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CN114421074A - 一种轻量化汽车电池托盘及其短流程制造方法 - Google Patents

一种轻量化汽车电池托盘及其短流程制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种轻量化汽车电池托盘及其短流程制造方法。托盘一体化高压铸造成型，电池托盘包括底板，吊耳，防护壁，输出框和法兰边；底板上设有前梁、中梁和后梁，底板正面周围设有防护壁，防护壁边缘设有平滑连接的法兰边，防护壁上开设有用于装配冷却和外接电路系统的输出框；底板外周设有吊耳，与中梁两端相对应的位置分别设有一个双吊耳，与前梁两端相对应的位置分别设有一个单吊耳，侧防护壁所在的边上均布两个单吊耳，后梁相对应的边上均布四个单吊耳，使用吊耳将电池托盘和车体连接。本发明采用了短流程一体化成型与轻量化的结构，能够减轻电池托盘的重量、缩短加工流程、提高经济效益与节能效益。

Description

一种轻量化汽车电池托盘及其短流程制造方法
技术领域
本发明属于汽车零部件领域，具体涉及一种轻量化汽车电池托盘及其短流程制造方法。
背景技术
新能源汽车采用清洁燃料作为动力来源，其中产量最大、发展最为迅速的是电动汽车，但在电动新能源汽车发展的过程中也遇到了一些瓶颈。随着消费者对新能源汽车续航要求的不断提高，也出现了续航里程与轻量化的矛盾：一方面电池容量增加，电池包重量变得越来越大；另一方面，为了降低能耗，提升续航能力，需要对其进行减重。面对此矛盾，对起着电池包总成包裹、支撑作用的金属电池托盘进行轻量化技术研究刻不容缓。
现有新能源汽车电池托盘的加工方式大多是用铝合金型材直接焊接成形或先通过低压铸造预成形框架后再焊接底板来制造。该成型加工方式存在生产周期长、加工工部多、能耗大的缺点，增加了生产成本，也限制了产能进一步提升。同时，现有电池托盘框架含有起底板支撑作用的中间细梁、便于装配上盖的外延法兰边，还有大量的加强筋、过于厚大的吊耳结构，这些结构虽然在一定程度上起到了保证托盘整体强度、便于与新能源汽车装配的作用，但是冗余的材料也增加了成本和能耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻量化汽车电池托盘及其短流程制造方法，它与现有新能源汽车电池托盘和现有生产方法相比，采用了短流程一体化成型的技术与轻量化的结构，能够减轻电池托盘的重量、缩短加工流程、提高经济效益和社会效益，节约能源。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种轻量化汽车电池托盘，所述托盘一体化高压铸造成型，电池托盘包括底板，吊耳，防护壁，输出框和法兰边；
底板上设有前梁、中梁和后梁，底板正面周围设有防护壁，防护壁边缘设有平滑连接的法兰边，防护壁上开设有用于装配冷却和外接电路系统的输出框；
底板外周设有吊耳，与中梁两端相对应的位置分别设有一个双吊耳，与前梁两端相对应的位置分别设有一个单吊耳，侧防护壁所在的边上均布两个单吊耳，后梁相对应的边上均布四个单吊耳，使用吊耳将电池托盘和车体连接。
进一步的，前梁、中梁和后梁上均设有用于固定电池模组的螺纹孔凸台。
进一步的，前梁和防护壁之间的底板上设有单边、直角三角形、等边三角形、直角三角形、单边的对称分布的加强筋；每根加强筋高度为11±2mm、边缘倒圆角半径为2±0.5mm，靠近吊耳处加强筋和防护壁之间设有倒三角加强肋。
进一步的，底板后梁和防护壁之间设有加强筋，加强筋设置在四个吊耳处和中间位置，四个吊耳处加强筋为倒梯形结构，拔模斜度为1±0.1°，中间位置为等腰三角加强筋。
进一步的，前梁、后梁的各螺纹孔凸台之间设有补缩通道形成的加强筋；
中梁上各螺纹孔凸台之间设有补缩通道形成的加强筋，且用于与电池模组连接的螺纹孔凸台与中梁边缘设有由补缩通道形成的加强筋，中梁对应设有电池模组连接的螺纹孔凸台的边缘厚于其他边缘的厚度，中梁的边缘呈现薄厚交替设置。
进一步的，双吊耳的侧壁与中间壁的拔模斜度均为15±0.5°，侧壁厚度为5±0.1mm，底面厚度为5.8±0.1mm；
单吊耳的侧壁厚度、底面厚度、拔模斜度均与双吊耳一致。
进一步的，防护壁最低处高度为25±0.5mm，前端隆起最高处高度为114±1mm；
输出框结构的主框是电池模组的元器件接口输出位置，防爆阀外连接可开启泄压的阀门，当内部过热时，防爆阀自动开启，降低新能源汽车电池包系统的内压力，接地头与汽车内电路接地线相连。
进一步的，电池托盘法兰边采用10±0.2mm窄法兰边，电池包上盖与法兰边之间封涂一层软胶垫。
进一步的，托盘的材料采用ADC12铝合金材料；
ADC12铝合金材料各元素组分含量百分比为：硅9.6～12.0，铜1.5～3.5，镁≤0.3，铁≤1.3，锌≤1.0，锶≈0.05，铝余量；
ADC12铝合金的标准抗拉强度可达到269.5Mpa，标准屈服强度可达230Mpa，密度为2.66～2.70g/cm3，泊松比为0.33。
一种制备上述的电池托盘的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：涉及浇注系统，浇注系统包括料饼、流道、内浇口、溢流槽，其中料饼外连接高压铸造机压室，是高压铸造的起始部位，流道、内浇口是浇注金属液进入铸件型腔的通道；
步骤(2)：铝合金原料经过熔炼、元素掺杂、排气、除渣过程得到质量稳定的ADC12铝合金金属液；
步骤(3)：经过管道传送、周转包运输，铝合金金属液进入高压铸造设备储液仓，搅拌均匀后流入压室；
步骤(4)：高压铸造压室中的金属液在增压机产生的压力作用下以0.2～0.25m/s的速度流至料饼位置，经过一次增压以7～8m/s的速度通过流道到达内浇口位置，再经过二次增压以35～38m/s的速度自内浇口快速喷出，并以1.5～2m/s的速度填充铸件型腔；
步骤(5)：铸件型腔填充结束后继续保持60～65兆帕压力120～125s，直至电池托盘铸件完全凝固，凝固后的电池托盘由模具顶杆顶出铸件型腔后进入机加工生产线。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
本发明的轻量化电池托盘通过使用简单加强筋、无支撑细梁、窄法兰边、薄壁吊耳的结构可以得到强度充足、重量较轻的电池托盘，该电池托盘与现有搭载同类电池模组的托盘相比可减重15％。
本发明的电池托盘使用了ADC12铝合金材料，在添加0.05％的Sr的情况下，ADC12铝合金较现有电池托盘广泛使用的A356铝合金在液态下有更好的流动性，在固态下有更高的抗拉强度与屈服强度。
轻量化的电池托盘还需要使用短流程、一体化高压铸造的成型方式生产，ADC12金属液在35～38m/s的速度下快速充型铸件型腔、一体化成型，相比于使用传统低压铸造托盘框架、焊接底板的生产方式具有三点优势：一是更有利于实现底板、防护壁的薄壁部位的完整充型，消除冷隔缺陷；二是托盘在60～65兆帕的较高压力下凝固，其合金组织较为细密、力学性能更加良好；三是一体化成型代替多步骤加工可以降低生产成本，提高生产效率。
附图说明
图1为本发明的电池托盘三维示意图。
图2为本发明的电池托盘正面示意图。
图3为本发明的电池托盘背面示意图。
图4为本发明的吊耳示意图。
图5为本发明的防护壁及输出框示意图。
图6为本发明的法兰边示意图。
图7为数值模拟电池托盘不同工况下受力情况；其中(a)为静态力，(b)为随机振动，(c)为急刹车工况，(d)为急转弯工况。
图8为高压铸造电池托盘浇注示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-8所示，一种轻量化汽车电池托盘及其短流程高压铸造方法，它与现有新能源汽车电池托盘以及与现有生产方法相比，采用了短流程一体化成型的技术与轻量化的结构，能够减轻电池托盘的重量、缩短加工流程、提高经济效益与节能效益。
电池托盘结构包括底板正面1、底板背面2、吊耳3、防护壁4、输出框5和法兰边6。
电池托盘底板正面1结构如图2所示，图中虚线方框为新能源汽车适配电池模组，共搭载五组串联电池组并配有外接口，其安装方式为：电池模组通过底板101的螺纹孔安装在电池托盘上，由于电池组较细长，还需要在底板中部通过安装定位销固定安装结构，另外电池模组的冷却系统与外接结构通过输出框输出。底板前端的加强筋设置为单边、直角三角形、等边三角形、直角三角形、单边的对称分布结构：设置每根加强筋高度为11mm、边缘倒圆角半径为2mm，由于靠近吊耳处加强筋受力较大，在加强筋结构上增加倒三角加强肋进一步保证强度，边缘位置使用单边加强筋在保证强度的同时不会增加过多重量。底板后端的加强筋设置在四个吊耳处和中间位置：四个吊耳处加强筋为倒梯形结构，拔模斜度为1±0.1°，该结构除了加强托盘的强度外还可形成补缩通道，铸造成型时对电池托盘的吊耳壁厚部位进行补缩；中间三角加强筋则主要起到增加托盘强度的作用，是后梁的主要支撑。
电池托盘底板背面2结构如图3所示，将前梁201、后梁203的各螺纹孔凸台使用补缩通道连接，既可以补缩较厚的螺纹凸台，减少成型后的缩孔缩松缺陷，又可以起到加强筋作用增加托盘强度。中梁202处采用设置螺纹凸台补缩通道与薄厚交错边缘结合的结构，该结构一方面可以补缩螺纹孔及壁厚部位，另一方面可代替现有电池托盘中梁与前、后梁间的中间细梁来承担电池模组重量。
电池托盘吊耳3结构如图3-4所示，采用中梁左右各1个双吊耳和8个单吊耳的设计。双吊耳302的侧壁与中间壁拔模斜度均为15±0.5°，侧壁厚度为5±0.1mm，底面厚度为5.8±0.1mm；单吊耳303的侧壁厚度、底面厚度、拔模斜度均与双吊耳302保持一致。设计电池托盘通过双吊耳、单吊耳的螺栓孔装配在新能源汽车底盘下方。
电池托盘的防护壁4与输出框5结构如图1、图5所示，防护壁为电池托盘承载电池模组的外壁。防护壁4采用前端隆起设计开设输出框5以便装配冷却与外接电路系统，电池托盘的防护壁在底面最低处高度为25±0.5mm，前端隆起最高处高度为114±1mm。输出框结构的主框501是电池模组的元器件接口输出位置，它提供输出电路的通道并与发动机连接；防爆阀502外连接可开启泄压的阀门，当内部过热时，防爆阀自动开启，降低新能源汽车电池包系统的内压力；接地头503与汽车内电路接地线相连，防止特殊情况下电池包损坏、电池漏电时乘客触电的危险。
电池托盘法兰边结构6如图6所示，采用10±0.2mm窄法兰边替代现有电池托盘的长外延法兰边，在法兰边上设置M6螺纹孔用于装配603电池包上盖，为增强电池托盘内部密闭性，电池包上盖603与法兰边6之间封涂一层软胶垫602。
轻量化的电池托盘设计后需要按照行业接收标准与《GB38031—2020》文件中关于M1、N1类车辆电池托盘的质检标准进行相关检验，质检文件要求电池托盘的屈服强度不小于90Mpa，即各工况下产生的最大应力不应超过90Mpa。使用ANSYS Workbench软件数值模拟检验结果如图7所示：静态下最大Von—mises应力为68.5Mpa，小于屈服强度；3Sigma检验法模拟的随机振动最大应力为21.48Mpa，远小于屈服强度；急刹车特殊工况、急转弯特殊工况下的最大应力分别为68.478Mpa、68.576Mpa，1.3倍应力小于屈服强度，轻量化托盘结构强度合格。
一体化成型高压铸造的电池托盘及其浇注系统7如图8所示，浇注系统由料饼701、流道702、内浇口703、溢流槽704四部分组成，其中料饼701外连接高压铸造机压室，是高压铸造的起始部位，流道702、内浇口703是浇注金属液进入铸件型腔的通道，溢流槽704的作用是排除多余气体、去除模具内杂物(集渣)、补缩电池托盘铸件、提高托盘成型质量。
高压铸造成型过程为：
1)铝合金原材料经过熔炼、元素掺杂、排气、除渣过程得到质量稳定的ADC12铝合金金属液；
2)经过管道传送、周转包运输，铝合金金属液进入高压铸造设备储液仓，搅拌均匀后流入压室；
3)高压铸造压室中的金属液在增压机产生的压力作用下以0.2～0.25m/s的速度流至料饼701位置，经过一次增压以7～8m/s的速度通过流道702到达内浇口703位置，再经过二次增压以35～38m/s的速度自内浇口703快速喷出，并以1.5～2m/s的速度填充铸件型腔。
4)铸件型腔填充结束后继续保持60～65兆帕压力120～125s，直至电池托盘铸件完全凝固并确保其充分冷却硬化，凝固后的电池托盘由模具顶杆顶出铸件型腔后进入机加工生产线。

Claims (10)

1.一种轻量化汽车电池托盘，其特征在于，所述托盘一体化高压铸造成型，电池托盘包括底板，吊耳(3)，防护壁(4)，输出框(5)和法兰边(6)；
底板上设有前梁(201)、中梁(202)和后梁(203)，底板正面边缘设有防护壁(4)与法兰边(6)，防护壁(4)和法兰边(6)平滑连接，防护壁(4)上开设有用于装配冷却和外接电路系统的输出框(5)；
底板外周设有吊耳，与中梁两端相对应的位置分别设有一个双吊耳，与前梁两端相对应的位置分别设有一个单吊耳，侧防护壁所在的边上均布两个单吊耳，后梁相对应的边上均布四个单吊耳，使用吊耳将电池托盘和车体连接。
2.根据权利要求1所述的电池托盘，其特征在于，前梁(201)、中梁(202)和后梁(203)上均设有用于固定电池模组的螺纹孔凸台。
3.根据权利要求2所述的电池托盘，其特征在于，前梁和防护壁之间的底板上设有单边、直角三角形、等边三角形、直角三角形、单边的对称分布的加强筋；每根加强筋高度为11±2mm、边缘倒圆角半径为2±0.5mm，靠近吊耳处加强筋和防护壁之间设有倒三角加强肋。
4.根据权利要求3所述的电池托盘，其特征在于，底板后梁和防护壁之间设有加强筋，加强筋设置在四个吊耳处和中间位置，四个吊耳处加强筋为倒梯形结构，拔模斜度为1±0.1°，中间位置为等腰三角加强筋。
5.根据权利要求4所述的电池托盘，其特征在于，前梁(201)、后梁(203)的各螺纹孔凸台之间设有补缩通道形成的加强筋；
中梁(202)上各螺纹孔凸台之间设有补缩通道形成的加强筋，且用于与电池模组连接的螺纹孔凸台与中梁边缘设有由补缩通道形成的加强筋，中梁(202)对应设有电池模组连接的螺纹孔凸台的边缘厚于其他边缘的厚度，中梁(202)的边缘呈现薄厚交替设置。
6.根据权利要求5所述的电池托盘，其特征在于，双吊耳(302)的侧壁与中间壁的拔模斜度均为15±0.5°，侧壁厚度为5±0.1mm，底面厚度为5.8±0.1mm；
单吊耳(303)的侧壁厚度、底面厚度、拔模斜度均与双吊耳(302)一致。
7.根据权利要求6所述的电池托盘，其特征在于，防护壁(4)最低处高度为25±0.5mm，前端隆起最高处高度为114±1mm；
输出框(5)结构的主框(501)是电池模组的元器件接口输出位置，防爆阀(502)外连接可开启泄压的阀门，当内部过热时，防爆阀自动开启，降低新能源汽车电池包系统的内压力，接地头(503)与汽车内电路接地线相连。
8.根据权利要求7所述的电池托盘，其特征在于，电池托盘法兰边(6)采用10±0.2mm窄法兰边，电池包上盖与法兰边之间封涂一层软胶垫。
9.根据权利要求8所述的电池托盘，其特征在于，托盘的材料采用ADC12铝合金材料；
ADC12铝合金材料各元素组分含量百分比为：硅9.6～12.0，铜1.5～3.5，镁≤0.3，铁≤1.3，锌≤1.0，锶≈0.05，铝余量；
ADC12铝合金的标准抗拉强度可达到269.5Mpa，标准屈服强度可达230Mpa，密度为2.66～2.70g/cm3，泊松比为0.33。
10.一种制备权利要求1-9任一项所述的电池托盘的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：涉及浇注系统，浇注系统包括料饼(701)、流道(702)、内浇口(703)、溢流槽(704)，其中料饼(701)外连接高压铸造机压室，是高压铸造的起始部位，流道(702)、内浇口(703)是浇注金属液进入铸件型腔的通道；
步骤(2)：铝合金原料经过熔炼、元素掺杂、排气、除渣过程得到质量稳定的ADC12铝合金金属液；
步骤(3)：经过管道传送、周转包运输，铝合金金属液进入高压铸造设备储液仓，搅拌均匀后流入压室；
步骤(4)：高压铸造压室中的金属液在增压机产生的压力作用下以0.2～0.25m/s的速度流至料饼(701)位置，经过一次增压以7～8m/s的速度通过流道(702)到达内浇口(703)位置，再经过二次增压以35～38m/s的速度自内浇口(703)快速喷出，并以1.5～2m/s的速度填充铸件型腔；
步骤(5)：铸件型腔填充结束后继续保持60～65兆帕压力120～125s，直至电池托盘铸件完全凝固，凝固后的电池托盘由模具顶杆顶出铸件型腔后进入机加工生产线。
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