CN113991221B - 一种具有负泊松比分层四边形吸能结构的电池包三明治外壳 - Google Patents
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Abstract
一种具有负泊松比分层四边形吸能结构的电池包三明治外壳，包括壳体、吸能结构；吸能结构包括吸能单元、倒置吸能单元，相邻两个吸能单元之间设有倒置吸能单元；吸能单元包括第一吸能胞体、设在第一吸能胞体内的第二吸能胞体；第一吸能胞体为底边内凹的等腰三角形，底边的内凹角θ1为钝角，内凹角的顶点处在第一吸能胞体顶角的角平分线上；第二吸能胞体为底边内凹的等腰三角形，底边的内凹角θ2为钝角，第二吸能胞体的两个斜边分别与第一吸能胞体的两个斜边平行设置，第二吸能胞体的内凹底边与第一吸能胞体的内凹底边之间留有间隙，第二吸能胞体的三个顶点处分别通过直线连接壁与第一吸能胞体的三个顶点连接。该外壳结构简单，兼顾吸能效果和抗冲击性能。
Description
技术领域
本发明属于汽车零部件技术领域，涉及汽车零部件中的吸能结构，具体涉及一种具有负泊松比分层四边形吸能结构的电池包三明治外壳。
背景技术
为了保护环境、降低能耗，越来越多的电动汽车出现在路面上。与传统内燃机汽车相比，电动汽车噪声小，对环境的污染也小，但存在着续航能力较弱、动力电池容易发生事故等问题；同时为了提高续航能力来减重，导致了电动汽车不耐碰撞，且电池部分尤其脆弱的危险。
现有的电动汽车动力电池的保护措施有在电池包外壳内添加弹簧或防撞海绵垫、设置滑动槽等方式，这些结构设置都需要一定的空间，且重量较大，降低了电动汽车的续航能力，而且吸能效果并不理想。
近几年，多孔吸能结构在汽车零部件中广泛应用，因此可以采用多孔结构填充的三明治结构对电池包进行包覆，从而替代弹簧、防撞海绵、滑动槽等。
负泊松比结构因其特殊的力学特性有着较好的吸能效果，例如中国专利CN103573891 A公开了“一种负泊松比结构部件”，该部件具有较好的吸能效果，但这种一侧内凹的三角形结构的稳定性较差、抗压和抗冲击能力不强，碰撞时无法有效保护电池不受损坏。
为了解决中国专利CN 103573891 A稳定性差、抗压和抗冲击能力不强的问题，中国专利CN 110541906B公开了“一种双箭头型负泊松比结构体”，提供了一种具有抗压和抗冲击能力的多孔结构体，但其仍具有传统负泊松比结构的特点，即由于内部空隙存在，其刚度和抗冲击性受到很大限制。
为了进一步增加负泊松比结构的抗冲击性，可以考虑在多孔结构内设置填充结构来增加其刚度和抗冲击性，但填充结构的设置势必会影响多孔结构的吸能性，尤其对于负泊松比结构部件，填充结构的设置在碰撞变形过程中可能直接影响负泊松比效应，导致吸能效果变差；因此，如何兼顾负泊松比多孔吸能结构的吸能效果和抗冲击性能成为行业内研究的难点和热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有负泊松比分层四边形吸能结构的电池包三明治外壳，该外壳在壳体内填充吸能结构，通过对吸能结构的巧妙设计使其能够同时兼顾吸能效果和抗冲击性能，其结构简单，加工方便，适合批量生产。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有负泊松比分层四边形吸能结构的电池包三明治外壳，包括壳体以及设置在壳体内部的吸能结构；其中，所述吸能结构包括吸能单元、倒置吸能单元，所述吸能单元垂直翻转后为倒置吸能单元，吸能单元沿壳体的壁厚方向从内向外依次设置，倒置吸能单元沿壳体的壁厚方向从内向外依次设置，相邻两个吸能单元之间设置有倒置吸能单元；所述吸能单元包括第一吸能胞体、设置在第一吸能胞体内的第二吸能胞体；所述第一吸能胞体为底边内凹的等腰三角形结构，底边的内凹角θ1为钝角，且内凹角的顶点处在第一吸能胞体顶角的角平分线上；所述第二吸能胞体为底边内凹的等腰三角形结构，底边的内凹角θ2为钝角，第二吸能胞体的两个斜边分别与第一吸能胞体的两个斜边平行设置，第二吸能胞体的内凹底边与第一吸能胞体的内凹底边之间留有间隙，且第二吸能胞体底边的内凹角的顶点同时处在第一吸能胞体顶角的角平分线和第二吸能胞体顶角的角平分线上；所述第二吸能胞体的三个顶点处分别通过直线连接壁与第一吸能胞体的三个顶点连接；所述直线连接壁的壁厚与第一吸能胞体、第二吸能胞体的壁厚相同。
作为本发明的优选，所述第一吸能胞体底边的内凹角θ1的范围为113°≤θ1＜180°；第二吸能胞体底边的内凹角θ2的范围为113°≤θ2≤180°。
作为本发明的优选，所述第一吸能胞体的斜边长为L，所述第二吸能胞体的斜边长为0.3L-0.5L，所述第一吸能胞体底边的内凹角θ1和第二吸能胞体底边的内凹角θ2大小相同或不同，且第二吸能胞体两腰的中心线交点到第二吸能胞体底边内凹角两条边中心线交点的中点c与第一吸能胞体两腰的中心线交点到第一吸能胞体底边内凹角两条边中心线交点的中点重合。
作为本发明的优选，所述第一吸能胞体的高度h＝8.660mm，斜边长L＝10mm，底边内凹角两条边中心线交点的高度d＝3.3082mm，壁厚t＝1mm，所述第二吸能胞体的斜边长为5mm。
作为本发明的优选，所述吸能单元沿壳体的壁厚方向从内向外依次设置8-12层。
作为本发明的优选，所述吸能结构为利用钢材质经过线切割或3D打印加工而成的一体式结构。
本发明的优点及有益效果：
(1)本发明提供的外壳结构在壳体内填充吸能结构，通过对吸能结构的巧妙设计使其能够同时兼顾吸能效果和抗冲击性能，其结构简单，加工方便，适合批量生产。
(2)本发明提供的吸能结构通过在底边内凹的三角形吸能胞体内填充与外侧吸能结构相似的底边内凹的三角形吸能胞体，然后将内外两个三角形吸能胞体的三个顶点通过直线连接壁连接，利用内部的内凹三角形吸能胞体来增强外壳的抗冲击性能；同时，内部内凹三角形吸能胞体的设置既不会影响外部内凹三角形吸能胞体的负泊松比效应，还能利用自身的形变过程来增加吸能结构的比吸能(SEA)，该吸能结构的设计实现了同时兼顾吸能效果和抗冲击性能，解决了行业内急需解决的问题，将该吸能结构填充在电动汽车动力电池包外壳内，能够大大提升电动安全性，降低事故的发生率，保护人民生命财产安全。
(3)本发明提供的吸能结构在相邻两个吸能单元之间设置有倒置吸能单元，倒置吸能单元的设置能够进一步降低吸能结构的孔隙率，提升整体刚度，同时还能增加整体结构的稳定性；另外，倒置吸能单元同样兼具吸能作用，倒置吸能单元与吸能单元的协同作用，保证了整体吸能结构具有负泊松比效应。
附图说明
图1是本发明实施例1电池包三明治外壳的示意图；
图2是本发明实施例1吸能结构的轴测图；
图3是本发明实施例1吸能结构的主视图；
图4是本发明实施例1吸能单元的轴测图；
图5是本发明实施例1吸能单元的主视图；
图6是本发明实施例1的吸能结构在冲击下的变形图；
图7是本发明对比例2的吸能结构在冲击下的变形图；
图8是本发明实施例与对比例中的吸能结构的比吸能对比图；
图9是本发明实施例1与对比例1中的吸能结构的反力对比图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“下”等指示的方位或位置关系为：基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例1
参阅图1至图3，本发明提供的一种具有负泊松比分层四边形吸能结构的电池包三明治外壳，包括壳体1以及设置在壳体内部的吸能结构2；其中，所述吸能结构包括吸能单元21、倒置吸能单元22，所述吸能单元垂直翻转后为倒置吸能单元，吸能单元21沿壳体的壁厚方向从内向外依次设置，倒置吸能单元22沿壳体的壁厚方向从内向外依次设置，相邻两个吸能单元21之间设置有倒置吸能单元22；
参阅图4、图5，所述吸能单元21包括第一吸能胞体211、设置在第一吸能胞体内的第二吸能胞体212；所述第一吸能胞体211为底边内凹的等腰三角形结构，底边的内凹角θ1为钝角，且内凹角的顶点处在第一吸能胞体211顶角的角平分线上；所述第二吸能胞体212为底边内凹的等腰三角形结构，底边的内凹角为钝角，第二吸能胞体212的两个斜边2121分别与第一吸能胞体211的两个斜边2111平行设置，第二吸能胞体的内凹底边2122与第一吸能胞体的内凹底边2112之间留有间隙，且第二吸能胞体内凹底边的内凹角的顶点同时处在第一吸能胞体顶角的角平分线和第二吸能胞体顶角的角平分线上；所述第二吸能胞体212的三个顶点处分别通过直线连接壁213与第一吸能胞体211的三个顶点连接；所述直线连接壁213的壁厚与第一吸能胞体、第二吸能胞体的壁厚相同。
进一步，所述第一吸能胞体的斜边2111长为L，所述第二吸能胞体的斜边2121长为0.3L-0.5L，所述第一吸能胞体底边的内凹角θ1的范围为113°≤θ1＜180°；第二吸能胞体底边的内凹角θ2的范围为113°≤θ2≤180°；且第二吸能胞体两腰的中心线交点到第二吸能胞体底边内凹角两条边中心线交点的中点c与第一吸能胞体两腰的中心线交点到第一吸能胞体底边内凹角两条边中心线交点的中点重合。
进一步，所述吸能结构为利用钢材质经过线切割或3D打印加工而成的一体式结构，吸能单元沿壳体的壁厚方向从内向外依次设置8-12层。
进行仿真时结构参数设置如下：
第一吸能胞体的高度h＝8.660mm，斜边长L＝10mm，底边内凹角两条边中心线交点的高度d＝3.3082mm，壁厚t＝1mm，底边的内凹角θ1为113°，所述第二吸能胞体的斜边长为5mm，底边的内凹角θ2为113°。
实施例2
与实施例1的区别在于，进行仿真时结构参数设置如下：
第一吸能胞体的高度h＝8.660mm，斜边长L＝10mm，底边内凹角两条边中心线交点的高度d＝3.3082mm，壁厚t＝1mm，底边的内凹角θ1为113°，所述第二吸能胞体的斜边长为4mm，底边的内凹角θ2为170°。
对比例1
与实施例1的区别在于，第一吸能胞体211内并未设置实施例1所述的第二吸能胞体212。进行仿真时结构参数设置如下：
第一吸能胞体的高度h＝8.660mm，斜边长L＝10mm，底边内凹角两条边中心线交点的高度d＝3.3082mm，壁厚t＝1mm，底边的内凹角θ1为113°。
对比例2
与实施例1的区别在于，第二吸能胞体为顶边内凹的等腰三角形结构(反内凹四边形)，所述第二吸能胞体的三个顶点直接安装在第一吸能胞体上，具体结构见图7。进行仿真时结构参数设置如下：
第一吸能胞体的高度h＝8.660mm，斜边长L＝10mm，底边内凹角两条边中心线交点的高度d＝3.3082mm，壁厚t＝1mm，底边的内凹角θ1为113°，所述第二吸能胞体的斜边长为3.09mm，顶边的内凹角为113°。
吸能结构效果证明
实验方法：
参照C-NCAP标准对实施例1、实施例2的吸能结构以及对比例1和对比例2的吸能结构进行轴向冲击，结果见图6至图9。其中，图8中三角形底边内凹113°为实施例1的曲线，三角形底边内凹170°为实施例2的曲线，原始结构为对比例1的曲线，内套反内凹四边形为对比例2的曲线。
根据上述结果可以看出，本申请实施例1和实施例2提供的吸能结构的曲线位于其他曲线上方，表示实施例1和实施例2设计的吸能结构的比吸能(SEA)值高，即吸能效果更好。
另外，从变形过程可以看出，本申请设计的结构具有明显的负泊松比效应(受到压力向内收缩)，而对比例2(内套反内凹四边形)由于内部吸能结构设计不合理，导致整个吸能结构不具备负泊松比效应，所以吸能效果大大降低。
从本申请提供的吸能结构变形图可以看出，变形过程中，第一吸能胞体先发生变形向内收缩，此时第二吸能胞体仍保持着原有的形状；接着继续压缩，等到所有的第一吸能胞体都发生了一定程度的、较为明显的变形之后，第一吸能胞体内部的第二吸能胞体才开始出现变形；接着就是第一吸能胞体、第二吸能胞体一起发生变形，直到压缩结束；由此可以看出，本申请第二吸能胞体的设置方式既能够增加吸能结构的抗冲击性能，同时在受压力时不会阻碍外部结构原本的变形；而第二吸能胞体与第一吸能胞体连接是依靠从两个胞体顶点引出的直线连接壁来连接，直线连接壁相当于传力部件，该连接壁的设置同样即不会影响整体结构的负泊松比效应，同时还能控制整体变现过程，使吸能结构最终表现出较强的负泊松比效应，具有较好的吸能效果和抗冲击性能。
Claims (4)
1.一种具有负泊松比分层四边形吸能结构的电池包三明治外壳，包括壳体以及设置在壳体内部的吸能结构；其特征在于，所述吸能结构包括吸能单元、倒置吸能单元，所述吸能单元垂直翻转后为倒置吸能单元，吸能单元沿壳体的壁厚方向从内向外依次设置，倒置吸能单元沿壳体的壁厚方向从内向外依次设置，相邻两个吸能单元之间设置有倒置吸能单元；所述吸能单元包括第一吸能胞体、设置在第一吸能胞体内的第二吸能胞体；所述第一吸能胞体为底边内凹的等腰三角形结构，底边的内凹角θ1为钝角，且内凹角的顶点处在第一吸能胞体顶角的角平分线上；所述第二吸能胞体为底边内凹的等腰三角形结构，底边的内凹角θ2为钝角，第二吸能胞体的两个斜边分别与第一吸能胞体的两个斜边平行设置，第二吸能胞体的内凹底边与第一吸能胞体的内凹底边之间留有间隙，且第二吸能胞体底边的内凹角的顶点同时处在第一吸能胞体顶角的角平分线和第二吸能胞体顶角的角平分线上；所述第二吸能胞体的三个顶点处分别通过直线连接壁与第一吸能胞体的三个顶点连接；所述直线连接壁的壁厚与第一吸能胞体、第二吸能胞体的壁厚相同；
所述第一吸能胞体底边的内凹角θ1的范围为113°≤θ1＜180°；第二吸能胞体底边的内凹角θ2的范围为113°≤θ2≤180°；
所述第一吸能胞体的斜边长为L，所述第二吸能胞体的斜边长为0.3L-0.5L，所述第一吸能胞体底边的内凹角θ1和第二吸能胞体底边的内凹角θ2大小相同或不同，第二吸能胞体两腰的中心线交点到第二吸能胞体底边内凹角两条边中心线交点的中点c与第一吸能胞体两腰的中心线交点到第一吸能胞体底边内凹角两条边中心线交点的中点重合。
2.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比分层四边形吸能结构的电池包三明治外壳，其特征在于，所述第一吸能胞体的高度h=8.660mm，斜边长L=10mm，底边内凹角两条边中心线交点的高度d=3.3082mm，壁厚t =1mm，所述第二吸能胞体的斜边长为5mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比分层四边形吸能结构的电池包三明治外壳，其特征在于，所述吸能单元沿壳体的壁厚方向从内向外依次设置8-12层。
4.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比分层四边形吸能结构的电池包三明治外壳，其特征在于，所述吸能结构为利用钢材质经过线切割或3D打印加工而成的一体式结构。
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