CN114976419A - 一种基于轻量化的动力电池包壳体框架结构及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于轻量化的动力电池包壳体框架结构及设计方法，包括电池包壳体框架左、右、前、后边框，纵梁和多个框架横梁，该框架左、右、前、后边框组成长方形形状，该纵梁垂直设置在框架前、后边框之间，多个框架横梁中的一些垂直设置在框架左边框和纵梁之间，多个框架横梁中的另一些垂直设置在框架右边框纵梁之间，该框架左、右、前、后边框和多个框架横梁由轻质材料制成，该纵梁由高强钢材料制成。本发明通过在纵梁部件采用高强钢增加刚度、在横梁和边框部件采用轻质材料降低质量，获得满足强度要求的轻量化电池包壳体框架，降低锂电池等动力电池包总重量，拓展动力电池包在新能源汽车等领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池包制造技术及新能源汽车应用技术领域，尤其涉及一种基于轻量化的动力电池包壳体框架结构及设计方法。
背景技术
电动化是我国汽车发展的主要趋势之一，以锂电池为主的新能源汽车市场占有率逐渐增加。动力电池包作为新能源汽车的重要承载部件，对电芯模块供电稳定性和安全防护起着重要作用，需满足挤压、扭转等不同工况的承载性能要求。同时，为进一步降低整车整备质量，电池壳框架的质量也需满足轻量化要求。
电动汽车电池包壳体框架的主要组成部件有：边框、横梁和纵梁。目前，国内外整车制造厂和电池制造企业已专门开发了全铝电池包壳体框架，以降低电池包总重量，但铝合金开发成本高、变形大；全钢制电池包壳体框架虽变形小、成本低，但难以满足轻量化需求；需要开发一种新型电池包壳体框架材料结构，以满足轻量化和强度的要求。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于轻量化的动力电池包壳体框架结构及设计方法，利用铝/镁等轻质合金和钢等高强度材料的混合使用，在满足电池包壳体框架承载性能的前提下，减少壳体框架质量和电池包总重量，推动锂电池电池包在新能源汽车领域的应用。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过合理的电池包壳体框架材料结构优化设计，利用轻质材料减轻重量、同时采用高强钢材料增加结构刚度，获得满足动力电池包壳体框架强度要求的轻量化混合材料结构。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于轻量化的动力电池包壳体框架结构，包括电池包壳体框架左边框、电池包壳体框架右边框、电池包壳体框架前边框、电池包壳体框架后边框、电池包壳体纵梁和多个电池包壳体框架横梁，所述电池包壳体框架左边框、电池包壳体框架右边框、电池包壳体框架前边框、电池包壳体框架后边框组成矩形形状，所述电池包壳体纵梁垂直设置在所述电池包壳体框架前边框和电池包壳体框架后边框之间，所述多个电池包壳体框架横梁中的一些垂直设置在所述电池包壳体框架左边框和电池包壳体纵梁之间，所述多个电池包壳体框架横梁中的另一些垂直设置在所述电池包壳体框架右边框和电池包壳体纵梁之间，所述电池包壳体框架左边框、电池包壳体框架右边框、电池包壳体框架前边框、电池包壳体框架后边框和多个电池包壳体框架横梁由轻质材料制成，所述电池包壳体纵梁由高强钢材料制成。
进一步地，所述轻质材料为铝合金、镁合金、钛合金、复合材料中的一种或多种。
进一步地，所述高强钢材料为双相钢、马氏体钢、硼钢中的一种。
进一步地，所述多个电池包壳体框架横梁的数量为4以上的偶数个。
进一步地，所述电池包壳体框架左边框、电池包壳体框架右边框、电池包壳体框架前边框、电池包壳体框架后边框由相同的轻质材料制成，或者由不同的轻质材料制成。
进一步地，所述多个电池包壳体框架横梁由相同的轻质材料制成，或者由不同的轻质材料制成。
进一步地，所述多个电池包壳体框架横梁包括电池包壳体前左横梁、电池包壳体前右横梁、电池包壳体后左横梁、电池包壳体后右横梁，所述电池包壳体前左横梁和电池包壳体后左横梁分别垂直设置在所述电池包壳体框架左边框和电池包壳体纵梁之间的前侧和后侧，所述电池包壳体前右横梁和电池包壳体后右横梁分别垂直设置在所述电池包壳体框架右边框和电池包壳体纵梁之间的前侧和后侧。
进一步地，所述电池包壳体前左横梁和电池包壳体前右横梁对称设置在所述电池包壳体纵梁的两侧，所述电池包壳体后左横梁和电池包壳体后右横梁对称设置在所述电池包壳体纵梁的两侧。
进一步地，所述电池包壳体纵梁为空心矩形结构。
本发明还提供了一种如上所述的基于轻量化的动力电池包壳体框架结构的设计方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、分析动力电池包壳体框架材料结构，建立力学性能仿真模型；
步骤2、开展不同测试工况下动力电池包壳体框架左、右、前、后边框的受力状态分析；
步骤3、根据不同位置的边框受力情况选择对应的材料，计算电池包壳体框架边框质量；
步骤4、分析不同测试工况下动力电池包壳体框架纵梁的受力状态；
步骤5、根据纵梁受力情况选择纵梁材料，计算电池包壳体框架纵梁质量；
步骤6、分析不同测试工况下动力电池包各壳体框架横梁的受力状态；
步骤7、根据不同位置的横梁受力情况选择对应的材料，计算电池包各壳体框架横梁质量；
步骤8、判断电池包壳体框架混合材料结构是否满足力学性能要求与轻量化条件，如不是，重复步骤2至7，直至满足电池包壳体框架力学性能与轻量化需求。
本发明的有益效果：
本发明提供一种动力电池包壳体框架轻量化的混合材料结构及设计方法，通过在纵梁部件采用高强钢增加刚度、在横梁和边框部件采用轻质材料降低质量，获得满足强度要求的轻量化电池包壳体框架，降低锂电池等动力电池包总重量，拓展动力电池包在新能源汽车等领域的应用。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的基于轻量化的动力电池包壳体框架结构示意图；
图2a是本发明的一个较佳实施例的边框结构示意图；
图2b是本发明的一个较佳实施例的边框尺寸示意图；
图3a是本发明的一个较佳实施例的横梁结构示意图；
图3b是本发明的一个较佳实施例的横梁尺寸示意图；
图4a是本发明的一个较佳实施例的纵梁结构示意图；
图4b是本发明的一个较佳实施例的纵梁尺寸示意图；
图5是本发明的一个较佳实施例的设计方法流程图；
图6是本发明的一个较佳实施例的铝钢镁混合材料结构示意图；
图7是本发明的一个较佳实施例的铝钢镁混合材料结构的扭转性能验证。
其中，1-电池包壳体框架左边框，2-电池包壳体框架右边框，3-电池包壳体框架前边框，4-电池包壳体框架后边框，5-电池包壳体前左横梁，6-电池包壳体前右横梁，7- 电池包壳体后左横梁，8-电池包壳体后右横梁，9-电池包壳体纵梁，10-铝合金，11- 镁合金，12-硼钢。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种基于轻量化的动力电池包壳体框架混合材料结构，包括：电池包壳体框架左边框1、电池包壳体框架右边框2、电池包壳体框架前边框3、电池包壳体框架后边框4、电池包壳体前左横梁5、电池包壳体前右横梁6、电池包壳体后左横梁7、电池包壳体后右横梁8、电池包壳体纵梁9。
电池包壳体框架左边框1、电池包壳体框架右边框2、电池包壳体框架前边框3、电池包壳体框架后边框4为电池壳体框架与其他外部部件的装配部件，是电池壳体框架的主要结构，采用铝合金以降低电池包壳体框架整体质量；电池包壳体前左横梁5 为电池包壳体框架中与电池模组等供电系统装配的主要承载部件，同时在挤压、扭转等工况中承受一定载荷，采用镁合金在降低质量的同时增加一定强度；电池包壳体前右横梁6、电池包壳体后左横梁7、电池包壳体后右横梁8为电池包壳体框架不同位置的横梁结构，材料选择与电池包壳体前左横梁5相同；电池包壳体纵梁9为电池包壳体框架的主要承载部件，且在壳体装配过程中易出现变形等尺寸问题，采用高强钢以增加结构刚度。上述铝合金边框、镁合金横梁、高强钢纵梁形成的混合材料电池包壳体框架结构，通过轻质合金边框和横梁降低电池包壳体框架质量、高强钢纵梁提高电池包壳体框架强度，获得满足强度要求的轻量化电池包壳体框架混合材料结构。
电池包壳体框架左边框1、电池包壳体框架右边框2、电池包壳体框架前边框3、电池包壳体框架后边框4可以为相同材料，也可以为不同材料。
电池包壳体前左横梁5、电池包壳体前右横梁6、电池包壳体后左横梁7、电池包壳体后右横梁8可以为相同材料，也可以为不同材料。
电池包壳体框架左边框1、电池包壳体框架右边框2、电池包壳体框架前边框3、电池包壳体框架后边框4的材料可以包括但不限于铝合金、镁合金、钛合金、复合材料等。
电池包壳体前左横梁5、电池包壳体前右横梁6、电池包壳体后左横梁7、电池包壳体后右横梁8的材料可以包括但不限于铝合金、镁合金、钛合金、复合材料等；
电池包壳体纵梁9的材料可以包括但不限于不锈钢、双相钢、马氏体钢、硼钢等高强钢；
电池包壳体框架横梁可以包括但不限于4个。例如，6个以上的偶数个。
实施例2
如图5所示，本实施例提供了一种基于轻量化的动力电池包壳体框架混合材料结构设计方法，包括：
步骤1、分析动力电池包壳体框架材料结构，建立力学性能仿真模型；
步骤2、开展不同测试工况下动力电池包壳体框架左、右、前、后边框的受力状态分析；
步骤3、根据不同位置的边框受力情况选择对应的材料，计算电池包壳体框架边框质量；
步骤4、分析不同测试工况下动力电池包壳体框架纵梁的受力状态；
步骤5、根据纵梁受力情况选择纵梁材料，计算电池包壳体框架纵梁质量；
步骤6、分析不同测试工况下动力电池包壳体前左横梁、电池包壳体前右横梁、电池包壳体后左横梁、电池包壳体后右横梁的受力状态；
步骤7、根据不同位置的横梁受力情况选择对应的材料，计算电池包壳体框架横梁质量；
步骤8、判断电池包壳体框架混合材料结构是否满足力学性能要求与轻量化条件，如不是，重复步骤2-7，直至满足电池包壳体框架力学性能与轻量化需求。
实施例3
如图1所示，本实施例的电动汽车电池包壳体框架铝钢镁混合材料结构，包括电池包壳体框架左边框1、电池包壳体框架右边框2、电池包壳体框架前边框3、电池包壳体框架后边框4、电池包壳体前左横梁5、电池包壳体前右横梁6、电池包壳体后左横梁7、电池包壳体后右横梁8、电池包壳体纵梁9。
如图6所示，电池包壳体框架左边框1、电池包壳体框架右边框2、电池包壳体框架前边框3、电池包壳体框架后边框4所用材料相同，均为铝合金10；电池包壳体前左横梁5、电池包壳体前右横梁6、电池包壳体后左横梁7、电池包壳体后右横梁8所用材料相同，均为镁合金11；电池包壳体纵梁9所用材料为硼钢11。
电池包壳体框架左边框1、电池包壳体框架右边框2、电池包壳体框架前边框3、电池包壳体框架后边框4的结构和尺寸如图2a和2b所示；电池包壳体前左横梁5、电池包壳体前右横梁6、电池包壳体后左横梁7、电池包壳体后右横梁8结构和尺寸如图3a和3b所示；电池包壳体纵梁9结构和尺寸如图4a和4b所示。
实施例4
如图5所示，本实施例的电动汽车电池包壳体框架铝钢镁混合材料结构优化设计的实施过程，包括：
步骤1、建立如图6所示的电动汽车电池包壳体框架结构挤压强度仿真模型；
步骤2、开展100kN挤压工况下电动汽车电池包壳体框架左、右、前、后边框的受力状态分析；
步骤3、开展100kN挤压工况下电动汽车电池包壳体框架纵梁的受力状态分析；
步骤4、开展100kN挤压工况下电动汽车电池包壳体框架前左横梁、电池包壳体前右横梁、电池包壳体后左横梁、电池包壳体后右横梁的受力状态分析；
步骤5、根据边框、纵梁、横梁的挤压工况下的受力情况选择电池包壳体框架不同部件的材料，如图6所示，边框选择为铝合金，横梁选择为镁合金，纵梁选择为硼钢材料；
步骤6、校核铝镁钢混合材料电池包壳体框架力学性能，如图7所示，满足性能要求；
步骤7、计算铝镁钢混合材料电池包壳体框架质量减轻，相比全钢壳体框架，质量减轻67％。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于轻量化的动力电池包壳体框架结构，其特征在于，包括电池包壳体框架左边框、电池包壳体框架右边框、电池包壳体框架前边框、电池包壳体框架后边框、电池包壳体纵梁和多个电池包壳体框架横梁，所述电池包壳体框架左边框、电池包壳体框架右边框、电池包壳体框架前边框、电池包壳体框架后边框组成长方形形状，所述电池包壳体纵梁垂直设置在所述电池包壳体框架前边框和电池包壳体框架后边框之间，所述多个电池包壳体框架横梁中的一些垂直设置在所述电池包壳体框架左边框和电池包壳体纵梁之间，所述多个电池包壳体框架横梁中的另一些垂直设置在所述电池包壳体框架右边框和电池包壳体纵梁之间，所述电池包壳体框架左边框、电池包壳体框架右边框、电池包壳体框架前边框、电池包壳体框架后边框和多个电池包壳体框架横梁由轻质材料制成，所述电池包壳体纵梁由高强钢材料制成。
2.如权利要求1所述的基于轻量化的动力电池包壳体框架结构，其特征在于，所述轻质材料为铝合金、镁合金、钛合金、复合材料中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的基于轻量化的动力电池包壳体框架结构，其特征在于，所述高强钢材料为双相钢、马氏体钢、硼钢中的一种。
4.如权利要求1所述的基于轻量化的动力电池包壳体框架结构，其特征在于，所述多个电池包壳体框架横梁的数量为4以上的偶数个。
5.如权利要求1所述的基于轻量化的动力电池包壳体框架结构，其特征在于，所述电池包壳体框架左边框、电池包壳体框架右边框、电池包壳体框架前边框、电池包壳体框架后边框由相同的轻质材料制成，或者由不同的轻质材料制成。
6.如权利要求1所述的基于轻量化的动力电池包壳体框架结构，其特征在于，所述多个电池包壳体框架横梁由相同的轻质材料制成，或者由不同的轻质材料制成。
7.如权利要求1所述的基于轻量化的动力电池包壳体框架结构，其特征在于，所述多个电池包壳体框架横梁包括电池包壳体前左横梁、电池包壳体前右横梁、电池包壳体后左横梁、电池包壳体后右横梁，所述电池包壳体前左横梁和电池包壳体后左横梁分别垂直设置在所述电池包壳体框架左边框和电池包壳体纵梁之间的前侧和后侧，所述电池包壳体前右横梁和电池包壳体后右横梁分别垂直设置在所述电池包壳体框架右边框和电池包壳体纵梁之间的前侧和后侧。
8.如权利要求7所述的基于轻量化的动力电池包壳体框架结构，其特征在于，所述电池包壳体前左横梁和电池包壳体前右横梁对称设置在所述电池包壳体纵梁的两侧，所述电池包壳体后左横梁和电池包壳体后右横梁对称设置在所述电池包壳体纵梁的两侧。
9.如权利要求1所述的基于轻量化的动力电池包壳体框架结构，其特征在于，所述电池包壳体纵梁为空心矩形结构。
10.一种如权利要求1至9中任一项所述的基于轻量化的动力电池包壳体框架结构的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、分析动力电池包壳体框架材料结构，建立力学性能仿真模型；
步骤2、开展不同测试工况下动力电池包壳体框架左、右、前、后边框的受力状态分析；
步骤3、根据不同位置的边框受力情况选择对应的材料，计算电池包壳体框架边框质量；
步骤4、分析不同测试工况下动力电池包壳体框架纵梁的受力状态；
步骤5、根据纵梁受力情况选择纵梁材料，计算电池包壳体框架纵梁质量；
步骤6、分析不同测试工况下动力电池包各壳体框架横梁的受力状态；
步骤7、根据不同位置的横梁受力情况选择对应的材料，计算电池包各壳体框架横梁质量；
步骤8、判断电池包壳体框架混合材料结构是否满足力学性能要求与轻量化条件，如不是，重复步骤2至7，直至满足电池包壳体框架力学性能与轻量化需求。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010034076A (ja) * | 2009-11-10 | 2010-02-12 | Mitsubishi Motors Corp | 電気自動車用バッテリケースの構造 |
| CN113363656A (zh) * | 2021-06-23 | 2021-09-07 | 麦格纳卫蓝新能源汽车技术(镇江)有限公司 | 一种适用于纯电动汽车的新型电池箱体结构 |
| CN214542386U (zh) * | 2021-04-22 | 2021-10-29 | 远景动力技术(江苏)有限公司 | 一种电池包箱体及电池包 |
| CN114583347A (zh) * | 2020-11-30 | 2022-06-03 | 宝钢金属有限公司 | 一种新能源汽车的钢制电池包壳体 |
-
2022
- 2022-06-28 CN CN202210748694.1A patent/CN114976419A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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