EP4218085A1 - Fond de bac batteries pour vehicules electriques - Google Patents

Fond de bac batteries pour vehicules electriques

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EP4218085A1
EP4218085A1 EP21790959.7A EP21790959A EP4218085A1 EP 4218085 A1 EP4218085 A1 EP 4218085A1 EP 21790959 A EP21790959 A EP 21790959A EP 4218085 A1 EP4218085 A1 EP 4218085A1
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EP
European Patent Office
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thin sheet
weight
mpa
sheet according
content
Prior art date
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Pending
Application number
EP21790959.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
David BARBIER
Jocelyne LIST
Jean-Philippe MASSE
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Constellium Neuf Brisach SAS
Original Assignee
Constellium Neuf Brisach SAS
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Filing date
Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to the field of vehicles with an electric motor or a hybrid motor.
  • the present invention relates more particularly to the battery boxes of such a vehicle with an electric motor or a hybrid motor, consisting of a peripheral frame having a generally polygonal shape in a plan view, a bottom connected to the lower surface of the peripheral frame and made of aluminum alloy, as well as an upper cap for closing.
  • a battery box or battery box can comprise a chamber housing units of electrical energy storage cell elements, making it possible to produce the electrical energy used for the operation of the electric or hybrid vehicle.
  • the electrical energy storage cell element units are placed in the battery box, after which the battery box is mounted on board an electric or hybrid motor vehicle.
  • An electric motor vehicle or a hybrid vehicle requires a large number of batteries to run a motor.
  • the references EP 1939026, US 2007/0141451, US 2008/0173488, US 2009/0236162 and EP 2623353 give some examples of conventional battery boxes for electric vehicles.
  • a battery tray must protect the battery cells used to store electrical energy. In particular, in the event of an accident, this protection must prevent a short circuit causing complete breakdown of the vehicle.
  • a battery box must also have a Faraday cage function to avoid electromagnetic radiation. It is therefore necessary for a battery box to have sufficient mechanical characteristics to protect the modules in the event of shocks due to a collision.
  • CN106207044 presents a battery box made of carbon fiber composite material, formed by interlayers of carbon fibers and laminated PVC foam and side impact resistance performance.
  • CN205930892 introduces a utility model that uses a honeycomb baffle structure instead of the bottom part to improve crash safety performance.
  • EP2766247 proposes the use of trays and a free deformation space between the side wall of the battery sub-compartment and the longitudinal beam of the vehicle body.
  • Patent application CN 108342627 presents a battery box for an electric vehicle made from the following raw materials, expressed in parts by mass: 0.4-0.9 part of iron, 0.5-0.8 part of titanium, 0. ,7- 1.3 parts zinc, 0.2-0.6 parts silicon, 3-6 parts nickel, 4-8 parts copper, 1-3 parts manganese, 80-90 parts aluminum, 0.2-0.6 part boron carbide, 0.8-1 part chromium oxide, 0.2-0.25 part magnesium oxide, 0.2-0.5 part oxide silicon, 0.2-0.5 part titanium oxide, 0.2-0.5 part yttrium oxide, 0.02-0.05 part beryllium carbide, 0.02-0 .05 part of zirconium carbide and 0.02-0.05 part of tungsten carbide.
  • the patent application CN107201464 presents an electric automobile battery box made from, by mass, 0.4-0.9 parts of iron, 0.5-0.8 parts of titanium, 0.7-1.3 part zinc, 0.2-0.6 part silicon, 0.1-0.15 part titanium, 3-6 parts nickel, 4-8 parts copper, 1-3 parts manganese and 80-90 aluminum parts.
  • Patent application CN 107760162 presents a high-strength and corrosion-resistant battery box for a passenger car, comprising a body, the latter being made of a high-strength alloy.
  • the surface of the battery box body is coated with a layer of corrosion resistant coating.
  • the aluminum alloy is produced from the following components, in percentage by weight content: 0.21-0.47% Mn, 1.83-3.75% Cu, 0.23-0.47% Ti, 2.35-7.48% SiC, 0.13-0.54% Er and the balance pure aluminum and trace impurities.
  • Patent FR2721041 relates to an aluminum alloy sheet intended for mechanical, aeronautical or space construction, characterized by the composition (by weight): Si: 6.5 to 11%, Mg: 0.5 to 0.8%, Cu: ⁇ 0.3%, Fe: ⁇ 0.08%, Mn: ⁇ 0.5% and/or Cr: ⁇ 0.5%, Sr 0.008 to 0.025%, Ti: ⁇ 0.02%, Total others elements: ⁇ 0.2% , remainder aluminium.
  • the sheets according to this invention can be used in particular for the undersides of wings and the skin of the fuselage of aircraft, as well as for the cryogenic tanks of rockets.
  • the invention of patent application EP3384060 relates to a thin sheet for a reinforcing part or automobile body structure in aluminum alloy of composition, in% by weight: Si: 10 - 14, Mg: 0.05 - 0, 8, Cu: 0 - 0.2, Fe: 0 - 0.5, Mn: 0 - 0.5, optionally at least one element chosen from Na, Ca, Sr, Ba, Y and Li, the amount of said element s it is chosen to be 0.01 - 0.05 for Na, Ca, Sr, Ba Y and 0.1 - 0.3 for Li, Sb: 0 - 0.05, Cr: 0 - 0.1, Ti : 0 - 0.2, other elements ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 in total, remainder aluminum.
  • the invention also relates to the method of manufacturing such a sheet and the use of a thin sheet of alloy of the 4XXX series having a silicon content of at least 10% by weight, the modulus of elasticity of which is at less than 77 GPa to produce a reinforcement or automobile body structure part.
  • a battery box must also be perfectly sealed in order to prevent the penetration of fluid inside the battery box chamber or the leakage of the electrolyte contained in the electrical energy storage cell elements inside. exterior of the battery box chamber. Waterproof sealing is particularly mandatory if the battery tray is fixed below the floor of the vehicle, in order to prevent the penetration of water or mud. In addition, it is necessary to provide corrosion resistance against incoming and outgoing fluids. In order to improve the operating performance of a vehicle, a battery box must have a reduced weight while simultaneously offering maximum impact resistance, tight sealing, resistance to corrosion, ability to adapt to the control of temperature and an ability to accommodate a maximum of electrical energy storage cell elements.
  • the present invention has been developed to lighten the bottom of the battery tray for vehicles with electric or hybrid motors.
  • the main function of this area of the tank is to protect the electrical energy storage cells and their cooling system from intrusions from the road (liquids and solids).
  • the present invention proposes the use of an aluminum alloy sheet. This solution makes it possible to ensure a good functional response, by simultaneously offering perfect sealing over a large surface (no connections necessary) and structural performance which makes it possible to limit the intrusions of objects with high kinetic energy, as well as high stability of performance over time (little or no change in properties over time, high resistance to structural corrosion in the environment concerned), and finally optimized weight.
  • the object of the present invention is to define metallic materials in aluminum alloy for battery boxes having good properties against intrusion while having mechanical properties, resistance to corrosion, in particular inter granular good behavior for the methods of assembling the battery boxes.
  • a first object of the invention is the use of a thin sheet of aluminum alloy whose modulus of elasticity is at least 77 GPa to produce a bottom of the battery box.
  • Another object of the invention is a thin sheet of 4xxx aluminum alloy for the bottom of an aluminum alloy battery tray whose modulus of elasticity is at least 77 GPa and whose elastic limit Rp0.2 is at least 295 MPa in the T6 condition.
  • Yet another object of the invention is a battery tray bottom made with a thin sheet according to the invention.
  • Yet another object of the invention is a process for manufacturing thin sheet comprising the following successive steps: a. Manufacture of a foundry plate, preferably by semi-continuous vertical casting, b. Homogenization, preferably heating at a temperature of at least 540°C for 1.5 hours, preferably 550°C for at least 4 hours, c. Hot rolling, d. Cold rolling with a preferential reduction rate of at least 60%, e. Solution treated at a temperature of at least 500°C, then quenched, preferably coiled at a temperature of 50°C to 100°C.
  • Figure 1 is an exploded view of a battery tray for an electric or hybrid motor vehicle, in the case where the bottom is a separate part from the peripheral frame.
  • Figure 2 shows the experimental setup for the penetration test.
  • Figure 3 presents the digital simulation model with the impactor.
  • Figure 4 shows the stress and strain curves of the materials used.
  • FIG. 5 shows the reductions with the abscissa showing the elastic limit Rp0.2 of the different materials used. Description of the invention
  • the static mechanical characteristics in tension in other words the breaking strength Rm, the conventional yield strength at 0.2% elongation Rp0.2, the elongation at necking Ag% and the elongation at rupture A%, are determined by a tensile test according to standard NF EN ISO 6892-1, the sampling and direction of the test being defined by standard EN 485-1.
  • the modulus of elasticity also called Young's modulus, is measured according to the ASTM 1876 standard.
  • a thin sheet is a rolled product with a rectangular cross section whose uniform thickness is from 0.20 mm to 6 mm.
  • Figure 1 shows a non-limiting example of a battery tray for electric or hybrid motor vehicles
  • a battery tray for electric or hybrid motor vehicles comprises a bottom 21, an outer peripheral frame 22 formed so as to be positioned on an outer peripheral edge portion of the bottom 21 and an upper heavy plate or cap 23 placed on the peripheral frame from above.
  • the outer peripheral frame 22 is commonly connected to the bottom 21 by assembly means such as welding or gluing in order to guarantee the strength of the assembly and the sealing of the edges between the lower part and the peripheral frame.
  • the outer peripheral frame has a predominantly polygonal shape.
  • the upper cover is assembled on the peripheral frame by assembly means such as, for example, non-limiting, rivets, gluing, welding or screws. It can also be fixed hermetically.
  • the whole of the peripheral frame 22 and of the bottom 21 can also consist of a part obtained from the deformation of a sheet, for example, not limited to, by stamping.
  • the main structural function of the bottom plate is protection against the intrusion of road objects onto the battery tray. The principle is therefore to protect the batteries in the battery box against damage.
  • the inventors sought to identify the most suitable aluminum alloy materials for a battery box.
  • the typical selection criterion for defining the best materials is to obtain the greatest energy absorption for a deformation of the bottom of the battery box under the effect of an impactor or the greatest intrusion force of an impactor for the same deformation of the bottom of the battery box. They proceeded in several stages: the first consisted of carrying out digital simulations with different virtual materials.
  • a virtual material is a material uniquely defined by its mechanical properties without worrying a priori if it can exist. These mechanical properties are the modulus of elasticity, the elastic limit Rp0.2 and the stress and strain curves.
  • the second step consisted in defining the virtual materials selected by seeking the composition and the manufacturing process which make it possible to obtain the selected properties. These steps were naturally repeated a certain number of times to obtain the most effective real materials for lightening the bottom of the battery tray.
  • a battery tray bottom according to the invention therefore uses a thin sheet of aluminum whose modulus of elasticity is at least 77 GPa.
  • the thin sheet used for the bottom of the battery box has a modulus of elasticity of at least 79 GPa, more preferentially at least 84 GPa, more preferentially at least 89 GPa, more preferentially at least 94 GPa, more preferably at least 99 GPa.
  • the bottom of the battery box uses a thin aluminum alloy sheet of the 4xxx series, the Si content of which is at least 10%.
  • the bottom of the battery box uses a thin sheet of aluminum alloy whose yield strength Rp0.2 after shaping at the bottom of the battery box and after heat treatment of the bottom of the battery box is at least 295 MPa, preferentially at least 315 MPa, preferentially at least 320 MPa, more preferentially at least 330 MPa, more preferentially at least 340 MPa, more preferentially at least 350 MPa, more preferentially at least 370 MPa, more preferentially at least 380 MPa, more preferentially at least 390 MPa, more preferably at least 400 MPa.
  • Another aspect of the invention is a thin sheet of 4xxx aluminum alloy for the bottom of an aluminum alloy battery tray whose modulus of elasticity is at least 77 GPa and whose elastic limit Rp0.2 is at least 295 MPa in the T6 condition.
  • the silicon content is preferably at least 10%, preferably 10.5% and preferably 11% by weight, in fact a lower content does not generally make it possible to achieve a sufficient modulus of elasticity.
  • the silicon content is at least 11.5% by weight and preferably at least 12% by weight.
  • the silicon content is preferably at most 14% by weight, in fact a higher content generally does not make it possible to achieve the desired elongation and formability properties.
  • the silicon content is at most 13.5% by weight and preferably at most 13% by weight.
  • An advantageous embodiment has an Si content of 11% minimum to 13% maximum, by weight.
  • the magnesium content is preferably at least 0.05% by weight and preferably at least 0.1% by weight, in fact a lower content generally does not make it possible to achieve sufficient mechanical properties.
  • the magnesium content is preferably at most 0.8% by weight and preferably at most 0.7%, in fact a higher content generally does not make it possible to achieve the desired elongation and formability properties. in the case of a stamped battery tray bottom.
  • the magnesium content is between 0.1 and 0.3% by weight, which makes it possible to obtain high formability of the sheet.
  • the magnesium content is between 0.3 and 0.6% by weight, which makes it possible to obtain a higher mechanical strength while maintaining sufficient formability.
  • the copper content is preferably at least 0.2%, preferably at least 0.25%, and at most 2.0% by weight.
  • insoluble Mg2Si and Q AlMgSiCu
  • insoluble precipitates are typically at least 0.1 ⁇ m, or 0.5 ⁇ m in size.
  • a precipitate is insoluble if, when put into solution, it cannot be dissolved.
  • An interesting compromise between formability and yield strength Rp0.2 is obtained with a minimum content of 0.4%, preferentially 0.40% and more preferentially at least 0.5% and/or a maximum copper content preferentially of 0.8% and more preferentially of 0.7%.
  • the iron content is preferably at most 0.5% by weight.
  • An iron content greater than 0.5% by weight can adversely affect formability.
  • an amount of iron of 0.1, preferably 0.10% to 0.3% by weight is added to improve mechanical strength and formability. It may be advantageous to add an amount of iron of 0.05, preferably 0.10% to 0.2% by weight to improve more particularly the formability.
  • the manganese content is preferably at most 0.5% by weight.
  • a manganese content greater than 0.5% by weight can adversely affect formability.
  • no manganese is added and the manganese content is less than 0.05% by weight.
  • the addition of at least one element selected from Na, Ca, Sr, Ba, Y and Li, the amount of said element if selected being 0.01 - 0.05 for Na, Ca, Sr, Ba, Y and 0.1 - 0.3 for Li is advantageous. If the element is not chosen as an addition, its content is maintained at less than 0.01% by weight for Na, Ca, Sr, Ba, Y and less than 0.05% by weight for Li.
  • modifying agents which make it possible in particular to control the size of the eutectic compounds containing silicon during solidification and/or to modify their structure, which has a favorable consequence on the mechanical properties, in particular the formability, in particular during the casting of plates of large dimensions.
  • Strontium is the preferred modifier and the addition of 0.01 to 0.05% by weight strontium is beneficial.
  • the Sb content is preferably at most 0.05% by weight.
  • the addition of antimony is advantageous in particular for limiting the presence of phosphorus in the alloy, this element adversely modifying the structure of the eutectic.
  • the antimony content is between 0.01 and 0.04% by weight, however in this embodiment the addition of a modifying agent such as sodium or strontium is preference avoided.
  • the chromium content is a maximum of 0.1% by weight.
  • an amount of chromium of 0.01 to 0.05%, preferably 0.01 to 0.03% by weight, is added.
  • the titanium content is 0 to 0.2% by weight.
  • an amount of titanium of 0.01 to 0.15% by weight is added.
  • the thin sheet has a yield strength in the T6 state of at least 320MPa, more preferably at least 330MPa, more preferably at least 340MPa, more preferably at least 350MPa, more preferably at least 370MPa, more preferably at least 380MPa, more preferably at least 390MPa, more preferably at least 400MPa.
  • the process for manufacturing the thin sheet according to the invention preferably comprises the following successive steps.
  • the foundry plate is made of an alloy of the 4XXX series.
  • this alloy contains scraps according to standard EN 12258-3.
  • the alloy of the foundry plate is therefore made with raw materials which may be scrap.
  • scraps products made of aluminum and/or aluminum alloys, resulting from the collection and/or recovery of metals produced at different manufacturing stages; called production scraps, or products after use, called recovery scraps.
  • the 4XXX series alloy contains at least at least 50% by weight of scrap; more preferably at least 80% by weight.
  • the 4XXX series alloy contains at least at least 50% by weight scrap scrap, more preferably at least 80% by weight scrap scrap.
  • the recovered scraps are off-cuts or waste from end-of-life vehicles, preferably at least 50%, more preferably at least 80%.
  • end-of-life vehicles for example non-limiting passenger vehicles or light vehicles, vans, trucks contain many aluminum parts. Some of these end-of-life vehicles are defined by Directive 2000/53/EC.
  • These aluminum parts are very diverse. These may be parts such as heat exchangers such as, for example, non-limiting air conditioning condensers and evaporators, engine cooling or passenger compartment heating radiators, charge air coolers, radiators and heat exchangers. oil, fuel coolers. It can also be engine parts such as, for example, but not limited to, cylinder heads, cylinder housings or engine blocks. These are also other molding parts, for example non-limiting parts for ground connections. These parts contain alloys loaded with silicon. This is the case of heat exchangers, mentioned above, brazed. This is the case for the other parts listed above which are obtained by casting for which the alloys of the 4xxx series are usually used and which serve as a recycling channel for brazed heat exchangers.
  • heat exchangers such as, for example, non-limiting air conditioning condensers and evaporators, engine cooling or passenger compartment heating radiators, charge air coolers, radiators and heat exchangers. oil, fuel coolers.
  • engine parts such as, for example, but not limited to,
  • the thin sheet according to the invention therefore makes it possible to create a recycling channel for end-of-life vehicles which will make it possible to reduce the use of aluminum from electrolysis plants.
  • the 4xxx alloy of the thin sheet according to the invention preferably contains scrap or scrap of aluminum alloys, preferably scrap or scrap from vehicles in use, preferably at least 50%, more preferably at least 80%.
  • the best smelters, which use hydroelectricity, have a carbon footprint of 4 tons of CO2 equivalent (CO2 eq ) per ton of foundry plate taking into account the use of carbon anodes.
  • the typical Carbon Footprint for one tonne of aluminum smelter plate produced in Europe is just under 7 tonnes of CO2 eq.
  • the carbon footprint of one ton of foundry plate obtained with only recycled aluminum alloys is around 0.5 t of CO2 eq per foundry plate.
  • the carbon footprint of a foundry plate according to the invention is preferably less than 4 tons of CO2 eq per ton of foundry plate, preferably less than 2 tons of CO2 eq per ton of foundry, preferably less than 1 ton of CO2 eq per ton of foundry plate, more preferably from 1 to 0.5 t of CO2 eq per ton of foundry plate, more preferably less than 0.5 ton of CO2 eq per ton of foundry.
  • the tonnages of CO2 eq contain not only the CO2 produced by the aforementioned operations, but also the tonnage of other greenhouse gases produced for their equivalent tonnage in CO2.
  • the casting of the foundry plate is carried out by vertical semi-continuous casting.
  • the foundry plate is then scalped to remove the cortical layer.
  • the foundry plate is then homogenized preferably at a temperature of at least 540° C. for 1.5 hours, preferably 550° C. for at least 4 hours.
  • the foundry plate is then hot rolled to a preferred thickness of 3 to 10 mm. Then cold rolling is carried out with a preferential reduction rate of at least 60% to obtain the thickness of the thin sheet. In one embodiment, the cold rolling is carried out in two separate steps by annealing in order to avoid the appearance of edge cracks which could lead to the rupture of the thin sheet.
  • the thin sheet is then placed in solution and then quenched.
  • the dissolution is carried out at a temperature of at least 500° C., preferably at least 540° C. for at least 30 s, preferably at least 1 minute. Quenching takes place in water or air with a speed of at least 1°C/s, preferably 5°C/s.
  • the thin sheet is then preferably coiled at a temperature of 50 to 100°C, preferably 60 to 80°C, then the coil cools naturally to ambient temperature of 10 to 35°C. Instead of this winding, it is also possible to subject the thin sheet to a heat treatment of 8 hours at 85°C.
  • This step is useful when the part made with sheet metal, in particular by stamping, is painted. In fact, this step acts as a pre-temper which will allow, during the baking of the paints, at 180°C for 20 minutes, to improve the structural hardening of the thin sheet to preferentially obtain a T6 state.
  • the thin sheet preferably in the T4 state, is then optionally cut, optionally shaped, for example by stamping, to obtain a part which is preferably a battery tray bottom or a battery tray bottom.
  • batteries with a peripheral frame optionally part of said peripheral frame.
  • the thin sheet or the part obtained is then heat-treated to obtain a preferentially T6 state, typically by tempering at a temperature of 200 to 250° C. for a period of 15 to 150 minutes.
  • the elastic limit of the thin sheet in the T6 state and/or of the material of the bottom of the battery box obtained with this thin sheet is at least 295 MPa, preferentially at least 315 MPa, preferentially at least 320 MPa, more preferentially at least 330 MPa , more preferably at least 340 MPa, more preferably at least 350 MPa, more preferably at least 370 MPa, more preferably at least 380 MPa, more preferably at least 390 MPa, more preferably at least 400 MPa.
  • the thin sheet is in a T6x state obtained by under tempering the sheet by a treatment at 100°C to 150°C, preferably at 120°C to 140°C, for 5 to 15 hours, preferably from 7 to 9 hours.
  • the sheet is then optionally cut, optionally shaped, for example by stamping, to obtain a part which is preferably a battery tray bottom or a battery tray bottom with a peripheral frame, optionally a part of said peripheral frame.
  • Said part is then painted, the painting step includes baking the paints at 180° C. for 20 minutes.
  • the inventors have observed that the thin sheet or the bottom of the battery box obtained with this thin sheet resists corrosion, despite the presence of copper in the alloy, for use on a vehicle, in particular a vehicle electric.
  • the resistance to intergranular corrosion, measured according to the ISO 11846 standard, of the thin sheet in the T6 condition and/or of the material of the bottom of the battery box obtained with the thin sheet, in particular but not exclusively in the T4 condition , in the T6 state or in the T6x state is, after an additional aging of 40 minutes at 195°C or an aging of 1000 hours at 130°C, at most a maximum depth of 400 um, preferably 300 um or at more than an average depth of 350um, preferably 250um.
  • a specific penetration test has been designed to evaluate the resistance to penetration of the bottom 21.
  • To evaluate the resistance to penetration of the sheet material it is possible to use two critical configurations on the bottom sheet 21, which form a near penetration and far penetration of the outer peripheral frame. Near the frame, the mechanical system is rigid and only allows slight deformation of the sheet metal during penetration. In this way, fracture of the material is the dominant damage mechanism. In a central position, away from the frame, the system behaves elastically. It can be the site of elastic and plastic deformations, leading to a high risk of contact between the sheet metal and the battery modules.
  • the test can be carried out on a Zwick 400 static load testing machine.
  • the sheet 13 is clamped between an upper steel frame and a lower steel frame 11 with a width of 30 mm and fixed by means of several screws 12.
  • the force applied to the chuck as well as its displacement are measured.
  • the frame can move so as to control two positions on the same positions of central reference 1 and angular reference 4 of the sheet.
  • the total movement of the mandrel during the test is set to a distance of 15 mm chosen to represent a typical space between the bottom 21 and the batteries.
  • the test is carried out under quasi-static conditions.
  • the intrusion test described above requires holding a material to be tested.
  • the inventors therefore initially sought to identify the most promising materials for lightening the bottom of a battery box.
  • the inventors have therefore defined the properties of virtual materials with the aim of identifying the most promising in order to lighten the mass of the bottom of a battery box.
  • Virtual material properties are modulus of elasticity, yield strength, and stress and strain curves. These data are summarized in Tables 1 and 2 and in Figure 4 for the stress and strain curves.
  • the material called AO is not virtual: it is an aluminum alloy AA6111, well known for the manufacture of car body.
  • the retained properties of this AA6111 alloy are those of a stamped sheet after baking treatment of the paints (“Bake hardening”).
  • the numerical simulation software is LS-Dyna.
  • the simplified battery tray bottom is a sheet of 350 * 600 mm.
  • the mesh for the simulation uses elements of length 2.5mm, "fully integrated shell element" with 5 integration points in the thickness.
  • the boundary conditions for the numerical simulation have two characteristics. The first is a strip 30mm wide at 20mm inside the sheet from the edge, where only translations in the plane of the sheet and rotation around the vertical axis are authorized. A second characteristic is the presence of 16 zones of 10mm in diameter distributed around the sheet to represent the screw zones, where all the translations and all the rotations blocked on the nodes The plan of figure 2 shows this band and these 16 zones .
  • the primary structural function of the bottom plate is intrusion protection against road objects onto the battery tray. The principle is therefore to protect the batteries in the battery box against damage.
  • the numerical approach is the simulation of the quasi-static intrusion test, with a spherical impactor with a diameter of 150mm.
  • the inventors used a 150mm diameter spherical impactor rather than a 19.6mm diameter cylindrical mandrel with rounded edges because it is closer to a real object that can impact the battery tray in reality.
  • the simulation is carried out up to a displacement of the punch of 15 mm in the center of the sheet at constant speed and the reaction force on the punch is calculated. The curves between the different material options are compared.
  • the increase in the elastic limit Rp0.2 makes it possible to lighten the bottom of the battery box by thinning it from 6% to 19% with an alloy material of aluminum with a modulus of elasticity of 70 GPa.
  • the use of a sheet having a modulus of elasticity of 80 GPa instead of 70 GPa allows an additional thinning of the sheet of typically 6% with the same elastic limit Rp0.2 as shown in table 3.
  • the modulus of elasticity of 80 GPa instead of 70 GPa makes it possible to compensate for the reduction in the elastic limit from 280 to 260 MPa.
  • increasing the modulus of elasticity from 80 to 100 GPa with the same elastic limit Rp0.2 further improves thinning by typically 6%, as shown in examples A6 and A8 in Table 3.
  • the recycling center at the Neuf Brisach plant currently has a carbon footprint of less than 0.3 t CO2 eq / 1.
  • the foundry plates were then reheated, hot rolled, then cold rolled into thin sheets which were put into solution and quenched according to the conditions of table 5. Then, the thin sheets A, B and C underwent the heat treatment of 85°C for 8 hours. Given the appearance of edge cracks on foundry plates D and E during cold rolling, cold rolling was done in two stages separated by annealing at 350°C for 1 hour to avoid the appearance cracks on the thin plate.
  • the thin sheets were then subjected to a tempering heat treatment according to Table 6.
  • the thin sheets thus obtained were mechanically characterized in the transverse direction with respect to the rolling direction in Table 7.

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Abstract

L'invention porte sur les bacs de batteries pour les véhicules électriques ou hybrides. Les fonds des bacs batteries sont fait avec une tôle mince en alliage d'aluminium dont le module d'élasticité est supérieur à 77GPa afin d'en optimiser l'épaisseur tout en assurant une résistance à l'intrusion. L'invention concerne également une tôle mince en alliage d'aluminium de la série 4xxx dont le module est supérieur à 77GPa et la limite d'élasticité Rp0,2 est supérieur à 295 MPa.

Description

DESCRIPTION
Titre : FOND DE BAC BATTERIES POUR VEHICULES ELECTRIQUES
Domaine de l’invention
La présente invention concerne le domaine des véhicules à moteur électrique ou à moteur hybride.
La présente invention concerne plus particulièrement les bacs de batteries d’un tel véhicule à moteur électrique ou à moteur hybride, constitués d’un cadre périphérique ayant une forme polygonale généralement sur une vue en plan, un fond relié à la surface inférieure du cadre périphérique et réalisée en alliage d'aluminium, ainsi qu’une coiffe supérieure pour la fermeture.
Etat de la technique
Un bac de batteries ou bac batteries peut comprendre une chambre hébergeant des unités d’éléments de cellules de stockage de l’énergie électrique, permettant de produire l’énergie électrique servant au fonctionnement du véhicule électrique ou hybride. Les unités d’éléments de cellules de stockage d’énergie électrique sont placées dans le bac batteries, après quoi le bac de batteries est monté à bord d’un véhicule à moteur électrique ou hybride.
Un véhicule à moteur électrique ou un véhicule hybride (véhicule à moteur électrique également doté d’un moteur à explosion) exige un grand nombre de batteries pour faire fonctionner un moteur. Les références EP 1939026, US 2007/0141451, US 2008/0173488, US 2009/0236162 et EP 2623353 donnent quelques exemples de bacs de batteries conventionnelles pour véhicules électriques.
Un bac batteries doit protéger les cellules de la batterie servant au stockage de l’énergie électrique. En particulier, en cas d’accident, cette protection doit éviter un court-circuit provoquant la panne complète du véhicule. Un bac batteries doit aussi avoir une fonction de cage de Faraday pour éviter les rayonnements électro magnétiques. Il faut par conséquent qu’un bac batteries ait des caractéristiques mécaniques suffisantes pour protéger les modules en cas de chocs dus à une collision.
CN106207044 présente un bac batteries en matériau composite à base de fibres de carbone, formé de couches intermédiaires de fibres de carbone et de mousse de PVC laminée et les performances de résistance aux chocs latéraux. CN205930892 présente un modèle d’utilité qui fait appel à une structure de chicanes en nid d’abeille à la place de la partie basse afin d’améliorer les performances de sécurité en cas de collision. EP2766247 propose l’utilisation de bacs et d’un espace de déformation libre entre la paroi latérale du sous-compartiment des batteries et la poutre longitudinale du corps du véhicule.
La demande de brevet CN 108342627 présente un bac batteries pour véhicule électrique élaboré à partir des matières premières suivantes, exprimées en parties en masse : 0,4-0, 9 partie de fer, 0,5-0, 8 partie de titane, 0,7- 1,3 partie de zinc, 0,2-0, 6 partie de silicium, 3-6 parties de nickel, 4-8 parties de cuivre, 1-3 parties de manganèse, 80-90 parties d’aluminium, 0,2-0, 6 partie de carbure de bore, 0,8-1 partie d’oxyde de chrome, 0,2-0,25 partie d’oxyde de magnésium, 0,2-0, 5 partie d’oxyde de silicium, 0,2-0, 5 partie d’oxyde de titane, 0,2-0, 5 partie d’oxyde d’yttrium, 0,02-0,05 partie de carbure de béryllium, 0,02-0,05 partie de carbure de zirconium et 0,02-0,05 partie de carbure de tungstène.
La demande de brevet CN107201464 présente un bac batteries d’automobile électrique élaboré à partir de, en masse, 0,4-0, 9 partie de fer, 0,5-0, 8 partie de titane, 0,7- 1,3 partie de zinc, 0,2-0, 6 partie de silicium, 0,1-0,15 partie de titane, 3-6 parties de nickel, 4-8 parties de cuivre, 1-3 parties de manganèse et 80-90 parties d’aluminium.
La demande de brevet CN 107760162 présente un bac batteries pour voiture particulière, à haute résistance et résistant à la corrosion, comprenant un corps, ce dernier étant réalisé dans un alliage à haute résistance. La surface du corps du bac batteries est revêtue d’une couche d’un revêtement résistant à la corrosion. L’alliage d'aluminium est élaboré à partir des composants suivants, en pourcentage de teneur pondérale : 0,21-0,47 % de Mn, 1,83-3,75 % de Cu, 0,23-0,47 % de Ti, 2,35-7,48 % de SiC, 0,13-0,54 % de Er et le reste constitué d’aluminium pur et d’impuretés à l’état de traces. Le brevet FR2721041 concerne une tôle en alliage d'aluminium destinée à la construction mécanique, aéronautique ou spatiale, caractérisée par la composition (en poids): Si: 6,5 à 11%, Mg: 0,5 à 0,8%, Cu: < 0,3%, Fe: < 0,08%, Mn: < 0,5% et/ou Cr: < 0,5%, Sr 0,008 à 0,025%, Ti: < 0,02%, Total autres éléments: < 0,2% , reste aluminium. Les tôles selon cette invention peuvent être utilisées en particulier pour les intrados d’ailes et le revêtement de fuselage d’avions, ainsi que pour les réservoirs cryogéniques de fusées.
L’invention de la demande de brevet EP3384060 concerne une tôle mince pour pièce de renfort ou de structure de carrosserie automobile en alliage d'aluminium de composition, en % en poids : Si : 10 - 14, Mg : 0,05 - 0,8, Cu : 0 - 0,2, Fe : 0 - 0,5, Mn : 0 - 0,5, optionnellement au moins un élément choisi parmi Na, Ca, Sr, Ba, Y et Li, la quantité dudit élément s'il est choisi étant de 0,01 - 0,05 pour Na, Ca, Sr, Ba Y et 0,1 - 0,3 pour Li, Sb : 0 - 0,05, Cr : 0 - 0,1, Ti : 0 - 0,2, autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium. L'invention concerne également le procédé de fabrication d'une telle tôle et l'utilisation d'une tôle mince en alliage de la série 4XXX ayant une teneur en silicium d'au moins 10 % en poids dont le module d’élasticité est au moins 77 GPa pour réaliser une pièce de renfort ou de structure de carrosserie automobile.
Selon la présentation de la société Novelis tenue dans le cadre de la conférence « Materials in car body engineering », le 16/05/2018 à Bad Nauheim, l’allégement des bacs batteries est obtenu avec des tôles d’aluminium à haute limite d’élasticité.
Selon la présentation de la société Arcelor tenue dans le cadre de la conférence « Battery systems in car body engineering », le 28 juin 2019 à Bad Nauheim, l’allégement des bacs batteries est obtenu avec des aciers à très haute limite d’élasticité.
Un bac batteries se doit également d’être parfaitement étanche afin d’éviter la pénétration de fluide à l’intérieur de la chambre du bac batteries ou la fuite de l’électrolyte contenu dans les éléments de cellules de stockage d’énergie électrique à l’extérieur de la chambre du bac batteries. Un colmatage étanche est notamment obligatoire si le bac batteries est fixé au-dessous du plancher du véhicule, afin d’empêcher la pénétration d’eau ou de boue. De plus, il est nécessaire de prévoir une résistance à la corrosion contre les fluides entrants et sortants. Afin d’améliorer les performances de fonctionnement d’un véhicule, un bac batteries doit avoir un poids réduit tout en offrant simultanément une résistance aux chocs maximum, un colmatage étanche, une résistance à la corrosion, une aptitude à s’adapter au contrôle de la température et une aptitude à loger un maximum d’éléments de cellules de stockage d’énergie électrique.
La présente invention a été développée pour alléger le fond de bac batteries pour les véhicules à moteur électrique ou hybride. La fonctionnalité principale de cette zone du bac est de protéger les cellules de stockage de l’énergie électrique et leur système de refroidissement des intrusions venant de la route (liquides et solides). La présente invention propose l’utilisation d’une tôle en alliage d’aluminium. Cette solution permet en effet d’assurer une bonne réponse fonctionnelle, en offrant simultanément une étanchéité parfaite sur une grande surface (pas de liaisons nécessaires) et une performance structurale qui permet de limiter les intrusions d’objets à énergie cinétique élevée, ainsi qu’un grande stabilité des performances dans le temps (peu ou pas d’évolution des propriétés dans le temps, grande résistance à la corrosion structurelle dans l’environnement concerné), et enfin une masse optimisée.
Problème posé
Le but de la présente invention est de définir des matériaux métalliques en alliage d’aluminium pour des bacs batteries ayant de bonnes propriétés contre l’intrusion tout en ayant des propriétés mécaniques, de résistance à la corrosion, en particulier inter granulaire un bon comportement pour les procédés d’assemblage des bacs batteries.
Objet de l’invention
Un premier objet de l’invention est l’utilisation d’une tôle mince en alliage d’aluminium dont le module d’élasticité est au moins 77 GPa pour réaliser un fond de bac batteries. Un autre objet de l’invention est une tôle mince en alliage d’aluminium 4xxx pour fond de bac batteries en alliage d’aluminium dont le module d’élasticité est d’au moins 77 GPa et dont la limite d’élasticité Rp0,2 est au moins 295 MPa à l’état T6.
Encore un autre objet de l’invention est un fond de bac batteries fait avec une tôle mince selon l’invention.
Encore un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication de la tôle mince comprenant les étapes successives suivantes : a. Fabrication d’une plaque de fonderie, préférentiellement par coulée semi continue verticale, b. Homogénéisation, préférentiellement réchauffage à une température d’au moins 540°C pendant 1,5 heures, préférentiellement 550°C pendant au moins 4 heures, c. Laminage à chaud, d. Laminage à froid avec un taux de réduction préférentiel d’au moins 60%, e. Mise en solution à une température d’au moins 500°C, puis trempée, préférentiellement bobinée à une température de 50°C à 100°C.
Description des figures
[Fig. 1] La Figure 1 est une vue éclatée d’un bac batteries pour un véhicule à moteur électrique ou hybride, dans le cas où le fond est une pièce séparée du cadre périphérique.
[Fig. 2] La Figure 2 présente le montage expérimental de l’essai de pénétration.
[Fig. 3] La Figure 3 présente le modèle de simulation numérique avec l’impacteur.
[Fig. 4] La Figure 4 présente les courbes de contraintes et de déformations des matériaux utilisés.
[Fig. 5] La Figure 5 présente les allègements avec en abscisse la limite d’élasticité Rp0,2 des différents matériaux utilisés. Description de 1’invention
Sauf mention contraire, toutes les indications concernant la composition chimique des alliages sont exprimées comme un pourcentage en poids basé sur le poids total de l’alliage. L’expression 1,4 Cu signifie que la teneur en cuivre exprimée en % en poids est multipliée par 1,4. La désignation des alliages d’aluminium se fait en conformité avec les règlements de The Aluminium Association, connus de l’homme du métier. Les définitions des états métallurgiques sont indiquées dans la norme européenne EN 515.
Les caractéristiques mécaniques statiques en traction, en d’autres termes la résistance à la rupture Rm, la limite d’élasticité conventionnelle à 0,2% d’allongement Rp0,2, l’allongement à striction Ag% et l’allongement à la rupture A%, sont déterminés par un essai de traction selon la norme NF EN ISO 6892-1, le prélèvement et le sens de l’essai étant définis par la norme EN 485-1.
Le module d’élasticité, aussi appelé module d’Young, est mesuré selon la norme ASTM 1876.
Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 s’appliquent. Une tôle mince est un produit laminé de section transversale rectangulaire dont l'épaisseur uniforme est comprise de 0,20 mm à 6 mm.
La Figure 1 montre un exemple non limitatif de bac batteries pour véhicules à moteur électrique ou hybride comprend un fond 21, un cadre périphérique extérieur 22 formé de manière à être positionné sur une portion extérieure d’arête périphérique du fond 21 et une tôle forte supérieure ou coiffe 23 placée sur le cadre périphérique par le haut. Le cadre périphérique extérieur 22 est couramment relié au fond 21 par des moyens d’assemblage tels que soudage ou collage afin de garantir la résistance de l’assemblage et le colmatage des arêtes entre la partie basse et le cadre périphérique. Le cadre périphérique extérieur a une forme principalement polygonale. La coiffe supérieure est assemblée sur le cadre périphérique par des moyens d’assemblage tels que, par exemple non limitatif, des rivets, du collage, du soudage ou des vis. Elle peut également être fixée hermétiquement. L’ensemble du cadre périphérique 22 et du fond 21 peut aussi être constitué d’une pièce obtenue à partir de la déformation d’une tôle, par exemple non limitatif par emboutissage. La fonction structurelle principale de la plaque inférieure est la protection contre les intrusions des objets projetés de la route sur le bac batteries. Le principe est donc de protéger les batteries du bac batteries contre les dommages. Les inventeurs ont cherché à identifier les matériaux en alliage d’aluminium les plus adaptés pour un bac batteries. Le critère de choix typique pour définir les meilleurs matériaux est d’obtenir la plus grande absorption d’énergie pour une déformation du fond de bac batteries sous l’effet d’un impacteur ou la plus grande force d’intrusion d’un impacteur pour la même déformation du fond de bac batteries. Ils ont procédé en plusieurs étapes : la première a consisté à réaliser des simulations numériques avec différents matériaux virtuels. Un matériau virtuel est un matériau uniquement défini par ses propriétés mécaniques sans se préoccuper a priori s’il peut exister. Ces propriétés mécaniques sont le module d’élasticité, la limite d’élasticité Rp0,2 et les courbes de contraintes et de déformations. La seconde étape consistait à définir les matériaux virtuels retenus en cherchant la composition et le procédé de fabrication qui permettent d’obtenir les propriétés retenues. Ces étapes furent naturellement répétées un certain nombre de fois pour obtenir les matériaux réels les plus performants pour l’allègement du fond de bac batteries.
Usuellement, l’augmentation de la limite d’élasticité Rp0,2 d’un matériau est un moyen conventionnel pour pouvoir amincir une pièce faite avec ledit matériau. De façon surprenante, les inventeurs ont montré qu’il est également pertinent d’augmenter le module d’élasticité pour améliorer les propriétés des fonds de bac batteries. Il est connu que le module d’élasticité et la limite d’élasticité sont deux propriétés indépendantes et ne sont pas corrélées. Pour une tôle mince d’aluminium, usuellement, le module d’élasticité est typiquement de 70 GPa.
Un fond de bac batteries selon l’invention utilise donc une tôle mince d’aluminium dont le module d’élasticité est d’au moins 77 GPa.
Dans un mode de réalisation préféré, la tôle mince utilisée pour le fond de bac batteries a un module d’élasticité d’au moins 79GPa, plus préférentiellement au moins 84 GPa, plus préférentiellement au moins 89 GPa, plus préférentiellement au moins 94 GPa, plus préférentiellement au moins 99 GPa. Dans un mode de réalisation, le fond de bac batteries utilise une tôle mince en alliage d’aluminium de la série 4xxx dont la teneur en Si est d’au moins 10%.
Dans un mode de réalisation, le fond de bac batteries utilise une tôle mince en alliage d’aluminium dont la limite d’élasticité Rp0,2 après mise en forme en fond de bac batteries et après traitement thermique du fond de bac batteries est au moins 295MPa, préférentiellement au moins, 315 MPa, préférentiellement au moins 320MPa, plus préférentiellement au moins 330MPa, plus préférentiellement au moins 340 MPa, plus préférentiellement au moins 350MPa, plus préférentiellement au moins 370MPa, plus préférentiellement au moins 380MPa, plus préférentiellement au moins 390 MPa, plus préférentiellement au moins 400MPa.
Un autre aspect de l’invention est une tôle mince en alliage d’aluminium 4xxx pour fond de bac batteries en alliage d’aluminium dont le module d’élasticité est d’au moins 77 GPa et dont la limite d’élasticité Rp0,2 est au moins 295 MPa à l’état T6.
Dans un mode de réalisation, la tôle mince a pour composition de l’alliage 4xxx, en % en poids, : Si : 10 - 14, Mg : 0,05 - 0,8, Cu : 0,2 - 2,0, Fe : <= 0,5, Mn : <= 0,5, optionnellement au moins un élément choisi parmi Na, Ca, Sr, Ba, Y et Li, la quantité dudit élément s’il est choisi étant de 0,01 - 0,05 pour Na, Ca, Sr, Ba, Y et 0,1 - 0,3 pour Li, Sb : <= 0,05, Cr : <= 0,1, Ti : <= 0,2, autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium.
La teneur en silicium est de préférence d’au moins de 10 %, préférentiellement 10,5% et de préférence 11 % en poids, en effet une teneur inférieure ne permet généralement pas d’atteindre un module d’élasticité suffisant. Avantageusement la teneur en silicium est au moins 11,5 % en poids et de préférence au moins 12 % en poids. La teneur en silicium est de préférence d’au plus de 14 % en poids, en effet une teneur supérieure ne permet généralement pas d’atteindre les propriétés d’allongement et de formabilité souhaitées. Avantageusement la teneur en silicium est au plus 13,5 % en poids et de préférence au plus 13 % en poids. Un mode de réalisation avantageux a une teneur en Si de 11% minimum à 13% maximum, en poids.
La teneur en magnésium est de préférence d’au moins de 0,05 % en poids et de préférence au moins 0,1 % en poids, en effet une teneur inférieure ne permet généralement pas d’atteindre des propriétés mécaniques suffisantes. La teneur en magnésium est de préférence d’au plus de 0,8% en poids et de préférence au plus de 0,7%, en effet une teneur supérieure ne permet généralement pas d’atteindre les propriétés d’allongement et de formabilité souhaitée dans le cas d’un fond de bac batteries embouti. Dans un mode de réalisation de l’invention, la teneur en magnésium est comprise de 0,1 à 0,3 % en poids ce qui permet d’obtenir une formabilité élevée de la tôle.
Dans un autre mode de réalisation de l’invention, la teneur en magnésium est comprise de 0,3 à 0,6 % en poids ce qui permet d’obtenir une résistance mécanique plus élevée tout en maintenant une formabilité suffisante.
La teneur en cuivre est préférentiellement comprise d’au minimum 0,2%, préférentiellement d’au minimum 0,25%, et d’au maximum 2,0 % en poids. Une teneur en cuivre basse de 0,2% minimum, préférentiellement 0,25% minimum, plus préférentiellement 0,30% minimum, plus préférentiellement 0,35% minimum, plus préférentiellement 0,40% et de 0,7% maximum, est avantageuse pour les tôles après vieillissement (état T4 par exemple) pour la résistance à la corrosion. Par contre une teneur élevée en cuivre, de 0,5% minimum à 2% maximum, est avantageuse pour obtenir une résistance mécanique élevée après le traitement thermique final des pièces (état T6 ou T7 par exemple). De façon surprenante, à partir d’une teneur de 0,3% en Cu, des précipités insolubles Mg2Si et Q (AlMgSiCu) peuvent se former sans dégrader significativement les propriétés mécaniques. Ces précipités insolubles ont une taille typique d’au moins 0,1 iim, ou 0,5 um. Un précipité est insoluble si, lors de la mise en solution, il ne peut être dissous. Un compromis intéressant entre formabilité et limite d’élasticité Rp0,2 est obtenu avec une teneur minimum de 0,4%, préférentiellement 0.40% et plus préférentiellement d’au moins 0,5% et / ou une teneur maximum en cuivre préférentiellement de 0,8% et plus préférentiellement de 0,7%.
La teneur en fer est préférentiellement au maximum de 0,5 % en poids. Une teneur en fer supérieure à 0,5 % en poids peut avoir une conséquence néfaste sur la formabilité. Avantageusement on réalise l’addition d’une quantité de fer comprise de 0,1, préférentiellement 0,10% à 0,3 % en poids pour améliorer résistance mécanique et formabilité. Il peut être avantageux de réaliser l’addition d’une quantité de fer comprise de 0,05, préférentiellement 0,10% à 0,2 % en poids pour améliorer plus particulièrement la formabilité.
La teneur en manganèse est préférentiellement au maximum de 0,5 % en poids. Une teneur en manganèse supérieure à 0,5 % en poids peut avoir une conséquence néfaste sur la formabilité. Dans un mode de réalisation il est avantageux de réaliser l’addition d’une quantité de manganèse comprise de 0,05 à 0,2 % en poids pour améliorer notamment la formabilité. Cependant dans un autre mode de réalisation, on n’ajoute pas de manganèse et la teneur en manganèse est inférieure à 0,05 % en poids.
L’addition d’au moins un élément choisi parmi Na, Ca, Sr, Ba, Y et Li, la quantité dudit élément s’il est choisi étant de 0,01 - 0,05 pour Na, Ca, Sr, Ba, Y et 0,1 - 0,3 pour Li est avantageuse. Si l’élément n’est pas choisi comme addition sa teneur est maintenue à moins de 0,01 % en poids pour Na, Ca, Sr, Ba, Y et moins de 0,05 % en poids pour Li. Ces éléments sont des agents modifiants qui permettent notamment de contrôler la taille des composés eutectiques contenant du silicium lors de la solidification et/ou de modifier leur structure ce qui a une conséquence favorable sur les propriétés mécaniques, notamment la formabilité, en particulier lors de la coulée de plaques de grandes dimensions. Le strontium est l’agent modifiant préféré et l’addition de 0,01 à 0,05 % en poids de strontium est avantageuse.
La teneur en Sb est préférentiellement au maximum de 0,05% en poids. L’addition d’antimoine est avantageuse notamment pour limiter la présence de phosphore dans l’alliage, cet élément modifiant de façon défavorable la structure de l’eutectique. Dans un mode de réalisation de l’invention la teneur en antimoine est comprise de 0,01 à 0,04 % en poids, cependant dans ce mode de réalisation l’addition d’un agent modifiant tel que le sodium ou le strontium est de préférence évitée. La teneur en chrome est au maximum de 0,1 % en poids. Avantageusement on réalise l’addition d’une quantité de chrome comprise de 0,01 à 0,05%, préférentiellement de 0,01 à 0,03 % en poids.
La teneur en titane est comprise de 0 à 0,2 % en poids. Avantageusement on réalise l’addition d’une quantité de titane comprise de 0,01 à 0,15 % en poids.
Dans un mode de réalisation, la tôle mince a une limite d’élasticité à l’état T6 de au moins 320MPa, plus préférentiellement au moins 330MPa, plus préférentiellement au moins 340MPa, plus préférentiellement au moins 350MPa, plus préférentiellement au moins 370MPa, plus préférentiellement au moins 380MPa, plus préférentiellement au moins 390MPa, plus préférentiellement au moins 400MPa.
Le procédé de fabrication de la tôle mince selon l’invention comporte de préférence les étapes successives suivantes.
D’abord la fabrication d’une plaque de fonderie de la composition requise pour la tôle.
Préférentiellement, la plaque de fonderie est en alliage de la série 4XXX. Préférablement cet alliage contient des scraps selon la norme EN 12258-3. L’alliage de la plaque de fonderie est donc fabriqué avec des matières premières qui peuvent être des scraps.
On appelle scraps, des produits constitués d'aluminium et/ou d'alliages d'aluminium, résultant de la collecte et/ou de la récupération de métaux produits à différentes étapes de fabrication ; appelés scraps de production, ou de produits après utilisation, appelés scraps de récupération.
Parmi les scraps de production, on peut citer les crasses de fonderie, les coulures, les scraps déchiquetés et les tournures définis selon EN 12258-3.
Parmi les scraps de récupérations, on peut citer des chutes ou des déchets provenant de véhicules hors d’usage.
Préférablement, l’alliage de la série 4XXX contient au moins au moins 50% en poids de scraps; plus préférablement au moins 80% en poids. Préférablement, l’alliage de la série 4XXX contient au moins au moins 50% en poids de scraps de récupération, plus préférablement au moins 80% en poids de scraps de récupération.
Préférablement les scraps de récupération sont des chutes ou des déchets provenant de véhicules hors d’usage, préférablement au moins 50%, plus préférablement au moins 80%. Un tel alliage est particulièrement intéressant car usuellement les véhicules hors d’usage, par exemple non limitatif les véhicules de tourisme ou véhicules légers, les camionnettes, les camions contiennent de nombreuses pièces en aluminium. Une partie de ces véhicules hors d’usage sont définis par la directive 2000/53/CE.
Ces pièces en aluminium sont très diverses. Il peut s’agir de pièces telles que des échangeurs de chaleurs comme par exemple non limitatifs des condenseurs et évaporateurs de climatisation, radiateurs de refroidissement du moteur ou de chauffage de l’habitacle, refroidisseurs d’air de suralimentation, radiateurs et échangeurs d’huile, refroidisseurs de carburant. Il peut s’agir également de pièces du moteur comme par exemple non limitatif des culasses, des carters cylindres ou blocs moteurs. Il s’agit également d’autres pièces de moulage par exemple non limitatif de pièces pour les liaisons au sol. Ces pièces contiennent des alliages chargés en silicium. C’est le cas des échangeurs de chaleurs, précités, brasés. C’est le cas des autres pièces précédemment énumérées qui sont obtenues par moulage pour lequel les alliages de la série 4xxx sont usuellement utilisés et qui servent de filière de recyclage des échangeurs de chaleur brasés. Or la bascule de la propulsion par moteur à explosion vers la propulsion électrique va déstabiliser cette filière de recyclage. Les tôles en alliage d’aluminium dans les véhicules, en particulier pour la carrosserie et les pièces de structure, sont dans l’art antérieur en alliage 5xxx et 6xxx qui ne sont pas adaptés pour un recyclage important des alliages de la série 4xxx compte tenu de leur composition.
La tôle mince selon l’invention permet donc de créer une filière de recyclage des véhicules hors d’usage qui permettra de diminuer l’utilisation d’aluminium provenant des usines d’électrolyse. L’alliage 4xxx de la tôle mince selon l’invention contient préférentiellement des chutes ou des déchets d’alliages d’aluminium, préférablement des chutes ou des déchets provenant de véhicules en d’usage, préférablement au moins 50%, plus préférablement au moins 80%. Les meilleures usines d’électrolyse, qui utilisent l’hydro électricité, ont une empreinte Carbone de 4 tonnes de CO2 équivalent (CO2 eq) par tonne de plaque de fonderie compte tenu de l’utilisation d’anode en Carbone. L’empreinte Carbone typique pour une tonne de plaque de fonderie d’aluminium d’électrolyse produite en Europe est d’un peu moins de 7 tonnes de CO2 eq. L’empreinte Carbone d’une tonne de plaque de fonderie obtenue avec uniquement des alliages d’aluminium de recyclage est de l’ordre de 0,5 t de CO2 eq par plaque de fonderie.
Compte tenu de la diversité des alliages des chutes et déchets provenant des véhicules hors d’usage, il n’est pas toujours possible de réaliser une plaque de fonderie exclusivement avec des chutes et des déchets de véhicule hors d’usage. Il est nécessaire d’utiliser des lingots de métal primaire et des métaux d’addition pour obtenir la composition requise pour la tôle selon l’invention. Compte tenu de ces ajouts, l’empreinte Carbone d’une plaque de fonderie selon l’invention, est préférentiellement inférieure à 4 tonnes de CO2 eq par tonne de plaque de fonderie, préférentiellement inférieure à 2 tonnes de CO2 eq par tonne de plaque de fonderie, préférentiellement inférieure à 1 tonne de CO2 eq par tonne de plaque de fonderie, plus préférentiellement de 1 à 0,5tde CO2 eq par tonne de plaque de fonderie, plus préférentiellement moins de 0,5 tonne de CO2 eq par tonne de plaque de fonderie. Les tonnages de CO2 eq contiennent non seulement le CO2 produits par les opérations précitées, mais également le tonnage des autres gaz à effet de serre produits pour leur tonnage équivalent en CO2.
Préférentiellement, la coulée de la plaque de fonderie est réalisée par coulée semi continue verticale.
Préférentiellement, la plaque de fonderie est ensuite scalpée pour enlever la couche corticale.
La plaque de fonderie est ensuite homogénéisée préférentiellement à une température d’au moins 540°C pendant 1,5 heures, préférentiellement 550°C pendant au moins 4 heures.
La plaque de fonderie est ensuite laminée à chaud jusqu’à une épaisseur préférentielle de 3 à 10 mm. Puis un laminage à froid est réalisé avec un taux de réduction préférentiel d’au moins 60% pour obtenir l’épaisseur de la tôle mince. Dans un mode de réalisation, le laminage à froid est réalisé en deux étapes séparés par un recuit afin d’éviter l’apparition de criques de rives pouvant entrainer la rupture de la tôle mince.
La tôle mince est ensuite mise en solution puis trempée. La mise en solution est réalisée à une température d’au moins 500°C, préférentiellement au moins 540°C pendant au moins 30 s, préférentiellement au moins 1 minute. La trempe a lieu à l’eau ou à l’air avec une vitesse d’au moins l°C/s, préférentiellement 5°C/s. La tôle mince est ensuite préférentiellement bobinée à une température de 50 à 100°C, préférentiellement de 60 à 80°C, puis la bobine refroidit naturellement à la température ambiante de 10 à 35°C. A la place de ce bobinage, il est aussi possible de soumettre la tôle mince à un traitement thermique de 8 heures à 85°C. Cette étape est utile lorsque la pièce faite avec la tôle, en particulier par emboutissage, est peinte. En effet cette étape agit comme un pré revenu qui va permettre, lors la cuisson des peintures, de 180°C pendant 20 minutes, d’améliorer le durcissement structural de la tôle mince pour obtenir préférentiellement un état T6.
Dans un premier mode de réalisation, la tôle mince, préférentiellement à l’état T4, est ensuite optionnellement découpée, optionnellement mise en forme, par exemple par emboutissage, pour obtenir une pièce qui est préférentiellement un fond de bac batteries ou un fond de bac batteries avec un cadre périphérique, optionnellement une partie dudit cadre périphérique.
La tôle mince ou la pièce obtenue est ensuite traitée thermiquement pour obtenir un état préférentiellement T6, typiquement par un revenu à une température de 200 à 250°C pendant une durée de 15 à 150 minutes.
La limite d’élasticité de la tôle mince à l’état T6 et/ou du matériau du fond de bac batteries obtenu avec cette tôle mince est au moins 295MPa, préférentiellement au moins 315 MPa, préférentiellement au moins 320MPa, plus préférentiellement au moins 330MPa, plus préférentiellement au moins 340 MPa, plus préférentiellement au moins 350MPa, plus préférentiellement au moins 370MPa, plus préférentiellement au moins 380MPa, plus préférentiellement au moins 390 MPa, plus préférentiellement au moins 400MPa.
Dans un second mode de réalisation, la tôle mince est dans un état T6x obtenu par un sous revenu de la tôle par un traitement de 100°C à 150°C, préférentiellement de 120°C à 140°C, pendant de 5 à 15 heures, préférentiellement de 7 à 9 heures. La tôle est ensuite optionnellement découpée, optionnellement mise en forme, par exemple par emboutissage, pour obtenir une pièce qui est préférentiellement un fond de bac batteries ou un fond de bac batteries avec un cadre périphérique, optionnellement une partie dudit cadre périphérique. Ladite pièce est ensuite peinte, l’étape de peinture comporte une cuisson des peintures à 180°C pendant 20 minutes.
De façon surprenante, les inventeurs ont constaté que la tôle mince ou le fond de bac batteries obtenu avec cette tôle mince résiste à la corrosion, malgré la présence de cuivre dans l’alliage, pour l’utilisation sur un véhicule, en particulier un véhicule électrique. La résistance à la corrosion inter granulaire, mesurée selon la norme ISO 11846, de la tôle mince à l’état T6 et/ou du matériau du fond de bac batteries obtenu avec la tôle mince, en particulier mais non exclusivement à l’état T4, à l’état T6 ou à l’état T6x, est, après un vieillissement supplémentaire de 40 minutes à 195°C ou d’un vieillissement de 1000 heures à 130°C, au plus une profondeur maximum 400um, préférentiellement 300um ou au plus d’une profondeur moyenne de 350um, préférentiellement 250um.
Exemples
Un essai de pénétration spécifique a été conçu pour évaluer la résistance à la pénétration du fond 21. Pour évaluer la résistance à la pénétration du matériau en tôle, il est possible de recourir à deux configurations critiques sur la tôle du fond 21, qui forment une pénétration proche et une pénétration éloignée du cadre périphérique extérieur. À proximité du cadre, le système mécanique est rigide et n’autorise qu’une faible déformation de la tôle pendant la pénétration. De cette manière, la fracture du matériau est le mécanisme de dommage qui domine. En position centrale, loin du cadre, le système se comporte de façon élastique. Il peut être le siège de déformations élastiques et plastiques, conduisant à un risque élevé de contact de la tôle avec les modules de batteries. L’essai peut être effectué sur une machine d’essai de charge statique Zwick 400. Comme le montre la Figure 2, la tôle 13 est serrée entre un cadre en acier supérieur et un cadre en acier inférieur 11 d’une largeur de 30 mm et fixé au moyen de plusieurs vis 12. Un mandrin cylindrique de 19,6 mm de diamètre avec des bords arrondis (r = 1,5 mm) est fixé sur la machine pour effectuer une pénétration dans la tôle. La force appliquée sur le mandrin ainsi que son déplacement sont mesurés. Le cadre peut se déplacer de manière à contrôler deux positions sur les mêmes positions de référence centrale 1 et de référence angulaire 4 de la tôle. Le déplacement total du mandrin pendant l’essai est réglé sur une distance de 15 mm choisie pour représenter un espace type entre le fond 21 et les batteries. L’essai est effectué en conditions quasi-statiques.
Le test d’intrusion ci-dessus décrit nécessite de détenir un matériau à tester. Les inventeurs ont donc dans un premier temps cherché à identifier les matériaux les plus prometteurs pour alléger un fond de bac batteries. Les inventeurs ont donc défini des propriétés de matériaux virtuels dans l’objectif d’identifier les plus prometteurs dans le but d’alléger la masse d’un fond de bac batteries. Les propriétés des matériaux virtuels sont le module d’élasticité, la limite d’élasticité et les courbes de contraintes et de déformations. Ces données sont synthétisées sur les tableaux 1 et 2 et sur la figure 4 pour les courbes de contraintes et de déformations. Le matériau dénommé AO n’est pas virtuel : il s’agit d’un alliage d’aluminium AA6111, bien connu pour la fabrication de caisse d’automobile. Les propriétés retenues de cet alliage AA6111 sont celles d’une tôle emboutie après traitement de cuisson des peintures (« Bake hardening »).
Ces différentes propriétés des matériaux ont été utilisées en simulation numérique pour étudier leur résistance à l’intrusion en utilisant un fond de bac batteries simplifié. Le logiciel de simulation numérique est LS-Dyna. Le fond de bac batteries simplifié est une tôle de 350 * 600 mm. Le maillage pour la simulation utilise des éléments de longueur 2,5mm, « fully integrated shell element » avec 5 points d’intégration dans l’épaisseur. Les conditions aux limites pour la simulation numérique ont deux caractéristiques. La première est une bande de 30mm de large à 20mm à l’intérieur de la tôle à partir du bord, où on autorise seulement les translations dans le plan de la tôle et la rotation autour de l’axe verticale. Une seconde caractéristique est la présence de 16 zones de 10mm en diamètre reparties autour de la tôle pour représenter les zones de vis, où toutes les translations et toutes les rotations bloquées sur les nœuds Le plan de la figure 2 montre cette bande et ces 16 zones. La fonction structurelle principale de la plaque inférieure est la protection contre les intrusions contre les objets projetés de la route sur le bac batteries. Le principe est donc de protéger les batteries du boîtier des batteries contre les dommages.
L’approche numérique est la simulation du test d'intrusion quasi- statique, avec un impacteur sphérique d’un diamètre de 150mm. Les inventeurs ont utilisé un diamètre d’impacteur sphérique de 150mm plutôt qu’un mandrin cylindrique de 19,6 mm de diamètre avec des bords arrondis car il est plus proche d’un objet réel pouvant impacter le bac batteries en réalité. La simulation est effectuée jusqu'à un déplacement du poinçon de 15 mm au centre de la tôle à vitesse constante et la force de réaction sur le poinçon est calculée. Les courbes entre les différentes options de matériaux sont comparées.
Comme montré par le tableau 2 et graphiquement par la figure 5, l’augmentation de la limite d’élasticité Rp0,2 permet d’alléger le fond de bac batteries en l’amincissant de 6% à 19% avec un matériau en alliage d’aluminium de module d’élasticité de 70 GPa. L’utilisation d’une tôle ayant un module d’élasticité de 80 GPa au lieu de 70 GPa permet un amincissement supplémentaire de la tôle de typiquement 6% avec la même limite d’élasticité Rp0,2 comme montré sur le tableau 3. Dans le cas des exemples A0 et A10 du tableau 3, le module d’élasticité de 80 GPa au lieu de 70 GPa permet de compenser la diminution de la limité élastique de 280 à 260 MPa. De même augmenter le module d’élasticité de 80 à 100 GPa avec la même limite d’élasticité Rp0,2 permet encore d’améliorer l’amincissement de typiquement 6% comme le montrent les exemples A6 et A8 du tableau 3.
[Tableau 1]
[Tableau 3]
Le centre de recyclage de l’usine de Neuf Brisach présente actuellement une empreinte carbone inférieure à 0.3 t CO2 eq / 1.
Des plaques de fonderie ont été coulées par coulée semi continue verticale avec la composition selon le tableau 4, puis scalpées pour enlever la couche corticale. [Tableau 4]
Les plaques de fonderie ont ensuite été réchauffées, laminées à chaud, puis laminées à froid en tôles minces qui fùrent mises en solution et trempées selon les conditions du tableau 5. Ensuite, les tôles minces A, B et C ont subi le traitement thermique de 85°C pendant 8 heures. Compte tenu de l’apparition de criques de rives sur les plaques de fonderie D et E pendant le laminage à froid, le laminage à froid a été fait en deux étapes séparées par un recuit de 350°C pendant 1 heure pour éviter l’apparition de criques sur la tôle mince.
[Tableau 5]
Les tôles minces ont ensuite été soumises à un traitement thermique de revenu selon le tableau 6.
[Tableau 6]
Les tôles minces ainsi obtenues ont été caractérisés mécaniquement dans le sens travers par rapport au sens de laminage au tableau 7.
[Tableau 7] Les tôles minces ont également été caractérisées en corrosion inter granulaire, mesurée selon la norme ISO 11846, après deux vieillissements pour évaluer la tenue à la corrosion pendant l’utilisation du véhicule.
[Tableau 8]

Claims

22
Revendications
1. Utilisation d’une tôle mince en alliage d’aluminium dont le module d’élasticité est au moins 77 GPa pour réaliser un fond de bac batteries.
2. Utilisation d’une tôle mince en alliage d’aluminium selon la revendication 1 caractérisé en ce que son alliage est de la série 4XXX ayant une teneur en silicium d’au moins 10 % en poids.
3. Utilisation d’une tôle mince en alliage d’aluminium selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l’alliage contient des scraps, préférablement des chutes ou des déchets provenant de véhicules hors d’usage, préférablement au moins 50% ; plus préférablement au moins 80%.
4. Utilisation d’une tôle mince en alliage d’aluminium selon l’une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l’empreinte Carbone de la fabrication d’une plaque de fonderie nécessaire à la fabrication de la tôle mince est inférieure à 4 tonnes de CO2 par plaque de fonderie, préférablement inférieur à 2 tonnes de CO2 par plaque de fonderie.
5. Utilisation d’une tôle mince en alliage d’aluminium selon au moins une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la limite d’élasticité Rp0,2 de la tôle mince après sa mise en forme en fond de bac batteries et après traitement thermique du fond de bac batteries est au moins 295 MPa, préférentiellement au moins 315 MPa, préférentiellement au moins 320MPa, plus préférentiellement au moins 330MPa, plus préférentiellement au moins 350MPa, plus préférentiellement au moins 400MPa.
6. Tôle mince en alliage 4xxx pour fond de bac batteries en alliage d’aluminium dont le module d’élasticité est d’au moins 77 GPa et dont la limite d’élasticité Rp0,2 est au moins 315 MPa à l’état T6.
7. Tôle mince selon la revendication 6 dont l’alliage 4xxx contient des scraps, préférablement des chutes ou des déchets provenant de véhicules hors d’usage, préférablement au moins 50% ; plus préférablement au moins 80%.
8. Tôle mince selon l’une revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que l’empreinte Carbone de la fabrication d’une plaque de fonderie nécessaire à la fabrication de la tôle mince est inférieure à 4 tonnes de CO2 par plaque de fonderie, préférablement inférieur à 2 tonnes de CO2 par plaque de fonderie. Tôle mince selon Tune des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que sa composition de l’alliage 4xxx est, en % en poids,
Si : 10 - 14, Mg : 0,05 - 0,8, Cu : 0,2 - 2,0, Fe : <= 0,5, Mn : <= 0,5, optionnellement au moins un élément choisi parmi Na, Ca, Sr, Ba, Y et Li, la quantité dudit élément s’il est choisi étant de 0,01 - 0,05 pour Na, Ca, Sr, Ba Y et 0,1 - 0,3 pour Li, Sb : <= 0,05, Cr : <= 0,1, Ti : <= 0,2, autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium. Tôle mince selon la revendication 9 caractérisé en ce qu’elle contient des précipités insolubles Mg2Si. Tôle mince selon la revendication 9 ou 10 caractérisée en ce que la teneur en Si : 11 - 13 % en poids. Tôle mince selon l’une quelconque des revendications 9 à 11 caractérisée en ce que la teneur en Cu est au minimum de 0,25% en poids, préférentiellement au minimum 0.30%, préférentiellement 0.35%, préférentiellement 0,4 - 0,8%, en poids, préférentiellement 0,5-0, 7% en poids. Tôle mince selon une quelconque des revendications 9 à 12 caractérisée en ce que la teneur en Fe est au minimum 0,10%, préférentiellement : 0,10 - 0,3 % en poids.
14. Tôle mince selon une quelconque des revendications 9 à 13 caractérisée en ce que la teneur en Mn : 0,05 - 0,2 % en poids.
15. Tôle mince selon une quelconque des revendications 9 à 13 caractérisée en ce que la teneur en Mn : < 0,05 % en poids.
16. Tôle mince selon une quelconque des revendications 9 à 15 caractérisée en ce que la teneur en Sr : 0,01 - 0,05 % en poids.
17. Tôle mince selon une quelconque des revendications 9 à 16 caractérisée en ce que la teneur en Cr : 0,01 - 0,05 % en poids et/ou la teneur en Ti 0,01 - 0,15 % en poids.
18. Tôle mince selon l’une quelconque des revendication 6 à 17 caractérisé en ce que sa limite d’élasticité à l’état T6 est au moins 320MPa, plus préférentiellement au moins 330MPa, plus préférentiellement au moins 340 MPa, plus préférentiellement au moins 350MPa, plus préférentiellement au moins 400MPa.
19. Fond de bac batteries fait avec une tôle mince selon l’une quelconque des revendication 6 à 18. 0. Procédé de fabrication de la tôle mince selon l’une des revendications 6 à 18 comprenant les étapes successives suivantes : a. Fabrication d’une plaque de fonderie préférentiellement par coulée semi continue verticale, b. Homogénéisation préférentiellement à une température d’au moins 540°C pendant 1,5 heures, préférentiellement 550°C pendant au moins 4 heures, c. Laminage à chaud, d. Laminage à froid avec un taux de réduction préférentiel d’au moins 60%, e. Mise en solution à une température d’au moins 500°C, puis trempée, préférentiellement bobinée à une température de 50°C à 100°C.
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