CN111703056A - 一种复合材料电池包上盖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于汽车电池包技术领域，提供了一种复合材料电池包上盖及其制备方法，由连续纤维增强热塑性复合材料层合板材经二维切割、快速热压成型和机加工制备得到，包括以下步骤：根据目标产品的尺寸结构，将满足设计厚度及铺层要求的连续纤维增强热塑性复合材料层合板材裁切，得到二维异形层合板材；将裁切后的异形层合板材加热；将加热后的异形层合板材快速转移至成型模具；模具快速合模、加压；脱模得到电池包上盖模压件；最后将电池包上盖模压件经切边和打孔后得到上盖。本发明采用的复合材料为连续纤维增强热塑性复合材料，相比SMC电池包上盖，在同等性能要求下，可减重大于30％，具有更佳的轻量化效果，并达到节能、环保的目的。

Description

一种复合材料电池包上盖及其制备方法
技术领域
本发明属于汽车电池包技术领域，具体涉及一种复合材料电池包上盖及其制备方法。
背景技术
随着新能源电动汽车的蓬勃发展，电动汽车的“里程焦虑”-续航里程较短已越发成为用户的痛点之一，解决“里程焦虑”，提升电动汽车续航里程的方法主要有提升电池容量和采用轻量化技术，有数据表明电动汽车减重100kg，续航里程可提高10％-11％，电池成本减少20％，日常损耗成本减少20％。目前应用于电池包上盖的材料主要有钢、铝等金属材料和SMC复合材料。相比金属上盖，采用SMC复合材料制备电池包上盖，减重可达30％。但是由于SMC中增强纤维为非连续纤维，其力学性能较低。SMC中树脂基体为热固性树脂，导致SMC材料不可循环利用，难以回收。由于树脂基体为热固性树脂，在成型过程中存在化学反应，因此其成型周期较长，因此本领域迫切需要开发一种制备方法简单，适用于汽车产业的大批量高节拍生产，且轻量化性能更佳，材料可回收利用的电池包上盖。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，而提供一种更具轻量化效果、材料可再生加工和回收利用的复合材料电池包上盖及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种复合材料电池包上盖的制备方法，其特征在于，由连续纤维增强热塑性复合材料层合板材经二维切割、快速热压成型和机加工制备得到，所述方法包括以下步骤：
1、根据目标产品的尺寸结构，将满足设计厚度及铺层要求的连续纤维增强热塑性复合材料层合板材裁切，得到二维异形层合板材；
2、将裁切后的异形层合板材在一定温度下加热一定时间；
3、将加热后的异形层合板材快速转移至成型模具；
4、模具快速合模、加压；
5、保压一定时间后开模，脱模得到电池包上盖模压件；
6、最后将电池包上盖模压件经切边和打孔后得到最终的电池包上盖产品。
在上述的一种复合材料电池包上盖的制备方法中，所述的连续纤维增强热塑性复合材料层合板材包括有增强纤维以及树脂基体，所述的增强纤维为连续纤维，所述的树脂基体为热塑性树脂。
在上述的一种复合材料电池包上盖的制备方法中，所述的续纤维增强热塑性复合材料层合板材包括单向铺层、正交铺层或准各向同性铺层。
在上述的一种复合材料电池包上盖的制备方法中，所述的增强纤维为选自玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维，增强纤维可以单独使用任一种增强纤维，也可以两种或多种增强纤维混合使用。
在上述的一种复合材料电池包上盖的制备方法中，所述的连续纤维包括连续纤维束和纤维织物，纤维织物包括平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、单向织物、多轴向经编织物，可以单独使用任一种单向连续纤维或任一纤维织物进行铺层，也可以将单向纤维束与任一纤维织物混合铺层，或将不同种类的纤维织物混合铺层，连续纤维增强复合材料层合板中纤维质量含量在40％-80％之间，更佳的为50％-75％之间。
在上述的一种复合材料电池包上盖的制备方法中，所述的热塑性树脂，包括聚乙烯、聚丙烯、聚己内酰胺、聚己二酸己二胺、聚碳酸酯、聚苯硫醚和聚醚醚酮，热塑性树脂选自阻燃配方树脂，使连续纤维增强复合材料层合板阻燃性能为V0级别。
在上述的一种复合材料电池包上盖的制备方法中，所述的切割的二维异形板材边界尺寸较目标产品对应展开尺寸向外延伸≥5mm，更优的为向外延伸≥10mm。
在上述的一种复合材料电池包上盖的制备方法中，所述的层合板材加热完成后，从加热区至成型模具的转移时间和合模加压至达到目标压力的累计时间不超过20s；更佳的将加热完成后至加压到目标压力的间隔累计时间控制在10s以内。
在上述的一种复合材料电池包上盖的制备方法中，快速热压成型时加压压力为0.5-25MPa，更佳的为1-15MPa；模具温度为30-150℃，更佳的为 60-120℃；保压时间为20-150s，更佳的为30-90s。
一种复合材料电池包上盖，其特征在于，所述的电池包上盖是由权利要求1所述的方法制备。
在上述的一种复合材料电池包上盖的制备方法中，所述的层合板材的加热优选辐射加热方式，加热持续时间为15-120s，更佳的为25-60s。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、质量轻、节能环保：本发明采用的复合材料为连续纤维增强热塑性复合材料，相比SMC电池包上盖，在同等性能要求下，可减重大于30％，具有更佳的轻量化效果，并达到节能、环保的目的；
2、可大批量连续化自动化生产，成型效率高：本发明复合材料电池包上盖的制备过程中，关键步骤快速热压成型实现连续化自动化生产，且热塑性复合材料快速热压成型时间更短，本发明中快速热压成型周期可控制在2分钟，与SMC约10分钟每件及传统热固性复合材料如环氧树脂固化成型的2-6小时1件相比，成型效率大大提高。
3、材料可回收再利用：SMC为热固性树脂基复合材料，本发明中所述的基体树脂为热塑性树脂，因此本发明中的复合材料易于回收，可循环利用。
4、制备工艺无污染：与SMC材料的成型工艺相比，本发明的制备过程中没有有毒有害挥发物(如苯乙烯)产生。
5、采用的复合材料为连续纤维增强热塑性复合材料，具有更优异的性能，因此可以降低设计厚度，提升电池包内部使用空间，提升电池包的能量密度。
附图说明
图1是切割后的连续纤维增强热塑性复合材料层合板二维异形平面示意图；
图2是用于制作电池包上盖的快速热压成型工艺过程示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
图中，1.连续纤维增强热塑性复合材料层合板；2.夹持装置；3.加热装置；4.阳模；5.阴模；6.压机上平台；7.压机下平台；8.电池包上盖模压件。
如图1和图2所示，本复合材料电池包上盖的制备方法，由连续纤维增强热塑性复合材料层合板材经二维切割、快速热压成型和机加工制备得到，所述方法包括以下步骤：
1、根据目标产品的尺寸结构，将满足设计厚度及铺层要求的连续纤维增强热塑性复合材料层合板材裁切，得到二维异形层合板材；
2、将裁切后的异形层合板材在一定温度下加热一定时间；
3、将加热后的异形层合板材快速转移至成型模具；
4、模具快速合模、加压；
5、保压一定时间后开模，脱模得到电池包上盖模压件；
6、最后将电池包上盖模压件经切边和打孔后得到最终的电池包上盖产品。
作为优化，连续纤维增强热塑性复合材料层合板材包括有增强纤维以及树脂基体，所述的增强纤维为连续纤维，所述的树脂基体为热塑性树脂。
作为优化，所述的续纤维增强热塑性复合材料层合板材包括单向铺层、正交铺层或准各向同性铺层。
作为优化，所述的增强纤维为选自玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维，增强纤维可以单独使用任一种增强纤维，也可以两种或多种增强纤维混合使用。
作为优化，所述的连续纤维包括连续纤维束和纤维织物，纤维织物包括平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、单向织物、多轴向经编织物，可以单独使用任一种单向连续纤维或任一纤维织物进行铺层，也可以将单向纤维束与任一纤维织物混合铺层，或将不同种类的纤维织物混合铺层，连续纤维增强复合材料层合板中纤维质量含量在40％-80％之间，更佳的为50％-75％之间。
作为优化，所述的热塑性树脂，包括聚乙烯、聚丙烯、聚己内酰胺、聚己二酸己二胺、聚碳酸酯、聚苯硫醚和聚醚醚酮，热塑性树脂选自阻燃配方树脂，使连续纤维增强复合材料层合板阻燃性能为V0级别。
作为优化，所述的切割的二维异形板材边界尺寸较目标产品对应展开尺寸向外延伸≥5mm，更优的为向外延伸≥10mm。
作为优化，所述的层合板材加热完成后，从加热区至成型模具的转移时间和合模加压至达到目标压力的累计时间不超过20s；更佳的将加热完成后至加压到目标压力的间隔累计时间控制在10s以内。
作为优化，快速热压成型时加压压力为0.5-25MPa，更佳的为1-15MPa；模具温度为30-150℃，更佳的为60-120℃；保压时间为20-150s，更佳的为30-90s。
作为优化，所述的层合板材的加热优选辐射加热方式，加热持续时间为15-120s，更佳的为25-60s。
一种复合材料电池包上盖，其特征在于，所述的电池包上盖是由上述的方法制备。
实施例1：
连续纤维增强热塑性复合材料层合板：
增强纤维：玻璃纤维，单向平行紧密排列的连续纤维束；
树脂基体：聚丙烯树脂；
纤维质量含量：60％；
铺层方式：正交铺层[0/90/90/0]s；
层合板厚度：2mm；
层合板阻燃性能：V0
电池包上盖制备过程：
1.1、取2500mm×2000mm尺寸的上述连续纤维增强热塑性复合材料层合板，通过激光切割将其切割成如图1所示的形状。其中图1中长度方向和宽度方向最大尺寸分别为2380mm×1920mm，相对电池包上盖产品展开尺寸向外延伸20mm。
1.2、将1.1中切割制得的连续纤维增强热塑性复合材料二维异形层合板材1安装于夹持装置2中，并将二维异形层合板材1和夹持装置2一起转移至加热装置3之间，在220℃条件下加热40s。其中加热装置3采用的是远红外辐射加热方式。
1.3、迅速将1.2中加热完的二维异形层合板材1和夹持装置2一起转移至分别位于压机上平台6和压机下平台7的阳模4和阴模5之间。从加热装置3到阳模4和阴模5之间的转移时间为3s。
1.4、快速下压阳模4，将阳模4和阴模5合上，并快速加压至5MPa。其中阳模4和阴模5的温度均为85℃，阳模4和阴模5合模加压的时间为 5s。从加热装置3到阳模4和阴模5之间的转移时间及阳模4和阴模5合模加压的时间累计为8s。
1.5、保压40s后，开模，脱模后得到电池包上盖模压件8。
1.6、将5中制备的电池包上盖模压件8按照图纸，通过激光加工切边、开孔后得到最终产品。
本实施例中，连续纤维增强热塑性复合材料层合板的密度为1.51g/cm3，厚度2mm，拉伸强度为380MPa，拉伸模量为18GPa，弯曲强度350MPa，弯曲模量16GPa。其力学性能远大于SMC材料的力学性能。本实施例所制备的电池包上盖按国标GB/T31467试验进行火烧试验后，在离火100s内发生自熄，满足标准要求(2min内自熄)。本实施例所制备的电池包上盖安装在电池包箱体经密封后，进行气密性测试，在3.5KPa的气压下未发生破损漏气，满足设计要求。本实施例所制备的电池包上盖的厚度为1.98～2.02mm，相比常见的SMC电池包上盖，厚度减小了约1mm，提升了电池包内部使用空间，从而可以提高电池包的能量密度，有利于提高电动汽车的电池续航里程。本实施例中快速热压成型制备电池包上盖的成型时间为88s，相比SMC电池包上盖的成型时间10min，大幅度提升成型效率。相比SMC电池包上盖，本实施例所制备的电池包上盖其重量减轻44％，可以进一步提高电池包的能量密度，进一步提升电动汽车的电池续航里程。
实施例2：
连续纤维增强热塑性复合材料层合板：
增强纤维：碳纤维，单向平行紧密排列的连续纤维束；
树脂基体：聚碳酸酯树脂；
纤维质量含量：54％；
铺层方式：正交铺层[0/90/90/0]s；
层合板厚度：1.2mm；
层合板阻燃性能：V0
电池包上盖制备过程：
2.1、取2500mm×2000mm尺寸的上述连续纤维增强热塑性复合材料层合板，通过激光切割将其切割成如图1所示的形状。其中图1中长度方向和宽度方向最大尺寸分别为2380mm×1920mm，相对电池包上盖产品展开尺寸向外延伸25mm。
2.2、将2.1中切割制得的连续纤维增强热塑性复合材料二维异形层合板材1安装于夹持装置2中，并将二维异形层合板材1和夹持装置2一起转移至加热装置3之间，在280℃条件下加热50s。其中加热装置3采用的是远红外辐射加热方式。
2.3、迅速将2.2中加热完的二维异形层合板材1和夹持装置2一起转移至分别位于压机上平台6和压机下平台7的阳模4和阴模5之间。从加热装置3到阳模4和阴模5之间的转移时间为3s。
2.4、快速下压阳模4，将阳模4和阴模5合上，并快速加压至10MPa。其中阳模4和阴模5的温度均为90℃，阳模4和阴模5合模及加压的时间为5s。从加热装置3到阳模4和阴模5之间的转移时间及阳模4和阴模5 合模及加压的时间累计为8s。
2.5、保压50s后，开模，脱模后得到电池包上盖模压件8。
2.6、将2.5中制备的电池包上盖模压件8按照图纸，通过激光加工切边、开孔后得到最终产品。
本实施例中，连续纤维增强热塑性复合材料层合板的密度为 1.48g/cm3，厚度1.2mm，拉伸强度为700MPa，拉伸模量为55GPa，弯曲强度660MPa，弯曲模量51GPa。其力学性能远大于SMC材料的力学性能。本实施例所制备的电池包上盖按国标GB/T31467试验进行火烧试验后，在离火88s内发生自熄，满足标准要求(2min内自熄)。本实施例所制备的电池包上盖安装在电池包箱体经密封后，进行气密性测试，在3.5KPa的气压下未发生破损漏气，满足设计要求。本实施例所制备的电池包上盖的厚度为 1.18～1.22mm，相比常见的SMC电池包上盖，厚度减小了约1.8mm，提升了电池包内部使用空间，从而可以提高电池包的能量密度，有利于提高电动汽车的电池续航里程。本实施例中快速热压成型制备电池包上盖的成型时间为108s，相比SMC电池包上盖的成型时间10min，大幅度提升成型效率。相比SMC电池包上盖，本实施例所制备的电池包上盖其重减轻约68％，可以进一步提高电池包的能量密度，进一步提升电动汽车的电池续航里程。
表一是实施例1和实施例2与SMC电池包上盖方案的材料性能及轻量化效果对比。
表一实施例1和实施例2与SMC方案的对比
Figure BDA0002489098290000091
Figure BDA0002489098290000101
本发明人经过广泛而深入的研究，首次将连续纤维增强热塑性复合材料应用于电池包上盖，并可以通过快速热压成型高效自动化的生产质量轻、刚度和强度高的电池包上盖，且在制备过程中无有毒有害挥发性气体产生，生产过程环保，应用的材料可回收再利用，产品绿色环保。
连续纤维增强热塑性复合材料：是以连续纤维作为增强材料，以热塑性树脂作为基体材料组合而成的复合材料。
相比传统的热固性复合材料，由于树脂基体为热塑性树脂，连续纤维增强热塑性复合材料具有如下优势：材料可长期存贮，无存贮条件要求；综合性能优良，高温及高湿下保持良好的性能；优异的抗冲击性能；易成型、生产效率高；可实现连续化自动化生产；制品可重复加工、再生利用；成本效益。
相比SMC材料，由于增强纤维为连续纤维，除了上述优势外，连续纤维增强热塑性复合材料还具有更高的刚度和强度性能
以上所述仅为本发明的实施案例，并非因此限制本发明的专利范围。在阅读了本发明的上述讲述内容后，本领域的技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种复合材料电池包上盖的制备方法，其特征在于，由连续纤维增强热塑性复合材料层合板材经二维切割、快速热压成型和机加工制备得到，所述方法包括以下步骤：
1、根据目标产品的尺寸结构，将满足设计厚度及铺层要求的连续纤维增强热塑性复合材料层合板材裁切，得到二维异形层合板材；
2、将裁切后的异形层合板材在一定温度下加热一定时间；
3、将加热后的异形层合板材快速转移至成型模具；
4、模具快速合模、加压；
5、保压一定时间后开模，脱模得到电池包上盖模压件；
6、最后将电池包上盖模压件经切边和打孔后得到最终的电池包上盖产品。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料电池包上盖的制备方法，其特征在于，所述的连续纤维增强热塑性复合材料层合板材包括有增强纤维以及树脂基体，所述的增强纤维为连续纤维，所述的树脂基体为热塑性树脂。
3.根据权利要求2所述的一种复合材料电池包上盖的制备方法，其特征在于，所述的续纤维增强热塑性复合材料层合板材包括单向铺层、正交铺层或准各向同性铺层。
4.根据权利要求2所述的一种复合材料电池包上盖的制备方法，其特征在于，所述的增强纤维为选自玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维，增强纤维可以单独使用任一种增强纤维，也可以两种或多种增强纤维混合使用。
5.根据权利要求3所述的一种复合材料电池包上盖的制备方法，其特征在于，所述的连续纤维包括连续纤维束和纤维织物，纤维织物包括平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、单向织物、多轴向经编织物，可以单独使用任一种单向连续纤维或任一纤维织物进行铺层，也可以将单向纤维束与任一纤维织物混合铺层，或将不同种类的纤维织物混合铺层，连续纤维增强复合材料层合板中纤维质量含量在40％-80％之间，更佳的为50％-75％之间。
6.根据权利要求2所述的一种复合材料电池包上盖的制备方法，其特征在于，所述的热塑性树脂，包括聚乙烯、聚丙烯、聚己内酰胺、聚己二酸己二胺、聚碳酸酯、聚苯硫醚和聚醚醚酮，热塑性树脂选自阻燃配方树脂，使连续纤维增强复合材料层合板阻燃性能为V0级别。
7.根据权利要求1所述的一种复合材料电池包上盖的制备方法，其特征在于，所述的切割的二维异形板材边界尺寸较目标产品对应展开尺寸向外延伸≥5mm，更优的为向外延伸≥10mm。
8.根据权利要求1所述的一种复合材料电池包上盖的制备方法，其特征在于，所述的层合板材加热完成后，从加热区至成型模具的转移时间和合模加压至达到目标压力的累计时间不超过20s；更佳的将加热完成后至加压到目标压力的间隔累计时间控制在10s以内。
9.根据权利要求1所述的一种复合材料电池包上盖的制备方法，其特征在于，快速热压成型时加压压力为0.5-25MPa，更佳的为1-15MPa；模具温度为30-150℃，更佳的为60-120℃；保压时间为20-150s，更佳的为30-90s。
10.一种复合材料电池包上盖，其特征在于，所述的电池包上盖是由权利要求5所述的方法制备。
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