实施例提供一种轻量型动力电池下箱体，其包括：基体1、液冷板2、承重托盘3。
其中，基板1和称重托盘3沿贴地方向的外表面还通过喷涂的方式形成PVC防护层。如此起到了二次防密封及钣金表面防锈蚀功能，有效确保电池下箱体的IP67，同时为了防止电池包在长期使用过程中遭到异物或石击。
如图6、7所示，本实施例轻量型动力电池下箱体具有与电池箱上盖相连接的法兰面，该法兰面上嵌有防滑盲孔压铆螺母M5套管11，作为下箱体与电池箱上盖进行密封锁紧结构，其等级≥8.8级，材质为不锈钢304。
如图8、9所示，本实施例轻量型动力电池下箱体与整车底盘进行挂载时的表面12为铝合金材质AL6160，其表面磷化处理，再进行胶接，同时在锁紧孔内嵌有金属套管13。其中，使用结构胶进行黏接，可防止下箱体表面直接与车身底部固定梁接触，同时也是吸收与整车锁紧螺栓时的孔内嵌有金属套管在下箱体表面的高度
如图10所示，基体1的一面形成有装配型腔，基体1包括层叠设置的：第一复合层101、中间填充层102以及第二复合层103，第一、第二复合层101、103由若干单元层复合而成，任一单元层预浸料(连续玻璃纤维+阻燃环氧树脂)热固成型，中间填充层102为PET硬质发泡层。
其中，预浸料通过热固后(连续玻璃纤维+阻燃环氧树脂)作为轻量型复合材料下箱体主基体1，复合材料选用性价比高且带有阻燃剂的环氧树脂系，可确保电池下箱体耐火烧性能，另外，连续玻璃纤维层通过连续玻璃纤维相互交叉编织而成，通过在模具内与所附环氧树脂通过高温热固成型。
同时，为了增加下箱体的整体刚度和强度，采用了PET硬质发泡材料作为填充物，硬质PET发泡层成型前可对其密度进行调节，通常硬度调至120kg/m3～150kg/m3，该填充物所在层为第一、第二复合层之间。此外，PET硬质发泡层上开设有若干孔洞，任一孔洞中由SMC材料填充。采用带有阻燃剂的SMC材料，具有阻燃性能好、性价比优、易模压成型等优点，目的是为了基体1成型后进行打孔不损坏夹层中的硬质PET发泡层，同时也会增强穿芯铆接螺栓与孔内的胶接强度和密封性。
如图11、12所示，液冷板2用于实现均温的发明目的，其安装于装配型腔中，并通过粘接方式相连接，且所要胶接的液冷板2表面进行磷化处理，可有效增加金属件表面的附着力及去除生产过程中产生的“脏污”。同时，还通过防松螺母进行螺接。
液冷板2上还具有固定梁组件21。液冷板2与固定梁组件21之间可以通过搅拌摩擦焊连接为一体。一个实施方式中，固定梁组件21包括若干横向和纵向设置的安装梁，各横向和纵向设置的安装梁限定多个固定区域，以适于安装BMS电池管理系统固定、高压配电盒等。
为了获得良好的均温性能，液冷板2的一侧设置有两个进水口22，另一侧设置有一个出水口23，与两个进水口22和一个出水口23相连通的流道均匀地布置于液冷板2中。如此有利于冷却液快速地均匀带走液冷板2整体的热量，一个实施方式中，与两个进水口22相连通的各流道24沿X方向平行设置，与出水口23相连通的各流道25沿Y方向平行设置，X方向与Y方向相垂直，且沿X方向平行设置的各流道24与沿Y方向平行设置的各流道25保持连通。
图13所示，承重托盘3通过粘胶和螺栓安装于基体1的另一面，其用于增加本实施例轻量型动力电池下箱体的强度。该承重托盘3采用高强度镀锌钢DP780。
具体地，上述承重托盘3局部进加强结构设计，并与基体1通过结构胶黏接为一体，为了有效将承重钣金拖盘与复合下箱体进行刚性连接，在钣金局部进行凹凸结构设计，在凹处进行打孔并通过贯穿铆螺栓与下箱体内部的液冷板2及模组固定梁组件21一起锁紧，可有效起到整个电池下箱体的强度和刚度，更有利于增加电池包箱体的整体保护。一个实施方式中，承重托盘3通过螺栓与基体1相连接的位置处开设有螺孔31，螺孔31的外围设置有环形的凸筋。
同时，在铆接前将基体1与承重托盘3接触面进行表面处理，处理方法通常为打磨后并用有机溶济清洗，将基体1表面的生产过程产生的“脏污”清除掉；所要胶接的承重拖盘钣金件进行表面同样进行磷化处理，可有效增加金属件表面的附着力及去除生产过程中产生的“脏污”。
基于相同的发明构思，本发明另一实施例还提供一种轻量型动力电池下箱体的制作方法。
如图14所示，上述轻量型动力电池下箱体的制作方法包括：
在阳模100中，将单元层进行裁切，并将裁切后的多个单元层逐个进行铺层并压合，形成第一复合层10。
在将发泡硬质PET放在铺好层的第一复合层10上，并施加压力使二者充分贴合；
将裁切后的多个单元层在发泡硬质PET层20上逐个进行铺层并压合，形成第二复合层30；
再将仿形导热硅胶模垫40放在第二复合层30上；
将阴模与阳模100进行合模，将合模后的预热固化模具放入压机，在工艺条件下进行热压成型，形成基体；
在基体上装配液冷板和承重托盘。
其中，单元层采用连续玻璃纤维+40％阻燃环氧树脂的预浸料制作而成，预浸料400g/m2，3层预浸料进行上下叠加铺层，3层预浸料模压热固成型后的厚度约为0.96mm。易脱模导热硅胶模垫厚度为3mm，其作用为降低脱模剂的使用成本及防止热固后的下箱体与阴模粘模卡模，减少因使用脱模剂对模具抛光的劳动强度，同时在模具合模热压过程因铺层料厚不匀产生的合模间隙起到一定的平衡吸收作用。此外，在上述模具合模间隙设计时考虑预留一定的易脱模导热硅胶模垫的厚度空间，可以在设计模具时通过合模限高以确保模具对模内成型前的预浸料及预埋件、导热硅胶模垫的过压。
一个实施方式中，预浸料单元层放在裁布机上进行裁切，裁切后的原材料按工艺要求在阳模(凸模)将3层400g/m2预浸料逐个进行铺层压合并完成第一道工序的铺层；接着将发泡硬质PET放在前面铺好层的预浸料上，并进行适当地人工使用压力，让预浸料与PET充分贴合，完成第二道工序；接着在硬质PET上对所有孔进行SMC材料填充，完成第三道工序；最后将3层400g/m2预浸料逐个进行铺层压合，完成第四道工序的铺层；最后再将仿形导热硅胶模垫放在最后铺层上面，并用吊装工具将阴模(凹模)与阳模(凸模)进行合模，将合模后的预热固化模具放入压机。
热压成型阶段：将模具放入压机工作台上，启动模压机合模，合模压力分三个阶段，第一阶段压力10Bar，模压温度70℃，保温180S，第二阶段压力30Bar，模压温度100℃，保温240S，第三阶段压力50Bar，模压温度145℃，保温300S；模压固化后压机开模，模具从压机上移动到指定的位置降温，降温方式(1.自然冷却至65℃；2.移动到渐冷通道快速降温至65℃)；此时温度可以对模压固化的下箱体进行开模脱模，将脱模后的下箱体流入后制程工序，并按下箱体图纸尺寸要求进行加工及工艺装配，装配完成品进行尺寸检测、外观检测及气密性检测等，最后合格的产品包装入库。
综上所述，本发明的轻量型动力电池下箱体采用连续玻纤维和环氧树脂形成的预浸料制作作为基体，获得一种强度高、低密度的基体结构。同时，对基体、液冷板、承重托盘的结构进行设计，提升了动力电池下箱体的强度，并使其具有较好的均热性能。
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方式加以描述，但并非每个实施方式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 (10)

1.一种轻量型动力电池下箱体，其特征在于，所述轻量型动力电池下箱体包括：基体、液冷板、承重托盘；
所述基体的一面形成有装配型腔，所述基体包括层叠设置的：第一复合层、中间填充层以及第二复合层，所述第一、第二复合层由若干单元层复合而成，任一单元层由连续玻璃纤维和环氧树脂的无序混合热固成型，所述中间填充层为PET硬质发泡层，所述液冷板安装于所述装配型腔中，所述液冷板上还具有固定梁组件，所述承重托盘通过粘胶和螺栓安装于所述基体的另一面。
2.根据权利要求1所述的轻量型动力电池下箱体，其特征在于，所述PET硬质发泡层的密度范围为120kg/m3～150kg/m3。
3.根据权利要求1所述的轻量型动力电池下箱体，其特征在于，所述PET硬质发泡层上开设有若干孔洞，任一孔洞中由SMC材料填充。
4.根据权利要求1所述的轻量型动力电池下箱体，其特征在于，所述固定梁组件包括若干横向和纵向设置的安装梁，各横向和纵向设置的安装梁限定多个固定区域。
5.根据权利要求1所述的轻量型动力电池下箱体，其特征在于，所述液冷板与固定梁组件之间通过搅拌摩擦焊连接为一体。
6.根据权利要求1所述的轻量型动力电池下箱体，其特征在于，所述液冷板的一侧设置有两个进水口，另一侧设置有一个出水口，与所述两个进水口和一个出水口相连通的流道均匀地布置于所述液冷板中。
7.根据权利要求6所述的轻量型动力电池下箱体，其特征在于，与所述两个进水口相连通的各流道沿X方向平行设置，与所述出水口相连通的各流道沿Y方向平行设置，所述X方向与Y方向相垂直，且所述沿X方向平行设置的各流道与沿Y方向平行设置的各流道保持连通。
8.根据权利要求1所述的轻量型动力电池下箱体，其特征在于，所述承重托盘通过螺栓与所述基体相连接的位置处开设有螺孔，所述螺孔的外围设置有环形的凸筋。
9.根据权利要求1所述的轻量型动力电池下箱体，其特征在于，所述基板和称重托盘沿贴地方向的外表面还通过喷涂的方式形成PVC防护层。
10.一种轻量型动力电池下箱体的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在阳模中，将单元层进行裁切，并将裁切后的多个单元层逐个进行铺层并压合，形成第一复合层；
在将发泡硬质PET放在铺好层的所述第一复合层上，并施加压力使二者充分贴合；
将裁切后的多个单元层在发泡硬质PET层上逐个进行铺层并压合，形成第二复合层；
再将仿形导热硅胶模垫放在所述第二复合层上；
将阴模与所述阳模进行合模，将合模后的预热固化模具放入压机，在工艺条件下进行热压成型，形成基体；
在所述基体上装配液冷板和承重托盘。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111640895A (zh) * 2020-06-09 2020-09-08 博戈橡胶塑料（株洲）有限公司 一种新能源汽车电池箱
CN112223782A (zh) * 2020-09-22 2021-01-15 肇庆市海特复合材料技术研究院 一种复合材料电池包上框的成型模具及制备方法
CN112599903A (zh) * 2020-12-24 2021-04-02 湖北亿纬动力有限公司 液冷电池箱体及电池包

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