CN112599904A - 一种动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构，包括框梁主体、底梁、吊耳；框梁主体包括内立面、外立面、型腔、Y型加强筋，底梁连接于框梁主体的内立面的底部，吊耳连接于框梁主体的外立面上，吊耳包括空腔、上表面、下表面、诱导槽、加强凹环；其中，每个中型吸能盒内注入有聚氨酯泡沫，底梁上表面和框梁主体内立面的连接处设有底角斜支撑，吊耳的空腔内设有复合斜支撑。还提供了托盘框梁结构的生产方法。本发明在保证托盘结构耐久前提下，降低了局部区域结构刚度，保证了托盘在碰撞过程中的形变可控，最大程度地吸收、消耗碰撞动能。

Description

一种动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构及其生产方法

技术领域

本发明属于新能源汽车技术领域，具体涉及一种动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构及其生产方法。

背景技术

汽车设计过程中面临三大热点问题：安全问题、环保问题和节能问题。随着国家提倡环保减排及新能源电动汽车的普及程度越来越高，交通事故中新能源车辆占比也有所提升。与此同时新能源汽车的心脏——动力电池储能系统，随着整车续航里程的不断攀升，模组能量也日益增大。这就导致动力电池储能系统的防撞安全问题变得越来越突出。新能源车辆发生碰撞时，若动力电池储能系统发生短路或电解液泄漏时均可能引起剧烈的爆炸和燃烧。

目前主流设计通过限制动力电池储能系统外包络宽度，预留整车碰撞变形空间，从而满足整车碰撞要求。但此方法牺牲了动力电池储能系统内部包络空间，导致动力储能系统中所含模组及电芯可布置量减少、整包能量密度降低、新能源车辆续航里程变短。

现采用一种动力电池储能系统的托盘1'，其结构见图1，该设计主要通过托盘框梁型材截面的诱导吸能设计及复合材料的应用来保证动力电池储能系统整包耐久强度，并降低托盘框梁刚度，增强其碰撞吸能能力，从而在不额外侵占其他外部空间、重量增加最少的前提下，满足整车侧柱碰试验中动力电池储能系统的安全性和动力电池储能系统振动耐久。

现有托盘1'的框梁结构的横截面见图2。通过CAE仿真软件LS-DYNA模拟整车碰撞结构，应用该托盘框梁结构的动力电池储能模块5'的侧柱碰建模和仿真结果分别见图3和图4，发现框梁主体2'和吊耳4'吸收、消耗碰撞动能的作用有限，易形变过度，框梁主体2'和底梁3'之间的底部拐角处易直接压溃变形，导致框梁整体侵入至动力电池储能系统内部，因此，现有托盘框梁结构有待优化。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构及其生产方法。

本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：一种动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构，包括框梁主体、底梁、吊耳，所述框梁主体包括内立面、外立面、型腔、Y型加强筋，两个以上的Y型加强筋在型腔内沿高度方向分布，并将型腔沿高度方向分成多个中型吸能盒，每个Y型加强筋沿框梁主体的宽度方向延伸设置，每个Y型加强筋的分叉端与型腔的对应外立面侧的内壁连接，并围成一小型吸能盒，另一端与型腔的对应内立面侧的内壁连接；所述底梁连接于框梁主体的内立面的底部；所述吊耳连接于框梁主体的外立面上，吊耳包括空腔、上表面、下表面、诱导槽、加强凹环，吊耳与框梁主体的外立面围成大型吸能盒，上表面的内侧边与框梁主体的外立面的中上部连接且与高度方向上位于上方的一小型吸能盒对应，上表面的内侧边上设有诱导槽，上表面的靠近外侧边处设有加强凹环，下表面的内侧边与框梁主体的外立面的底端连接；

其中，所述框梁主体的每个中型吸能盒内注入有聚氨酯泡沫，所述底梁上表面和框梁主体内立面的连接处设有底角斜支撑，所述吊耳的空腔内设有复合斜支撑，复合斜支撑包括铝钣金外壳、泡沫铝内芯，铝钣金外壳与内部泡沫铝内芯一起冲压成型并钎焊为一体，铝钣金外壳的一端与框梁主体的外立面的中下部连接且与高度方向上位于下方的一小型吸能盒对应，另一端倾斜向下地连接于空腔的对应下表面的内壁上。

进一步地，所述底梁为实心结构且其刚度高于框梁主体和吊耳。

进一步地，所述吊耳的上表面为水平面，下表面为倾斜面。

进一步地，所述复合斜支撑的一端插在框梁主体的外立面上形成的插槽中。

进一步地，所述复合斜支撑的另一端设有翻边，翻边紧贴在吊耳的空腔的对应下表面的内壁上，并通过拉铆螺母与吊耳铆接固定。

上述动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构的生产工艺方法，包括以下步骤：

1）将铝锭初步加工为铝棒；

2）预热挤出模具，并加热铝棒，同时挤压铝棒使其通过挤出模具，初步成为托盘框梁型材；

3）对通过挤出模具成型后的托盘框梁型材进行水雾降温，使其初步冷却、淬火；

4）对初步冷却后的托盘框梁型材进行粗锯及时效冷却，待托盘框梁型材完全冷却、热变形稳定后，进行拉直修正及精锯工艺，得到初步托盘框梁型材；

5）对托盘框梁型材进行CNC加工；

6）在托盘框梁型材的每个中型吸能盒内喷填软质聚氨酯泡沫，待其发泡成型固化后修整两端开口处泡沫；

7）将复合斜支撑的一端插入框梁主体的外立面上形成的插槽内，另一端向外侧翻边成钣金装配面，并与吊耳的下表面通过多个拉铆螺母进行铆接固定。

进一步地，步骤7）中，复合斜支撑由上下两层铝钣金将泡沫铝包裹后，沿周圈冲切并钎焊成型。

与现有技术相比，本发明的有益效果：采用新型的托盘框梁结构设计，在保证托盘结构耐久前提下，降低了局部区域结构刚度，保证了托盘在碰撞过程中的形变可控，使其在动力电池储能系统发生侧柱碰时诱导控制托盘框梁结构发生形变的过程，并结合新型复合材料大幅增加此塑形变形期间托盘框梁结构所能吸收及耗散的碰撞动能，最大程度地吸收、消耗碰撞动能，从而降低了碰撞对动力电池储能系统产生的沿轴向最大压溃峰值载荷，同时通过结构设计保证了动力电池储能系统托盘框梁的内立面无破损，防止碰撞产生的飞溅物侵入动力电池储能系统内部，减小了动力电池储能系统的内部损伤。

附图说明

图1为动力电池储能系统托盘的结构示意图。

图2为现有动力电池储能系统托盘框梁结构的截面示意图。

图3为现有动力电池储能系统的侧柱碰建模示意图。

图4为现有动力电池储能系统的侧柱碰仿真结果示意图。

图1至图4中部件标号如下

1'托盘

2'框梁主体

3'底梁

4'吊耳

5'动力电池储能模块。

图5为本发明动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构的截面示意图。

图6为本发明中的框梁主体的结构示意图。

图7为本发明中的底梁和底角斜支撑的结构示意图。

图8为本发明中的吊耳和复合斜支撑的结构示意图。

图9为应用本发明的动力电池储能系统的侧柱碰建模示意图。

图10为应用本发明的动力电池储能系统的侧柱碰仿真结果示意图。

图11为本发明碰撞能量传递途径的示意图。

图12为本发明的框梁挤出模和复合斜支撑的分解示意图。

图13为本发明的框梁挤出模和复合斜支撑的装配示意图。

图5至图13中部件标号如下：

1框梁主体

101内立面

102外立面

103 Y型加强筋

104中型吸能盒

105聚氨酯泡沫

106小型吸能盒

107插槽

2底梁

3吊耳

301大型吸能盒

302上表面

303下表面

304诱导槽

305加强凹环

4底角斜支撑

5复合斜支撑

501铝钣金外壳

502泡沫铝内芯

503翻边

6拉铆螺母

7动力电池储能模块。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本发明的范围。

参见图5，一种动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构，包括框梁主体1、底梁2、吊耳3。

所述框梁主体1是托盘框梁结构的主要部分，在新能源车辆行驶过程中，所有路面等外部激励通过整车车架与托盘安装点传递至框梁主体1，再由其传递至动力电池储能系统托盘横梁及整包内部各零部件。故框梁主体1需要达到一定刚度，以保证不放大整车激励。为了提升了框梁吸能性能，本发明在框梁主体1的型腔内设计了Y型加强筋103，并填充了软质聚氨酯泡沫105，框梁主体1的具体结构见下文。

参见图6的虚线框部分，所述框梁主体1包括内立面101、外立面102、型腔、Y型加强筋103。

框梁主体1的内立面101主要起防护作用，其在侧柱碰时需无破损，以防止碰撞过程中产生的飞溅物侵入动力电池储能系统中。

框梁主体1的外立面102与吊耳3相连接，是侧柱碰时主要发生塑形变形吸能的结构之一。

框梁主体1的型腔沿高度方向延伸设置，两个Y型加强筋103在型腔内沿框梁主体1的高度方向分布，并将型腔沿高度方向分成三个中型吸能盒104，每个中型吸能盒104内注入有聚氨酯泡沫105，聚氨酯泡沫105具备多孔性、相对密度小、质量轻、高阻尼、高吸收冲击的特性，可使中型吸能盒104吸收、耗散大量碰撞动能，同时其可将碰撞力由点转面，给予内立面101防护、避免结构破损。

每个Y型加强筋103沿框梁主体1的宽度方向延伸设置，Y型加强筋103的分叉端与型腔的对应外立面102侧的内壁连接，并围成一小型吸能盒106，Y型加强筋103的另一端与型腔的对应内立面101侧的内壁连接，碰撞初时外立面102发生弯曲变形进行吸能，随着与吊耳3相连处的外立面102变形至破裂时，Y型加强筋103开始完全变形，同时Y型加强筋103的对应另一端的横向筋部分也将产生偏斜，使得小吸能盒的刚度降低，更易产生塑性变形，从而进一步地吸收、耗散大量的碰撞动能。

参见图7的虚线框部分，所述底梁2设置于框梁主体1的内立面101的底部且与框梁主体1连为一体，底梁2为实心结构且其刚度远高于框梁主体1和吊耳3，底梁2上表面302和框梁主体1内立面101的连接处设有底角斜支撑4。底梁2主要用于支撑动力电池储能系统内部结构，当动力电池储能系统受到侧碰发生形变时，底梁2能够给予足够的支撑，防止框梁底部发生横向溃缩而压溃动力电池储能系统内部结构，减小了碰撞侵入空间。底角斜支撑4改变了碰撞能量的传递途径，在框梁底部形成了一个三角支撑，提高了框梁底部对立面的支撑能力。

参见图8的虚线框部分，所述吊耳3设置于框梁主体1的外立面102上且与框梁主体1连为一体，吊耳3包括空腔、上表面302、下表面303、诱导槽304、加强凹环305。

吊耳3与框梁主体1的外立面102围成大型吸能盒301，吊耳3的上表面302为水平面且其内侧边与外立面102的对应上方小型吸能盒106处连接，吊耳3的下表面303为倾斜面且其内侧边与外立面102的底端连接，吊耳3是动力电池储能系统与整车安装的匹配结构，主要用于在整车激励传递至动力电池储能系统中保证动力电池储能系统内部结构无损，是可溃缩区域最大的结构，也是碰撞过程中主要吸能结构之一。

吊耳3上表面302的内侧边上设有诱导槽304，吊耳3上表面302的靠近外侧边处设有加强凹环305，通过设计诱导槽304和加强凹环305，人为造成应力集中，使吊耳3上的特定点更易屈曲变形，从而给予溃缩结构导向，控制其结构变形，在碰撞过程中，大部分冲击能量先在诱导槽304、加强凹环305处以塑性变形方式吸收，减小了碰撞过程中的峰值载荷，极大提高了抗撞性能。

吊耳3的空腔内设有复合斜支撑5，复合斜支撑5包括铝钣金外壳501、泡沫铝内芯502。铝钣金外壳501与内部泡沫铝内芯502一起冲压成型并钎焊为一体，泡沫铝内芯502较传统实心杆结构含有大量空隙，在碰撞过程中除了有弹性、塑形变形外，新增一个泡沫铝内部气孔完全压溃的密实化过程，此过程亦可吸收大量动能。此外，铝钣金外壳501在与泡沫铝内芯502复合时表面会生产一定褶皱，这些褶皱相互支撑、相互制约，可进一步地降低碰撞峰值载荷。铝钣金外壳501的一端插在框梁主体1的外立面102上形成的插槽107中，该插槽107设置于外立面102的对应下方小型吸能盒106处，铝钣金外壳501的另一端设有翻边503，翻边503紧贴在空腔的对应吊耳3下表面303的内壁上，并通过拉铆螺母6与吊耳3铆接固定。

采用CAE仿真软件LS-DYNA模拟整车碰撞结构，调整优化截面设计，初步校核托盘框梁优化后的动力电池储能模块7在整车侧柱碰下性能，侧柱碰建模和仿真结果分别见图9和图10。碰撞时，动力电池储能系统托盘框梁的力传递途径见图11。

可以看到：

1）碰撞时，冲击能量将由吊耳3的最外侧立面传递至框梁主体1，吊耳3上的诱导槽304和加强凹环305控制着整个吊耳3在碰撞过程中的结构变形，较常规托盘框梁结构能够更完全地塑形变形，吸收更多的冲击能量。

2）由于在吊耳3上设计了诱导槽304，吊耳3吸能过程中势必以底部为支点逆时针变形，故在吊耳3内部设置复合斜支撑5，通过其泡沫铝内芯502特有的密实化过程，可大幅增加吊耳3形成的大型吸能盒301所能吸收的碰撞能上限，从而进一步削弱碰撞产生的峰值载荷。

3）当吊耳3所形成的大型吸能盒301被压溃大半时，诱导槽304和复合斜支撑5的末端所对应的Y型加强筋103开始生效，当Y型加强筋103弯曲变形时，Y型加强筋103的分叉端形成的小型吸能盒106的结构刚度降低，吸能性能提升，同时Y型加强筋103的对应另一端的横向筋部分产生倾斜，在一定碰撞能量范围内，可通过改变碰撞力传递途径与水平轴向夹角，改善碰撞吸能的峰值载荷。

4）框梁主体1的型腔内部填充聚氨酯泡沫105，可将Y型加强筋103上传递的碰撞动能吸收，并均匀分布至框梁主体1的内立面101，聚氨酯泡沫105除自身多孔性、高阻尼带来的高吸收冲击性能外，还可避免框梁主体1的内立面101因应力集中而产生结构破损。

5）框梁主体1的内立面101和底梁2上表面302的连接处设计底角斜支撑4，底部斜支撑为整个托盘框梁结构对抗碰撞的基本，保证了各吸能盒的正常生效，避免了框梁主体1和底梁2之间的底部拐角处直接压溃变形，导致框梁整体侵入至动力电池储能系统内部。

另外，本动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构的生产方法，包括以下步骤：

1）原材料处理：根据铝合金AL6061-T6的成分及配比，进行原料称重、混合、熔炼，使其从铝锭初步加工为铝棒。

2）型材挤压成型：预热挤出模具，并加热铝棒，同时挤压铝棒使其通过挤出模具，初步成为托盘框梁型材。

3）热处理：对通过挤出模具成型后的托盘框梁型材进行水雾降温，使其初步冷却、淬火。

4）初步加工：对初步冷却后的托盘框梁型材进行粗锯及时效冷却，待托盘框梁型材完全冷却、热变形稳定后，进行拉直修正及精锯工艺，得到初步托盘框梁型材。

5）型材加工：对托盘框梁型材进行CNC工艺，加工托盘焊接及整车装配所需的各特征结构，具体结构请见图12左侧的框梁挤出模。

6）防撞填充：在托盘框梁型材的三个中型吸能盒104内部喷填软质聚氨酯泡沫105，待其发泡成型固化后修整两端开口处泡沫。

7）复合斜支撑5装配：使用上下两层铝钣金作为外壳将泡沫铝包裹，沿周圈冲切铝钣金并钎焊成型，保证内部的泡沫铝内芯502与外层的铝钣金外壳501一体化，如此制成复合斜支撑5，具体结构请见图12右侧的复合斜支撑5，再将复合斜支撑5的一端插入框梁主体1的外立面102上形成的插槽107内，另一端向外侧翻边成钣金装配面，并与吊耳3的下表面303通过多个拉铆螺母6进行铆接固定，装配好的结构见图13。

应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (7)

1.一种动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构，包括框梁主体、底梁、吊耳，其特征在于，所述框梁主体包括内立面、外立面、型腔、Y型加强筋，两个以上的Y型加强筋在型腔内沿高度方向分布，并将型腔沿高度方向分成多个中型吸能盒，每个Y型加强筋沿框梁主体的宽度方向延伸设置，每个Y型加强筋的分叉端与型腔的对应外立面侧的内壁连接，并围成一小型吸能盒，另一端与型腔的对应内立面侧的内壁连接；

所述底梁连接于框梁主体的内立面的底部；

所述吊耳连接于框梁主体的外立面上，吊耳包括空腔、上表面、下表面、诱导槽、加强凹环，吊耳与框梁主体的外立面围成大型吸能盒，上表面的内侧边与框梁主体的外立面的中上部连接且与高度方向上位于上方的一小型吸能盒对应，上表面的内侧边上设有诱导槽，上表面的靠近外侧边处设有加强凹环，下表面的内侧边与框梁主体的外立面的底端连接；

其中，所述框梁主体的每个中型吸能盒内注入有聚氨酯泡沫，

所述底梁上表面和框梁主体内立面的连接处设有底角斜支撑，

所述吊耳的空腔内设有复合斜支撑，复合斜支撑包括铝钣金外壳、泡沫铝内芯，铝钣金外壳与内部泡沫铝内芯一起冲压成型并钎焊为一体，铝钣金外壳的一端与框梁主体的外立面的中下部连接且与高度方向上位于下方的一小型吸能盒对应，另一端倾斜向下地连接于空腔的对应下表面的内壁上。

2.根据权利要求1所述的动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构，其特征在于，所述底梁为实心结构且其刚度高于框梁主体和吊耳。

3.根据权利要求1所述的动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构，其特征在于，所述吊耳的上表面为水平面，下表面为倾斜面。

4.根据权利要求1所述的动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构，其特征在于，所述复合斜支撑的一端插在框梁主体的外立面上形成的插槽中。

5.根据权利要求1所述的动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构，其特征在于，所述复合斜支撑的另一端设有翻边，翻边紧贴在吊耳的空腔的对应下表面的内壁上，并通过拉铆螺母与吊耳铆接固定。

6.一种权利要求1~5任一项所述的动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构的生产工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将铝锭初步加工为铝棒；

2）预热挤出模具，并加热铝棒，同时挤压铝棒使其通过挤出模具，初步成为托盘框梁型材；

3）对通过挤出模具成型后的托盘框梁型材进行水雾降温，使其初步冷却、淬火；

4）对初步冷却后的托盘框梁型材进行粗锯及时效冷却，待托盘框梁型材完全冷却、热变形稳定后，进行拉直修正及精锯工艺，得到初步托盘框梁型材；

5）对托盘框梁型材进行CNC加工；

6）在托盘框梁型材的每个中型吸能盒内喷填软质聚氨酯泡沫，待其发泡成型固化后修整两端开口处泡沫；

7）将复合斜支撑的一端插入框梁主体的外立面上形成的插槽内，另一端向外侧翻边成钣金装配面，并与吊耳的下表面通过多个拉铆螺母进行铆接固定。

7.根据权利要求7所述的动力电池储能系统防碰撞托盘框梁结构的生产工艺方法，其特征在于，步骤7）中，复合斜支撑由上下两层铝钣金将泡沫铝包裹后，沿周圈冲切并钎焊成型。

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