CN116544590B - 超高强度新能源汽车电池托盘及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超高强度新能源汽车电池托盘及其生产工艺，所述电池托盘包括前后边梁、左右边梁、中梁、底板，所述左右边梁、前后边梁和中梁为屈服强度大于1180MPa超高强度钢板辊压制成的管型结构，所述底板为超高强度钢板经整形制成的平板；所述左右边梁、前后边梁、中梁、底板之间应用CMT冷焊工艺焊接而成。本发明采用超高强度钢材，材料相对更薄更轻，提供相对简洁的空心型材结构和托盘整体焊接结构，通过辊压成型制造型材，冷焊工艺制成托盘，既保证整个托盘的防震防护能力，又兼顾轻便、耐腐蚀、外缘平整要求，可在保证品质的同时大幅降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及新能源汽车电池托盘生产技术领域，具体涉及超高强度新能源汽车电池托盘及其生产工艺。
背景技术
作为绿色环保无污染的新型出行交通工具，新能源汽车进入高速发展阶段。电池模块是新能源汽车的核心组成部分，而电池托盘是专门用于存放和运输新能源汽车电池的容器。由于新能源汽车的特点，对电池托盘有轻便、耐腐蚀、外缘平整、防震防护能力强、成本低等要求。车身整体重量是制约新能源汽车发展的重要因素之一，新能源汽车各个零部件都一直在保证性能品质的前提下发展轻量化技术、降低整车重量，作为构成车身的大型零部件之一，电池托盘当然是越轻便越好；电池托盘承载的电池可能发生渗液，必然具有防腐蚀的要求；电池托盘承载着电池模块，必须具备足够强度的刚性和防震防护能力，否则无法保证新能源汽车的行驶安全；电池托盘外缘各接触面有较高的平整度，才便于电池模组紧密贴合地存放，同样影响防震防护能力。随着新能源汽车的普及，市场呼唤更高性价比的产品，相应地给电池托盘带来不断降低成本的要求。
当前，塑料材料制作的电池托盘由于强度不够，已不再应用，应用中的新能源汽车电池托盘主要包括铝制和钢制两类。铝制电池托盘生产工艺包括铸铝整体成型和挤压成型两种方式，综合力学性能较高，重量也相对较低，但铝合金材料成本远高于钢材成本，不能满足高性价比的需要。因而价格相对经济的钢制电池托盘更受青睐。采用高强度钢通过辊压和焊接工艺成型制造的电池托盘，具有抗冲击能力强的优点，但局限性是重量较大，影响新能源汽车续航里程。
现有技术中的高强度钢制新能源汽车电池托盘，往往通过型材结构设计来保证托盘强度。如中国专利CN202010846700“一种高机械性能的电池盒下壳体”，通过给电池托盘增设有波浪形吸能结构的外侧梁，且中部梁空腔内设加强梁来提升防碰撞能力，但这种设计所增加的复杂结构，带来更多的底盘重量和更高加工成本。中国专利CN202011377696“一种新能源汽车的钢制电池包壳体”设计了异形截面的空心封闭型材，中国专利CN202110110146“电池托盘的边梁、电池托盘及电池包”设计了带抗弯凹槽的型材，这两种技术方案同样结构复杂，加工成本高。中国专利CN202111401051“一种高强度新能源汽车刀片电池托盘框梁及其生产工艺”公开了一种管型结构及其辊压成型和激光焊接的工艺，但该技术方案并未涉及电池托盘的整体结构和性能。
综上，选材和工艺技术实现上，新能源汽车电池托盘要同时达到轻便、耐腐蚀、外缘平整、防震防护能力强、以及低成本这几方面要求，是存在矛盾的。铝材成本太高；钢制的型材，若通过加厚来增加强度，则更重，相应成本也高；钢制的型材，若通过增加结构来增加强度，也会更重，加工更复杂，成本也增高；加工工艺越复杂，越难保证外缘平整度。如何研究开发一种新能源汽车电池托盘，包括选材、结构和生产工艺，在保证高强度、防震防护能力强的同时，做到重量轻、成型稳定性高、平整度高、耐腐蚀，还能够有效控制成本，是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开一种超高强度新能源汽车电池托盘及其生产工艺，总体思路是采用超高强度钢材，材料相对更薄更轻，提供相对简洁的空心型材结构和托盘整体焊接结构，通过辊压成型制造型材，冷焊工艺制成托盘，既保证整个托盘的防震防护能力，又兼顾轻便、耐腐蚀、外缘平整、以及低成本这几方面要求，解决背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明提出以下技术方案：
一种超高强度新能源汽车电池托盘，包括前后边梁、左右边梁、中梁、底板，所述前后边梁、左右边梁通过焊接形成托盘框架，所述中梁两端通过焊接与左右边梁中部固定，所述中梁的数量为一至四个，所述底板通过焊接与所述左右边梁、前后边梁、中梁连接，封闭托盘框架的底面；所述左右边梁、前后边梁和中梁为超高强度钢板辊压制成的管型结构，所述超高强度钢板屈服强度大于1180MPa；所述底板为超高强度钢板经整形制成的平板；所述左右边梁、前后边梁、中梁、底板之间应用CMT冷焊工艺焊接而成。
超高强度钢指用于制造承受较高应力结构件，屈服强度大于980MPa的马氏体钢。本技术方案采用的超高强度钢板，屈服强度为980MPa—1500Mpa甚至更高。由于采用超高强度钢板，则较薄的钢板辊压成型，即可满足托盘框架强度要求。具体来说，本技术方案所述左右边梁、前后边梁、中梁采用的超高强度钢板厚度不高于1.2mm，所述底板采用的超高强度钢板厚度不高于1.0mm。若采用更高屈服强度的钢板，则所需的厚度可以更小。
所述前后边梁以钢板辊压折弯成型为横截面“日”字形（根据不同的客户空PACK间尺寸、承载要求、密封方式调整断面结构本案例仅拿“日”字形做案例下面不再提醒）的管型结构，“日”字形以中间短横的一端开头，环绕构成“日”字形后结尾，头尾加长用于焊接。所述前边梁、后边梁的横截面对称，装配构成托盘时焊缝朝内。
所述左右边梁以钢板辊压折弯成型为管型结构，其横截面在与前后边梁横截面“日”字形的基础上，底部增加两个折弯，使左右边梁装配构成托盘时形成放置电池模组的基座。所述左边梁、右边梁的横截面对称，装配构成托盘时焊缝朝内。
所述中梁以钢板辊压折弯成型为横截面“凸”字形（根据不同的客户空PACK间尺寸、承载要求、密封方式调整断面结构本案例仅拿“凸”字形做案例下面不再提醒）的管型结构，“凸”字形中间设有竖板，以竖版下端开头，环绕构成“凸”字形后结尾，头尾加长用于焊接；所述中梁“凸”字形两边的折弯，使中梁在装配时与左右边梁的底部折弯一并形成放置电池模组的基座。
如前所述超高强度新能源汽车电池托盘的生产工艺，包括如下步骤：
S1、根据前后边梁、左右边梁、中梁成型需要，将适当宽度、厚度的超高强度钢板送入连续辊压成型设备，按照各类型材设计横截面要求调整辊压成型设备模具和参数，逐步变形成为所需结构的型材，根据电池托盘框架所述尺寸，以激光切割分段，获得装配电池托盘的型材；
S2、通过激光焊接机，给前后边梁、左右边梁焊接必要的吊耳等附件，对前后边梁、左右边梁、中梁进行必要的冲孔；
S3、通过CMT冷焊设备进行托盘框架焊接，先将前后梁与左右边梁焊接固定，再焊接固定中梁；
S4、根据电池托盘底板尺寸需要，将适当宽度、厚度的超高强度钢板送入整形设备，通过多组上下排列的压辊对钢板进行整形，释放应力，达到平整度小于±0.5mm的要求；
S5、将底板放置在电池托盘框架底部定位，通过CMT冷焊设备焊接固定；
S6、进行生产质量检验，包括机加检验，焊缝气密检验，气密性要满足IP67标准；
S7、进行电池托盘后处理工艺，包括电泳、拉铆螺母、打胶、气密检测等，完成后进行包装。
步骤S1中，所述连续辊压成型设备包括卷料器、条端焊机、矫直机、预冲孔及切边机、辊压成型机、后冲孔及剪切机，通过合理设置，能够将超高强度钢板辊压成型，完全控制其弯曲位置和角度，达到所需的管型，并将管材剪裁为合适的长度。
步骤S3、S5中，所述CMT冷焊设备在数字控制方式下进行短电弧和焊丝的换向送丝监控，以较低的热量输入，稳定的电弧完成焊接，过程中无飞溅。使用CMT冷焊工艺进行电池托盘焊接，能够降低热量，减少钢板热变形，防止底部变形；减少飞溅，防止管材内部及托盘接缝处的金属残渣，提高电池托盘防腐效果。
进一步地，步骤S3、S5中，通过CMT冷焊设备进行托盘框架、底板的焊接，焊接过程中保证前后边梁、左右边梁、中梁管型结构接缝处焊道均匀，不允许出现虚焊、漏焊等现象，焊接效果用金属焊道跟踪检测仪实时检测。
步骤S5中，将底板放置在电池托盘框架底部定位时，底板面积完全覆盖上部的托盘框架，底板与框架各梁直接进行内侧和外侧两道焊接。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1、保证电池托盘结构强度：采用屈服强度高于980Mpa超高强度钢材制成托盘框架型材及底板，以相对简洁的型材结构和托盘整体结构，即保证新能源汽车电池托盘的防震、耐冲击防护能力，同时增加汽车车身底盘整体钢性，结构耐用，可靠性高。
2、促进电池托盘轻量化：由于钢材屈服强度高，较薄钢材即可保证结构强度，同时无需复杂型材结构或附加的支撑结构，相比其它冲压或热成型托盘降重明显，实现轻量化；电池托盘安装于汽车底部放置电池模组包时，可以减少下护钢梁或装甲（保护铝电池托盘底部不受冲击），减少零件，总体减少整车重量50KG左右。
3、提高电池托盘平整度：高强度钢板原材料本身的平整度存在波动，辊压成型为管状型材后，焊接接缝处叠加公差更大，难以加工满足要求。本发明生产工艺中采用对底板原材料进行二次整形的步骤，同时托盘框架及底板焊接采用CMT冷焊工艺，这两个关键措施可保证现有技术中钢制电池托盘难以达到的托盘外缘平整度，达到焊接后托盘法兰面平整度公差低于±0.5mm。高的平整度便于电池模组安置时与电池托盘的贴合，有效保证电池模组的防撞击能力和安全性。
4、降低电池托盘成本：本发明电池托盘采用钢材制成，原材料成本低，比铝质托盘降本30%；由于钢材更薄，型材结构简单，进一步减少原材料成本；为实现本发明技术方案之一，所采用的钢板整形设备、连续辊压设备、冷焊设备，一次性投入比较大，而在规模化生产下，可应用到不同客户不同车型使用以此达到平台化生产，单位产品成本可以控制到大幅低于当前市场价格的水平。
附图说明
图1为本发明超高强度新能源汽车电池托盘结构示意图；
图2为本发明电池托盘俯视图；
图3为本发明前后边梁结构示意图；
图4为本发明前后边梁管形结构截面图；
图5为本发明左右边梁结构示意图；
图6为本发明左右边梁管形结构截面图；
图7为本发明中梁结构示意图；
图8为本发明中梁管形结构截面图；
图9为本发明超高强度新能源汽车电池托盘生产工艺示意图。
图中标注说明：1、前边梁；2、后边梁；3、左边梁；4、右边梁；5、中梁；6、底板。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
如图1-2所示，本发明提供一种超高强度新能源汽车电池托盘，包括前边梁1、后边梁2、左边梁3、右边梁4、中梁5、底板6，所述前后边梁1-2、左右边梁3-4通过焊接形成托盘框架，所述中梁5两端通过焊接与左右边梁3-4中部固定，所述中梁5的数量为一至四个，所述底板6通过焊接与所述左右边梁3-4、前后边梁1-2、中梁5连接，封闭托盘框架的底面；所述左右边梁3-4、前后边梁1-2和中梁5为超高强度钢板辊压制成的管型结构，所述超高强度钢板屈服强度大于980MPa；所述底板为超高强度钢板经整形制成的平板；所述左右边梁3-4、前后边梁1-2、中梁5、底板6之间应用CMT冷焊工艺焊接而成。
如图3-4所示，所述前后边梁以钢板辊压折弯成型为横截面“日”字形或其他形状的管型结构，“日”字形以中间短横的一端开头，环绕构成“日”字形后结尾，头尾加长用于焊接。所述前边梁、后边梁的横截面对称，装配构成托盘时焊缝朝内。
如图5-6所示，所述左右边梁以钢板辊压折弯成型为管型结构，其横截面在与前后边梁横截面“日”字形的基础上，底部增加两个折弯，使左右边梁装配构成托盘时形成放置电池模组的基座。所述左边梁、右边梁的横截面对称，装配构成托盘时焊缝朝内。
如图7-8所示，所述中梁以钢板辊压折弯成型为横截面“凸”字形的管型结构，“凸”字形中间设有竖板，以竖版下端开头，环绕构成“凸”字形后结尾，头尾加长用于焊接；所述中梁“凸”字形两边的折弯，使中梁在装配时与左右边梁的底部折弯一并形成放置电池模组的基座。
如图9所示，本发明超高强度新能源汽车电池托盘的生产工艺，包括如下步骤：
S1、根据前后边梁、左右边梁、中梁成型需要，将适当宽度、厚度的超高强度钢板送入连续辊压成型设备，按照各类型材设计横截面要求调整辊压成型设备模具和参数，逐步变形成为所需结构的型材，根据电池托盘框架所述尺寸，以激光切割分段，获得装配电池托盘的型材；
S2、通过激光焊接机，给前后边梁、左右边梁焊接必要的吊耳等附件，对前后边梁、左右边梁、中梁进行必要的冲孔；
S3、通过CMT冷焊设备进行托盘框架焊接，先将前后梁与左右边梁焊接固定，再焊接固定中梁；
S4、根据电池托盘底板尺寸需要，将适当宽度、厚度的超高强度钢板送入整形设备，通过多组上下排列的压辊对钢板进行整形，释放应力，达到平整度小于±0.2mm的要求；
S5、将底板放置在电池托盘框架底部定位，通过CMT冷焊设备焊接固定；
S6、进行生产质量检验，包括机加检验，焊缝气密检验；
S7、进行电池托盘后处理工艺，包括电泳、铆螺母、打胶、气密检测等，完成后进行包装。
步骤S1中，所述连续辊压成型设备包括卷料器、条端焊机、意大利劳伦斯进口矫平矫直机（保障公差在0.5mm以内）、预冲孔及切边机、21-32段辊压成型机、后冲孔及剪切机，通过合理设置，能够将超高强度钢板辊压成型，完全控制其弯曲位置和角度，达到所需的管型，并将管材剪裁为合适的长度。
步骤S3、S5中，所述CMT冷焊设备由福尼斯公司（FRONIUS）提供，在数字控制方式下进行短电弧和焊丝的换向送丝监控，以较低的热量输入，稳定的电弧完成焊接，过程中无飞溅。使用CMT冷焊工艺进行电池托盘焊接，能够降低热量，减少钢板热变形，防止底部变形；减少飞溅，防止管材内部及托盘接缝处的金属残渣，提高电池托盘防腐效果。其他焊接方式均存在一定的问题，如弧焊，产生的热量高，带来钢板变形量大，产生的飞溅较大，容易降低产品抗腐蚀性能；如激光焊，由于超高强度钢材屈服强度高，滚压折弯后焊接面的公差难以控制到很低的程度，使用激光焊容易造成虚焊，带来电池托盘抗冲击品质的隐患。
步骤S4中，采用劳伦斯辊压整形设备对超高强度钢板底板进行二次整形，减少应力，提高平整度。
步骤S5中，将底板放置在电池托盘框架底部定位时，底板面积完全覆盖上部的托盘框架，底板与框架各梁直接进行内侧和外侧两道CMT冷焊焊接。
以下提供采用本发明技术方案制造的超高强度新能源汽车电池托盘实施例具体方案及技术效果，并与现有技术中的对比例进行对比。
实施例：
原材料：超高强度钢板材料采用HC820/1180DPD+Z 双相高强镀锌卷宝钢，屈服强度为1180MPa，左右边梁、前后边梁、中梁采用的钢板厚度为1.2mm，底板采用的钢板厚度为1.0mm。
电池托盘参数：成品托盘长2000-2500mm、成品托盘宽1000-1800mm、成品托盘高100-230mm,制成的左右边梁、前后边梁型材厚度1.2mm，中梁高度30-50mm，放置电池模组基座高度20mm。
对比例1：铝挤出焊接成型托盘
对比例2：SPCC冷板冲压成型托盘
对比例3：HC820/1180DP高强钢热压成型托盘
按照本发明提供的工艺方法，获得所设计结构的型材，焊接制成新能源汽车电池托盘，所获得成品的技术参数与对比例1-3的参数对比见下表：
从对比数据分析可见，对比例1重量较轻、平整度能够保证，但抗压效果不足、单位成本较高；对比例2单位成本较低，但抗压效果不足、重量最重、平整度达不到要求；对比例3能够抗压效果较好，但重量较重、平整度达不到要求，单位成本较高。而本发明实施例抗压效果好，重量较轻，平整度能够保证，同时单位成本最低。因此，本发明技术方案能够在保证电池托盘结构强度和防震防护能力的前提下促进电池托盘轻量化，减少整车重量；同时具有其他技术方案达不到的电池托盘平整度，有效保证电池模组的防撞击能力和安全性；在规模化生产下，单位产品成本大幅低于其他技术方案的价格水平。
以上所述，仅为本发明的较佳实例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，凡属本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，凡依据本发明实质技术对上述实例所做的任何等效变更和修饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.超高强度新能源汽车电池托盘，包括前后边梁、左右边梁、中梁、底板，所述前后边梁、左右边梁通过焊接形成托盘框架，所述中梁两端通过焊接与左右边梁中部固定，所述中梁的数量为一至四个，所述底板通过焊接与所述左右边梁、前后边梁、中梁连接，封闭托盘框架的底面，其特征在于：
所述左右边梁、前后边梁和中梁为超高强度钢板辊压制成的管型结构，所述前后边梁横截面为“日”字形，所述左右边梁横截面为“日”字形基础上底部增加两个折弯，所述中梁横截面为“凸”字形；
所述超高强度钢板屈服强度为1180MPa—1500Mpa；所述左右边梁、前后边梁、中梁采用的超高强度钢板厚度不高于1.2mm，所述底板采用的超高强度钢板厚度不高于1.0mm；
所述底板为超高强度钢板经整形制成的平板；所述左右边梁、前后边梁、中梁、底板之间应用CMT冷焊工艺焊接而成；
所述超高强度新能源汽车电池托盘的生产工艺，包括如下步骤：
S1、根据前后边梁、左右边梁、中梁成型需要，将适当宽度、厚度的超高强度钢板送入连续辊压成型设备，按照各类型材设计横截面要求调整辊压成型设备模具和参数，逐步变形成为所需结构的型材，根据电池托盘框架所述尺寸，以激光切割分段，获得装配电池托盘的型材；
S2、通过激光焊接机，给前后边梁、左右边梁焊接必要的吊耳附件，对前后边梁、左右边梁、中梁进行必要的冲孔；
S3、通过CMT冷焊设备进行托盘框架焊接，先将前后梁与左右边梁焊接固定，再焊接固定中梁；
S4、根据电池托盘底板尺寸需要，将适当宽度、厚度的超高强度钢板送入整形设备，通过多组上下排列的压辊对钢板进行整形，释放应力，达到平整度小于±0.2mm的要求；
S5、将底板放置在电池托盘框架底部定位，通过CMT冷焊设备焊接固定；
S6、进行生产质量检验，包括机加检验，焊缝气密检验；
S7、进行电池托盘后处理工艺，包括电泳、铆螺母、打胶、气密检测，完成后进行包装；
所述步骤S3、S5中，通过CMT冷焊设备进行托盘框架、底板的焊接，焊接过程中保证前后边梁、左右边梁、中梁管型结构接缝处焊道均匀，焊接效果用金属焊道跟踪检测仪实时检测。
2.根据权利要求1所述的超高强度新能源汽车电池托盘，其特征在于：所述前后边梁以钢板辊压折弯成型为横截面“日”字形的管型结构，“日”字形以中间短横的一端开头，环绕构成“日”字形后结尾，头尾加长用于焊接；所述前边梁、后边梁的横截面对称，装配构成托盘时焊缝朝内。
3.根据权利要求1所述的超高强度新能源汽车电池托盘，其特征在于：所述左右边梁以钢板辊压折弯成型为管型结构，其横截面在与前后边梁横截面“日”字形的基础上，底部增加两个折弯，使左右边梁装配构成托盘时形成放置电池模组的基座；所述左边梁、右边梁的横截面对称，装配构成托盘时焊缝朝内。
4.根据权利要求1所述的超高强度新能源汽车电池托盘，其特征在于：所述中梁以钢板辊压折弯成型为横截面“凸”字形的管型结构，“凸”字形中间设有竖板，以竖版下端开头，环绕构成“凸”字形后结尾，头尾加长用于焊接；所述中梁“凸”字形两边的折弯，使中梁在装配时与左右边梁的底部折弯一并形成放置电池模组的基座。
5.根据权利要求1所述的超高强度新能源汽车电池托盘，其特征在于：其生产工艺步骤S1中，所述连续辊压成型设备包括卷料器、条端焊机、矫直机、预冲孔及切边机、辊压成型机、后冲孔及剪切机，通过合理设置，能够将超高强度钢板辊压成型，完全控制其弯曲位置和角度，达到所需的管型，并将管材剪裁为合适的长度。
6.根据权利要求1所述的超高强度新能源汽车电池托盘，其特征在于：其生产工艺步骤S5中，将底板放置在电池托盘框架底部定位时，底板面积完全覆盖上部的托盘框架，底板与框架各梁直接进行内侧和外侧两道焊接。
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