一种防热失控复合材料电池箱上盖的成型工艺方法及产品
技术领域
本发明属于电池箱上盖制备技术领域,具体涉及一种防热失控复合材料电池箱上盖的成型工艺方法及产品。
背景技术
复合材料具有高的比模量、比强度,同时复合材料结构的设计与制造可以实现一体化,日前复合材料成为新能源电动汽车轻量化首选材料。新能源电池包作为新能源电动汽车的核心技术,是制约新能源电动汽车发展与推广的关键,而电动汽车的安全性也是电动汽车全面推向市场的关键指标。
使用连续纤维增强树脂基复合材料制造电动汽车上盖是防止电池包热失控最具有潜力的技术方案之一,连续纤维增强复合材料具有高强度,并且纤维为连续状态,在发生热失控时具有一定的强度与很好的维型能力,防止明火外溢,但是复合材料的基体材料容易被热失控的高温烧蚀,降低防火能力。目前比较通用的解决思路是在电芯与复合材料上盖之间额外安装一块云母板,隔开明火,防止明火外溢,不足是需要额外增加云母板零部件,不仅提高装配成本和材料成本,还占用电池包空间。市场上主流的减重方案是配套SMC工艺的上盖,但是SMC上盖均为短切纤维,在高温树脂烧蚀后不具备维型能力。为此,若研究出一种低成本、不占用电池包空间、整体防热失控的电池箱上盖将大大提高电动汽车的安全性,促进其全面推向市场。
发明内容
为解决现有技术中存在的技术问题,本发明的目的在于提供一种防热失控复合材料电池箱上盖的成型工艺方法及产品。
为实现上述目的,达到上述技术效果,本发明采用的技术方案为:
一种防热失控复合材料电池箱上盖的成型工艺方法,包括如下步骤:
S1、根据热失控温度、防火要求,设计电池箱上盖的铺层方案以及原材料要求;
S2、根据铺层方案制备含不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料;
S3、按照设计要求将云母纸和不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料在模具上铺层,产品厚度根据重量、强度要求和防火要求决定;
S4、铺层完成后在压机上保温保压固化;
S5、将产品脱模;
S6、加工孔与轮廓尺寸,得到所需电池箱上盖;
步骤S3中,云母纸铺于模具上盖顶面,不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料按顺序整体铺层于云母纸上,先铺层低质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料,再铺层高质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料,高质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料铺层于低质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料中间。
进一步的,步骤S2中,不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料的制备步骤为:
S21、在研磨机中将云母粉研磨至直径4-6um;按照云母粉的质量分数要求,分别称重云母粉和环氧树脂,放入树脂反应釜中,于80-90℃条件下共混,压力为标准大气压,树脂与云母粉的质量比例为5:X,其中X根据设计要求决定,随后添加固化剂和阻燃添加剂,混匀,得到含有不同质量分数云母粉的环氧树脂原料;
S22、将编织完成的连续增强纤维布与步骤S21所得含有不同质量分数云母粉的环氧树脂原料分别在预浸料制备设备上复合,含有云母粉的环氧树脂原料压合在连续增强纤维布上,胶槽温度35±3℃,牵引速度2±0.1m/min,压辊间隙为0.4±0.05mm,分别制备出不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料。
进一步的,所述云母粉的质量分数包括:80%、70%、60%、10%,为云母粉与环氧树脂的质量比例,连续增强纤维布的体积含量为55±3%,云母粉与环氧树脂的总体积含量为45±3%,连续增强纤维布采用连续玻璃纤维布。
进一步的,步骤S3中,云母纸铺于模具上盖顶面,不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料按顺序整体铺层于云母纸上,云母纸和含云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料单层厚度均为0.4±0.05mm。
进一步的,步骤S3中,在热失控温度不低于800℃时的严苛条件下,云母纸和不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料在模具上按以下顺序铺九层:
S31、第1层,在模具上盖顶面位置铺云母纸;
S32、第2层,将云母粉质量分数为10%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照0/90的铺层角度铺层到第1层上;
S33、第3层,将云母粉质量分数为80%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照±45的铺层角度铺层到第2层;
S34、第4层,将云母粉质量分数为80%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照0/90的铺层角度铺层到第3层上;
S35、第5层,将云母粉质量分数为70%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照±45的铺层角度铺层到第4层上;
S36、第6层,将云母粉质量分数为60%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照0/90的铺层角度铺层到第5层上;
S37、第7层,将云母粉质量分数为10%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照±45的铺层角度铺层到第6层上;
S38、第8层,将云母粉质量分数为10%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照0/90的铺层角度铺层到第7层上;
S39、第9层,将云母粉质量分数为10%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照±45的铺层角度铺层到第8层上。
进一步的,步骤S4中,将铺层完成后的模具在压机上加热至120±5℃,压机加压80±5T;随后,继续加热至150±5℃,压机压力加压至200±5T,合模,合模后的模具间隙≤0.05mm,保压保温2~3min,产品固化度≥92%。
进一步的,步骤S5中,将模具冷却≤60℃,用气枪向上盖与模具之间间隙充气,使得产品与模具分离。
进一步的,步骤S6中,采用激光加工孔与轮廓尺寸,得到所需电池箱上盖。
本发明还提供了采用防热失控复合材料电池箱上盖的成型工艺方法制备的电池箱上盖。
进一步的,包括由下至上依次铺设的云母纸层、第一复合材料层、第二复合材料层、第三复合材料层、第四复合材料层、第五复合材料层、第六复合材料层、第七复合材料层和第八复合材料层,第一复合材料层为云母质量分数为10%的复合材料层,第二复合材料层为云母质量分数为80%的复合材料层,第三复合材料层为云母质量分数为80%的复合材料层,第四复合材料层为云母质量分数为70%的复合材料层,第五复合材料层为云母质量分数为60%的复合材料层,第六复合材料层为云母质量分数为10%的复合材料层,第七复合材料层为云母质量分数为10%的复合材料层,第九复合材料层为云母质量分数为10%的复合材料层,模压前各层厚度为0.4mm,模压后各层厚度为0.3mm,总的产品厚度为2.4±0.2mm,顶面局部厚度2.7±0.2mm。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明公开了一种防热失控复合材料电池箱上盖的成型工艺方法及产品,可以实现低成本的防热失控复合材料电池箱上盖结构设计与整体成型,采用云母、环氧树脂与连续增强纤维材料制备不同质量分数的预浸料,可以实现不同热失控的需求,实现灵活设计;根据热失控温度的不同,云母粉含量、层数和铺层顺序发生相应的变化,三者可有无限种组合;目前有两种电池电芯,一种为磷酸铁锂的电芯,热失控温度500℃,另外一种是三元电芯,热失控温度是800℃,在800℃最严苛状态的要求下可设计铺九层;采用的含云母材料的连续纤维增强环氧树脂复合材料可以减少零件的制备工序,减少零件装配数量,提高了电池包的空间利用率;结合连续纤维的高强度优势和云母材料的耐热性能,提高了复合材料电池箱上盖的防热失控能力,降低了制造成本,不占用电池包空间,采用的连续纤维模压工艺在高温条件下具有很好的维型能力,防止明火外溢,提高了电动汽车的安全性。
附图说明
图1为本发明采用云母纸和预浸料铺层后得到的整体结构示意图;
图2为本发明的预浸料铺层位置的示意图;
图3为本发明的云母纸铺层后得到的产品示意图;
图4为本发明的预浸料铺层后得到的产品示意图;
其中,1-云母纸层;2-第一复合材料层;3-第二复合材料层;4-第三复合材料层;5-第四复合材料层;6-第五复合材料层;7-第六复合材料层;8-第七复合材料层;9-第九复合材料层;10-上盖顶面;11-上盖立面;12-上盖法兰面;13-预浸料铺层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
一种防热失控复合材料电池箱上盖的成型工艺方法,包括如下步骤:
S1、根据热失控温度、防火要求,设计电池箱上盖的铺层方案以及原材料要求;
S2、根据铺层方案制备含不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料;
S3、按照设计要求将云母纸和不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料在模具上铺层,产品厚度根据重量、强度要求和防火要求决定;
S4、铺层完成后在压机上保温保压固化;
S5、将产品脱模;
S6、加工孔与轮廓尺寸,得到所需电池箱上盖;
步骤S3中,云母纸铺于模具上盖顶面,不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料按顺序整体铺层于云母纸上,先铺层低质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料,再铺层高质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料,高质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料铺层于低质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料中间,不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料有严格铺层顺序。
步骤S2中,不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料的制备步骤为:
S21、在研磨机中将云母粉研磨至直径4-6um;按照云母粉的质量分数要求,分别称重云母粉和环氧树脂,放入树脂反应釜中,于80-90℃条件下共混,压力为标准大气压,随后添加固化剂和阻燃添加剂,混匀,得到含有不同质量分数云母粉的环氧树脂原料;
S22、将编织完成的连续增强纤维布与步骤S21所得含有不同质量分数云母粉的环氧树脂原料分别在预浸料制备设备上复合,含有云母粉的环氧树脂原料压合在连续增强纤维布上,分别制备出不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料;
连续增强纤维布的体积含量为55±3%,云母粉与环氧树脂的总体积含量为45±3%。
步骤S3中,云母纸铺于模具上盖顶面,不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料按顺序整体铺层于云母纸上,云母纸和含云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料单层厚度均为0.4±0.05mm。
步骤S4中,将铺层完成后的模具在压机上加热至120±5℃,压机加压80±5T;随后,继续加热至150±5℃,压机压力加压至200±5T,合模,合模后的模具间隙≤0.05mm,保压保温2~3min,产品固化度≥92%。
步骤S5中,将模具冷却≤60℃,用气枪向上盖与模具之间间隙充气,使得产品与模具分离。
步骤S6中,采用激光加工孔与轮廓尺寸,得到所需电池箱上盖。
本发明还提供了一种防热失控复合材料电池箱上盖,由云母纸与不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料铺层后依次进行压模、脱模和加工孔与轮廓后制备得到。
本领域技术人员公知云母粉含量的高低对产品的性能会有很大影响,现有技术中通常采用低质量分数的云母粉,以防止由于云母粉含量过高引起的产品脆性变大、强度变低等缺陷,这些都是本领域技术人员很容易想到的。本发明需要考虑1200℃以上的耐温、耐热、防热失控需求,设计了环氧树脂和云母粉的配比以及不同的铺层顺序并应用于制备复合材料上盖,采用质量分数很高(80%、70%、60%、10%)的云母粉制备连续纤维增强预浸料并用于铺层,将高质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料铺层在低质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料铺层的中间,各质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料有严格铺层顺序,最终得到的电池箱上盖不仅没有出现本领域技术人员担心的产品脆性变大、强度变低等缺陷,反而得到了意想不到的技术效果,提高了复合材料电池箱上盖的防热失控能力,降低了制造成本,且不占用电池包空间,采用的连续纤维模压工艺在高温条件下具有很好的维型能力,能够保持产品的结构形状、不发生坍塌,防止了明火外溢,提高了电动汽车的安全性。
实施例1
如图1-4所示,一种防热失控复合材料电池箱上盖,包括由下至上依次铺设的云母纸层1、第一复合材料层2、第二复合材料层3、第三复合材料层4、第四复合材料层5、第五复合材料层6、第六复合材料层7、第七复合材料层8和第八复合材料层9,模压后各层厚度均为0.3mm,模压前各层厚度均为0.4mm,总的产品厚度为2.4±0.2mm,顶面局部厚度2.7±0.2mm,第一复合材料层2为云母质量分数为10%的复合材料层,第二复合材料层3为云母质量分数为80%的复合材料层,第三复合材料层4为云母质量分数为80%的复合材料层,第四复合材料层5为云母质量分数为70%的复合材料层,第五复合材料层6为云母质量分数为60%的复合材料层,第六复合材料层7为云母质量分数为10%的复合材料层,第七复合材料层8为云母质量分数为10%的复合材料层,第九复合材料层9为云母质量分数为10%的复合材料层,适用三元电芯,热失控温度是800℃,在800℃最严苛状态的要求下铺九层而成。
一种防热失控复合材料电池箱上盖的成型工艺方法,包括如下步骤:
S1、根据热失控温度、防火要求:在电动汽车发生热失控时,电池包外不能有明火外溢,在温度达到800℃以上能够防止明火外溢,设计电池箱上盖的铺层方案以及原材料要求;
S2、根据铺层方案制备含不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料;
S3、按照设计要求将云母纸和不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料在模具上铺层,产品厚度根据重量、强度要求和防火要求决定;在模具上整体均匀涂抹脱模剂,敞凉10min,并在上盖顶面适当位置均匀喷涂定型剂;
S4、铺层完成后在压机上保温保压固化;
S5、将产品脱模;
S6、将产品采用激光加工孔与轮廓尺寸,得到本发明所述的电池箱上盖;
步骤S3中,云母纸铺于模具上盖顶面,不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料按顺序整体铺层于云母纸上,先铺层低质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料,再铺层高质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料,高质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料铺层于低质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料中间,不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料有严格铺层顺序。
步骤S2中,含不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料的制备步骤为:
S21、先在研磨机中将云母粉研磨至直径4-6um;按照云母粉的质量分数要求,分别称重云母粉和环氧树脂,放入树脂反应釜中,于80-90℃条件下共混,压力为标准大气压,随后添加固化剂和阻燃添加剂,混匀,得到含有不同质量分数云母粉的环氧树脂原料;
S22、将编织完成的面密度400g/m2的连续增强纤维布通过预浸料制备设备与步骤S21所得的不同质量分数云母粉的环氧树脂原料分别复合,含有云母粉的环氧树脂原料压合在连续增强纤维布上,分别制备出不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料,预浸料制备设备主要参数为牵引速度2±0.1m/min,胶槽温度35±3℃,压辊间隙为0.4±0.05mm。
步骤S2中,云母粉的质量分数分别为:80%;70%;60%;10%;连续增强纤维布的体积含量为55±3%,云母粉与环氧树脂的总体积含量为45±3%;连续增强纤维布采用连续玻璃纤维布;预浸料采用含不同质量分数的云母粉的连续玻璃纤维增强环氧树脂复合材料,兼顾玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的高比强度和云母粉的耐高温优点,玻璃纤维采用高强玻纤,玻璃纤维强度≥2000Mpa,耐热温度≥1000℃,云母粉选用金云母矿,耐热温度≥800℃。
步骤S3中,在热失控温度不低于800℃时的严苛条件下,云母纸和不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料在模具上按以下顺序铺九层:云母纸/预浸料(0/90)/(±45)/(0/90)/(±45)/(0/90)/(±45)/(0/90)/(±45),云母纸和含云母粉的预浸料单层厚度均为0.3mm,云母纸铺于模具上盖顶面,得到云母纸层1,不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料按顺序整体铺层,总的产品厚度为2.4±0.2mm,顶面局部厚度2.7±0.2mm。
具体的,云母纸和不同质量分数云母粉的连续纤维增强环氧树脂预浸料在模具上按以下顺序铺层:
S31、第1层,先在模具上盖顶面适当位置均匀喷涂定型剂,在模具上盖顶面位置将裁剪的厚度为0.3mm的云母纸平整的铺贴到模具上盖顶面,云母纸在定型剂的粘贴作用下固定,得到云母纸层1,如图3所示,5min后开始铺层预浸料;
S32、第2层,将云母粉质量分数为10%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照0/90的铺层角度铺层到模具第1层上,在如图2所示的上盖顶面10、上盖立面11、上盖法兰面12整体铺层,得到如图4所示的预浸料铺层13,制成第一复合材料层2;
S33、第3层,将云母粉质量分数为80%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照±45的铺层角度铺层到模具第2层上,在如图2所示的上盖顶面10、上盖立面11、上盖法兰面12整体铺层,制成第二复合材料层3;
S34、第4层,将云母粉质量分数为80%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照0/90的铺层角度铺层到模具第3层上,在如图2所示的上盖顶面10、上盖立面11、上盖法兰面12整体铺层,制成第三复合材料层4;
S35、第5层,将云母粉质量分数为70%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照±45的铺层角度铺层到模具第4层上,在如图2所示的上盖顶面10、上盖立面11、上盖法兰面12整体铺层,制成第四复合材料层5;
S36、第6层,将云母粉质量分数为60%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照0/90的铺层角度铺层到模具上第5层,在如图2所示的上盖顶面10、上盖立面11、上盖法兰面12整体铺层,制成第五复合材料层6;
S37、第7层,将云母粉质量分数为10%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照±45的铺层角度铺层到模具上第6层,在如图2所示的上盖顶面10、上盖立面11、上盖法兰面12整体铺层,制成第六复合材料层7;
S38、第8层,将云母粉质量分数为10%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照0/90的铺层角度铺层到模具上第7层,在如图2所示的上盖顶面10、上盖立面11、上盖法兰面12整体铺层,制成第七复合材料层8;
S39、第9层,将云母粉质量分数为10%的连续纤维增强环氧树脂预浸料,按照±45的铺层角度铺层到模具上第8层,在如图2所示的上盖顶面10、上盖立面11、上盖法兰面12整体铺层,制成第八复合材料层9。
步骤S4中,铺层完成后在压机上保温保压固化:
S41、将模具在压机上加热至120℃±5℃,压机加压80±5T;
S42、将模具以2℃/min加热至150℃±5℃,压机压力加压至200±5T;模具合模,合模后的模具间隙≤0.05mm,保压保温1min,保证产品固化度≥92%。
步骤S5中,脱模的步骤为:
将模具采用风冷方式冷却至60℃以下,用气枪向上盖与模具之间间隙充气,气枪气压≤0.5Mpa,使得产品与模具分离。
步骤S6中,将产品采用激光加工孔与轮廓尺寸,具体步骤如下:
首先将复合材料上盖毛坯固定在加工工装上;启动激光头,将激光束与加工面垂直;利用激光的高能瞬间烧蚀复合材料上盖毛坯形成轮廓和孔;通过龙门电机带动激光头沿精密导轨移动,完成整个电池上盖的加工,得到本发明所述的电池箱上盖,激光功率为18KW,加工速度为12mm/s,保护气体气压为0.02Mpa,采用现有技术即可实现激光加工,在此不做赘述。
本发明取得的有益效果为:
本发明可以实现低成本的防热失控复合材料电池箱上盖结构设计与整体成型,采用的云母材料和环氧树脂材料混合制备不同质量分数的云母粉的预浸料,可以实现不同热失控的需求,实现灵活设计;采用的含云母材料的连续纤维增强环氧树脂复合材料可以减少零件的制备工序,减少零件装配数量,提高了电池包的空间利用率;采用的含云母材料的连续纤维增强环氧树脂复合材料成型的电池包上盖可以结合连续纤维的高强度优势和云母材料的耐热性能,提高了电池箱上盖的防热失控能力,提高了电动汽车的安全性,为电动汽车在市场上全面推广提供技术保障。
本发明未说明的部分包括未详细说明的产品和方法,采用现有技术即可实现,在此不多做赘述。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。