FR3114328A1 - Fond de bac batteries pour vehicules electriques - Google Patents

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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 315 MPa. Figure d'abrégé : Fig. 1

Description

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 CN108342627 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 CN107760162 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.
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, Yt et Li, la quantité dudit élément s'il est choisi étant de 0,01 - 0,05 pour Na, Ca, Sr, Ba Yt 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.
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 de 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 315 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.
Description des figures
La 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.
La présente le montage expérimental de l’essai de pénétration.
La présente le modèle de simulation numérique avec l’impacteur.
La présente les courbes de contraintes et de déformations des matériaux utilisés.
La présente les allègements avec en abscisse la limite d’élasticité Rp0,2 des différents matériaux utilisés.
Description de l’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 entre 0,20 mm et 6 mm.
La 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. 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 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 315 MPa à l’état T6.
Dans un mode de réalisation, la tôle mince a pour composition, 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, Yt et Li, la quantité dudit élément s’il est choisi étant de 0,01 – 0,05 pour Na, Ca, Sr, Ba, Yt 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 % 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 entre 11% minimum et 13% minimum, 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 entre 0,1 et 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 entre 0,3 et 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 entre au minimum 0,2%, préférentiellement au minimum 0,25%, et au maximum 2,0 % en poids. Une teneur en cuivre basse entre 0,2% minimum, préférentiellement 0,25% minimum et 0,7% maximum, est avantageuse pour les tôles après vieillissement (état T4 par exemple). Par contre une teneur élevée en cuivre, entre 0,5% minimum et 2% maximum, est avantageuse pour obtenir une résistance mécanique élevée après le traitement thermique final des pièces (état T6 ou T7 par exemple). Un compromis intéressant entre formabilité et limite d’élasticité Rp0,2 est obtenu avec une teneur minimum de 0,4%, 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 entre 0,1 et 0,3 % en poids pour améliorer résistance mécanique et formabilité. Il peut être avantageux de réaliser l’addition d’une quantité de fer comprise entre 0,05 et 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 entre 0,05 et 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, Yt et Li, la quantité dudit élément s’il est choisi étant de 0,01 – 0,05 pour Na, Ca, Sr, Ba, Yt 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, Yt 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 entre 0,01 et 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 entre 0,01 et 0,05%, préférentiellement entre 0,01 et 0,03 % en poids.
La teneur en titane est comprise entre 0 et 0,2 % en poids. Avantageusement on réalise l’addition d’une quantité de titane comprise entre 0,01 et 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 est en alliage de la série 4XXX. Préférablement cet alliage contient des scraps selon la norme EN 12258-3.
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, le tournures définis selon EN12258-3.
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.
Préférérablement, 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 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 CO2par tonne de plaque compte tenu de l’utilisation d’anode en Carbone. En Europe, l’empreinte Carbone typique pour une tonne de plaque d’aluminium d’électrolyse est de 7 à 8 tonnes de CO2 compte du mixte énergétique. L’empreinte Carbone d’une tonne de plaque obtenue avec uniquement des alliages d’aluminium de recyclage est de 0,5 t de CO2par plaque.
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 exclusivement avec des chutes et des déchets de véhicule hors d’usage. Il est nécessaire d’utiliser des lingots et 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 selon l’invention, est préférentiellement inférieure à 4 tonnes de CO2 par tonne de plaque, préférentiellement inférieure à 2 tonnes de CO2par tonne de plaques, plus préférentiellement entre 1 et 0,5t de CO2 par tonne de plaque.
Préférentiellement, la coulée de la plaque est réalisée par coulée semi continue verticale.
Préférentiellement, la plaque est ensuite scalpée pour enlever la couche corticale.
La plaque est ensuite homogénéisée, préférentiellement réchauffée à une température d’au moins 540°C pendant 1,5 heures, préférentiellement 550°C pendant au moins 4 heures.
La plaque est ensuite laminée à chaud jusqu’à une épaisseur préférentielle entre 3 et 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.
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 1°C/s, préférentiellement 5°C/s. La tôle mince est ensuite préférentiellement bobinée à une température entre 50 et 100°C, préférentiellement entre 60 et 80°C.
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 entre 200 et 250°C pendant une durée entre 15 et 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 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.
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 , 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 pour les courbes de contraintes et de déformations. Le matériau dénommé A0 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 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 , l’augmentation de la limite d’élasticité Rp0,2 permet d’alléger le fond de bac batteries en l’amincissant entre 6% et 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.
A1, A9 A2 A3 A0 A4, A6, A8 A7 A10
déformations [-] contraintes [MPa] déformations [-] contraintes [MPa] déformations [-] contraintes [MPa] déformations [-] contraintes [MPa] déformations [-] contraintes [MPa] déformations [-] contraintes [MPa] déformations [-] contraintes [MPa]
0.000 280 0.000 380 0.000 300 0.000 277 0.000 330 0.000 480 0.000 255
0.001 296 0.001 397 0.001 302 0.001 278 0.001 346 0.001 497 0.001 257
0.002 301 0.002 402 0.002 304 0.002 279 0.002 350 0.002 501 0.002 258
0.002 303 0.002 405 0.002 305 0.002 279 0.002 353 0.002 504 0.002 258
0.003 306 0.003 408 0.003 306 0.003 280 0.003 355 0.003 507 0.003 259
0.004 313 0.004 415 0.004 310 0.004 282 0.004 362 0.004 514 0.004 262
0.006 321 0.006 424 0.006 317 0.006 285 0.006 370 0.006 522 0.006 265
0.010 331 0.010 434 0.010 326 0.010 289 0.010 379 0.010 532 0.010 271
0.016 342 0.016 446 0.016 342 0.016 297 0.016 390 0.016 544 0.016 279
0.025 355 0.025 460 0.025 365 0.025 308 0.025 402 0.025 557 0.025 290
0.040 369 0.040 474 0.040 397 0.040 324 0.040 416 0.040 572 0.040 304
0.063 383 0.063 490 0.063 438 0.063 345 0.063 430 0.063 586 0.063 319
0.100 397 0.100 505 0.100 484 0.100 370 0.100 443 0.100 601 0.100 334
0.150 408 0.150 517 0.150 519 0.150 391 0.150 454 0.150 613 0.150 344
0.200 415 0.200 524 0.200 537 0.200 403 0.200 461 0.200 620 0.200 347
0.250 420 0.250 529 0.250 546 0.250 410 0.250 465 0.250 624 0.250 349
0.300 423 0.300 532 0.300 550 0.300 414 0.300 469 0.300 628 0.300 350
0.400 427 0.400 537 0.400 553 0.400 417 0.400 473 0.400 632 0.400 350
0.500 430 0.500 540 0.500 554 0.500 417 0.500 475 0.500 635 0.500 350
0.600 431 0.600 541 0.600 554 0.600 418 0.600 477 0.600 636 0.600 350
0.700 432 0.700 542 0.700 554 0.700 418 0.700 478 0.700 637 0.700 350
0.800 433 0.800 543 0.800 554 0.800 418 0.800 478 0.800 638 0.800 350
0.900 434 0.900 544 0.900 554 0.900 418 0.900 479 0.900 639 0.900 350
1.000 434 1.000 544 1.000 554 1.000 418 1.000 479 1.000 639 1.000 349
E (Gpa) R0,2 (Mpa) Epaisseur Allégement
A0 70 280 3.2 0%
A1 70 300 3 6%
A2 70 400 2.75 14%
A3 70 300 3 6%
A4 70 350 2.8 13%
A5 70 500 2.6 19%
invention A6 80 350 2.6 19%
invention A7 80 500 2.4 25%
invention A8 100 350 2.4 25%
invention A9 80 300 2.8 13%
invention A10 80 260 3 6%
E (Gpa) R0,2 (Mpa) Epaisseur Allégement par rapport A0 Effet de l’augmentation du module d’élasticité
A0 70 280 3.2 0.0%
A10 80 260 3 6.3% 6.3%
A3 70 300 3 6.3%
A9 80 300 2.8 12.5% 6.3%
A4 70 350 2.8 12.5%
A6 80 350 2.6 18.8% 6.2%
A6 80 350 2.6 18.8%
A8 100 350 2.4 25.0% 6.3%
A5 70 500 2.6 18.8%
A7 80 500 2.4 25.0% 6.3%

Claims (17)

  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 en d’usage, préférablement au moins 50% ; plus préférablement au moins 80%.
  4. 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.
  5. Tôle mince selon la revendication 4 dont l’alliage 4XXX contient des scraps, préférablement des chutes ou des déchets provenant de véhicules en d’usage, préférablement au moins 50% ; plus préférablement au moins 80%.
  6. Tôle mince selon l’une des revendications 4 à 5 caractérisé en ce que sa composition 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, Yt et Li, la quantité dudit élément s’il est choisi étant de 0,01 – 0,05 pour Na, Ca, Sr, Ba Yt 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.
  7. Tôle mince selon la revendication 6 caractérisée en ce que Si : 11 – 13 % en poids.
  8. Tôle mince selon l’une quelconque des revendications 6 à 7 caractérisée en ce que la teneur en Cu est au minimum de 0,25% en poids, préférentiellement 0,4 – 0,8%, en poids, préférentiellement 0,5-0,7% en poids.
  9. Tôle mince selon une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisée en ce que Fe : 0,1 – 0,3 % en poids.
  10. Tôle mince selon une quelconque des revendications 6 à 9 caractérisée en ce que Mn : 0,05 – 0,2 % en poids.
  11. Tôle mince selon une quelconque des revendications 6 à 10 caractérisée en ce que Mn : < 0,05 % en poids.
  12. Tôle mince selon une quelconque des revendications 6 à 11 caractérisée en ce que Sr : 0,01 – 0,05 % en poids.
  13. Tôle mince selon une quelconque des revendications 6 à 12 caractérisée en ce que Cr : 0,01 – 0,05 % en poids et/ou Ti 0,01 – 0,15 % en poids.
  14. Tôle mince selon l’une quelconque des revendication 4 à 13 caractérisé 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.
  15. Fond de bac batteries fait avec une tôle mince selon l’une quelconque des revendication 4 à 14.
  16. Procédé de fabrication de la tôle mince selon l’une quelconque des revendication 4 à 14 comprenant les étapes successives suivantes
    1. Fabrication d’une plaque de fonderie caractérisé en ce que l’empreinte Carbone de la fabrication d’une plaque de laminage nécessaire à la fabrication de la tôle mince est inférieure à 4 tonnes de CO2par plaque, préférablement inférieur à 2 tonnes de CO2par plaque,
    2. Homogénéisation,
    3. Laminage à chaud,
    4. Laminage à froid,
    5. Mise en solution à une température d'au moins 500°C puis trempée avec une vitesse d’au moins 1°C/s.
  17. Procédé selon la revendication 16 comprenant les étapes supplémentaires de mise en forme en fond de bac batteries puis traitement thermique du fond de bac batteries 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 est au moins 315 MPa, préférentiellement au moins 320MPa, plus préférentiellement au moins 330MPa, plus préférentiellement au moins 350MPa, plus préférentiellement au moins 400MPa.
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