CN109802068A - 一种耐撞及抗穿刺的电池包外壳结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐撞及抗穿刺的电池包外壳总成，包括电池包外壳底板(1)、外壳侧壁(2)、电池包上盖(3)、密封端盖(5)，其特征在于：外壳侧壁(2)和电池包外壳底板(1)为中空结构，中空结构的空腔(101)为填充夹层提供了空间。电池包外壳底板(1)上设置有底板螺栓孔(102)，底板螺栓孔(102)用于电池模组及控制单元的安装固定；填充夹层具有负泊松比层芯，负泊松比层芯与空腔壁之间的连接采用胶接形式，层芯(6)的负泊松比性质通过星形结构形成。该发明中负泊松比层芯的应用进一步改善了电池包外壳在碰撞与挤压中的吸能特性，提高了防撞能力，同时使电池包外壳具备了一定的抗穿刺能力和抗压痕能力。

Description

一种耐撞及抗穿刺的电池包外壳结构

技术领域

本发明涉及新能源汽车领域，尤其涉及一种耐撞及抗穿刺的电池包外壳结构。

背景技术

新能源汽车由于其节能环保的特性，近年来得到了各界的高度重视。其中，纯电动汽车作为主要的新能源汽车类型，更是在工程技术与市场推广方面取得了巨大的进步。从长远来看，纯电动汽车在未来较长时间内仍将是汽车领域的重要发展方向之一，值得投入更多、更深入的研究。

在纯电动汽车中，动力电池包是动力系统的主体，更是整车的核心部件之一。电池包外壳具有固定电池模组、保护电芯、隔绝密封、吸收碰撞能量等重要作用，必须保证电池包在碰撞事故中不起火、不开裂、不漏液，避免二次伤害，因此需要对电池包外壳进行精确地设计与反复的校核。在汽车工程及其他机械工程领域，为了使结构具有更高的耐撞性及抗穿刺特性，工程师们往往会采用带夹层的三明治结构。目前尚未有将带夹层的空腔薄板应用于电池包外壳的先例，特别是具有优秀吸能特性与变形特性的负泊松比夹层结构。预计这种负泊松比夹层的动力电池包外壳将极大地提高电池包的碰撞吸能能力和抗穿刺能力，在新能源汽车领域具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种电池包外壳，使其在满足一般承载需求的同时，还具有较好的刚度、强度性能和一定的溃缩吸能特性。

本发明提供了一种耐撞及抗穿刺的电池包外壳总成，包括电池包外壳底板、外壳侧壁、电池包上盖、密封端盖，其中：外壳侧壁和电池包外壳底板为中空结构，中空结构的空腔为填充夹层提供了空间。电池包外壳底板上设置有底板螺栓孔，底板螺栓孔用于电池模组及控制单元的安装固定；填充夹层具有负泊松比层芯，负泊松比层芯与空腔壁之间的连接采用胶接形式，层芯的负泊松比性质通过星形结构形成，星形结构包括四角星形的功能构件及连接立柱；

在2维平面中，功能构件包括第一构件、第二构件、第三构件、第四构件、第五构件、第六构件、第七构件和第八构件，其中第一构件与第二构件组成一个锐角；第三构件与第四构件组成一个锐角；第五构件与第六构件组成一个锐角；第七构件与第八构件组成一个锐角；第一构件与第八构件组成一个内凹的钝角；第六构件与第七构件组成一个内凹的钝角；第四构件与第五构件组成一个内凹的钝角；第二构件与第三构件组成一个内凹的钝角；在每个钝角处设置有向外延伸的第一立柱、第二立柱、第三立柱、第四立柱；

相邻的星形结构通过第一立柱、第二立柱、第三立柱或第四立柱进行连接，构成在同一平面内有序排列的负泊松比性质的层芯。

本发明的有益效果在于：

1.整体强度及抗弯抗扭能力更强，提高了电池包外壳的承载能力和轻量化效果。电池包外壳的底板和侧壁采用铝合金挤压成型工艺制成，为薄壁空腔结构，并在空腔内嵌入负泊松比夹层。中空的铝合金型材板相比于单层板设计方案，具有更高的抗弯抗扭能力，因而能够实现电池包总成的减重，轻量化性能更优。

2.带层芯的三明治结构一般具有较高的吸能能力，提高了电池包总成的防撞能力。此外，具有负泊松比性质的层芯相较于普通泡沫芯具有更好的吸能效果。碰撞过程中，在相同压溃程度下，带有负泊松比夹层的结构能够吸收更多能量，约为无夹层结构的1.5倍，为普通泡沫铝芯芯三明治结构的1.25倍；同时，碰撞过程中碰撞力更为平缓，能够有效改善瞬时加速度过大的现象。这些特性源于其压溃过程中相对较高的应力曲线平台，使得结构在碰撞过程中能够较平稳地吸收更多的能量。

3.具有一定的抗穿刺能力，提高了电池包外壳的密闭性。负泊松比材料具有“受压-横向收缩”的特性，即在局部受压时，材料会向受压部位聚集，进而对这一区域进行了较大程度的加强。而普通材料在局部受压时，材料会向四周扩散，随着载荷的增加，受压区域将会越来越薄弱。因而采用负泊松比夹层的层芯可以在极大地程度上提高电池包外壳的康穿透能力，保证电池包总成的密闭性和安全性。

4.具备局部抗凹陷与抗压痕能力，提高了电池包外壳的稳定性。抗凹陷与抗压痕能力的原理与所述抗穿刺原理相同：局部受压时，负泊松比夹层向受压位置聚集，对局部进行了加强。

5.电池包外壳下壳体采用了铝合金挤压成型工艺，底板和侧壁为薄壁中空的结构形式，相比于单层板结构提高了抗弯、抗扭能力，同时为层芯的铺放提供了合适的空间。

6.将层芯嵌入底板和侧壁的空腔中，构成一种三明治结构，提高了电池包外壳的吸能、防撞能力，对内部电池模组能够提供更好的保护，保证了电池包总成在碰撞、挤压等事故中的安全性。

7.采用具有负泊松比性质的泡沫层芯，负泊松比性质通过内凹六边形或三维双箭头形等微结构来实现。负泊松比层芯的应用进一步改善了电池包外壳在碰撞与挤压中的吸能特性，提高了防撞能力，同时使电池包外壳具备了一定的抗穿刺能力和抗压痕能力。

附图说明

图1是电池包外壳总成结构示意图；

图2是未嵌入层芯的电池包外壳剖视图；

图3是带负泊松比夹层的电池包外壳剖视放大示意图；

图4是星形负泊松比微结构示意图；

图5是星形负泊松比微结构单胞仿真验证结果；

图6是微结构堆积方式示意图；

图7是负泊松比层芯与普通层芯的应力应变曲线对比示意图。

其中：1-外壳底板，2-外壳侧壁，3-电池包上盖，4-支座吊耳，5-密封端盖，101-内部空腔，102-底板的螺栓安装孔，6-负泊松比层芯，701～708-负泊松比单胞的星形结构功能构件，801～804-负泊松比材料单胞间的连接柱。

具体实施方式

以下结合附图1-6对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，该实施例提供了一种耐撞及抗穿刺的电池包外壳总成，包括电池包外壳底板1、外壳侧壁2、电池包上盖3、吊耳4，密封端盖5及其他连接件，如螺栓等。

如图2所示，外壳侧壁2和电池包外壳底板1为中空结构，所述中空结构为图2所示空腔101。空腔101为填充夹层提供了合适的空间。电池包外壳底板1上设置有底板螺栓孔102，底板螺栓孔102用于电池模组及控制单元的安装固定。吊耳4用于电池箱与车身之间的连接，通过螺栓及定位销进行连接。为保证电池箱的气密性及防水性，需要对侧壁2的空腔进行密封，为此，由耐腐蚀塑料或橡胶制成的密封端盖5被用于侧壁端部开口的密封。填充夹层是一种具有负泊松比性质的夹层，通过某种微结构实现。为更清晰地说明，后续将在图3中给出局部剖视放大图，并在图4-6中详细地说明其构造原理及性能特点。

电池包外壳底板1和外壳侧壁2通过铝合金挤压成型工艺制成，外壳侧壁2与底板之间通过焊接的方式进行连接，外壳侧壁2与底板构成下箱体，为电池包主要承重结构，同时也是碰撞或冲击工况下起保护作用的主要部件。

上盖3采用铝合金冲压成型工艺制成，承受的载荷较小，主要起密封作用。在电池包外壳底板1及外壳侧壁2的空腔内嵌入有负泊松比性质的层芯6，层芯6起加强作用，能够在碰撞中吸收更多能量，并使电池包外壳具备了一定的抗穿刺特性。

负泊松比层芯与空腔壁之间的连接采用胶接形式，形成内外壁和层芯6组成的三明治结构，如图3所示为带负泊松比层芯的电池包外壳底板的局部剖视图。

层芯6的负泊松比性质通过如图4及图6所示的结构实现，这种结构被称为星形结构。图4-a，4-b所示为构成这种结构的单胞，即结构中可重复的最小单元，其中三维单胞可进一步拆分成xy，yz，xz三个平面上的二维单胞。

对于二维平面的情况，4-a所示平面二维单胞在图6中的x、z方向上规则、紧密地排列形成平面2维负泊松比结构，即6-a所示结构。

对于三维空间的情况，负泊松比结构可由图4-b所示单胞在x、y、z方向上规则紧密地排列得到，即6-b所示结构。

为详细说明单胞的构成及原理，下面以平面二维情况为例进行必要的补充说明：该类型单胞由功能构件701～708及连接立柱801～804两部分组成。所述功能构件是八个形状尺寸相同或对称的微小柱状实体。其中，第一构件701、第二构件702、第三构件703、第四构件704、第五构件705、第六构件706、第七构件707和第八构件708组成一个四角星形，故将该结构命名为星形结构。其中第一构件701与第二构件702组成一个锐角；第三构件703与第四构件704组成一个锐角；第五构件705与第六构件706组成一个锐角；第七构件707与第八构件708组成一个锐角；

第一构件701与第八构件708组成一个内凹的钝角；第六构件706与第七构件707组成一个内凹的钝角；第四构件704与第五构件705组成一个内凹的钝角；第二构件702与第三构件703组成一个内凹的钝角。

为保证微结构在空间中的规则排列，四个锐角及四个钝角分别取相同值。微结构的负泊松比效应大小由这两个夹角值确定，优选地，本实施例采用但不限于如下取值：锐角取20°，钝角取110°。

第一立柱801、第二立柱802、第三立柱803、第四立柱804四个立柱分别固定在所述的四个钝角的角点上；四个立柱的作用是将各个微结构单胞相互连接，并传递力或力矩。

本实施例通过有限元仿真的方法验证了此类星形单胞的负泊松比效应。如图5所示，在Z向(按图6所示坐标)的两个立柱上施加压力后，单胞的Z向与X向尺寸同时收缩。本实施例的方案中，微结构单胞的负泊松比系数为-0.63，负泊松比效应明显。

单胞之间完全通过所述立柱进行力与力矩的传递。例如层芯在Z向受压时，所有Z向立柱承受压应力，所有X向立柱承受拉应力，最终使得夹层在宏观上表现为Z向与X向同时收缩，即负泊松比效应。同理，若在某一方上施加拉力，则夹层在受力方向和垂向都会发生拉伸。

所述负泊松比微结构通常采用3D打印工艺或注塑工艺制造成型，实际使用中，根据夹层材料的不同和设计要求的不同，合理选择成型工艺。

将所述负泊松比夹层通过胶接的方式嵌入电池包底板与侧板的空腔内，组成三明治结构。发明的电池包外壳具备优良的吸能防撞能力、抗穿刺能力和局部抗凹陷能力，具体工作原理如下：

1.负泊松比夹层相比于普通材料和普通泡沫芯，在压溃中具有更高的应力平台，因而在碰撞与冲击载荷下，可以吸收更多的能量，从而对电池模组和电池包总成提供更好的保护。如图6所示为负泊松比材料与普通蜂窝材料在压溃过程中，应力-应变曲线对比。

从图中可以看出：

(1)在压溃过程中的线弹性阶段，即图五所示曲线a、b的前半段，负泊松比材料与普通蜂窝材料的吸能特性基本吻合，略低于普通蜂窝材料。

(2)在稳定吸能阶段，即图五所示应力平台阶段，负泊松比材料具有更高的应力平台，吸能量更大。

(3)在随后的密实化阶段，普通蜂窝材料的蜂窝结构被逐渐压溃，出现一次强化，表现为应力-应变曲线突变，如图五所示a曲线右半段。而负泊松比材料在被压溃时，首先是内凹六边形结构(或双箭头形等其他结构)被压溃，进而失去了负泊松比性质，此时材料内仍存在一定的空腔，转变为普通蜂窝材料；继续受压时，剩余的空腔被压溃，应力应变曲线经历第二次突变，如图五所示曲线b的右半段。

这一特性使得负泊松比材料在碰撞中吸能段相对较高，吸能能力更强；且密实化阶段曲线b的斜率相对较小，吸能过程缓和，能提供更好的保护作用。

负泊松比层芯在局部受压时，受压区域周围的材料向受压部位聚集，可以对该区域进行有效地加强。普通材料在受压时，材料向四周呈扩散趋势，使得局部被削弱，因而容易被异物穿透。相比之下，负泊松比材料由于受压时局部被加强，材料密度、弹性模量及刚度强度等提高，因而能够有效地抵抗穿刺和压痕，有利于提升电池包总成的安全性和稳定性。

Claims (4)

1.一种耐撞及抗穿刺的电池包外壳总成，包括电池包外壳底板(1)、外壳侧壁(2)、电池包上盖(3)、密封端盖(5)，其特征在于：

外壳侧壁(2)和电池包外壳底板(1)为中空结构，中空结构的空腔(101)为填充夹层提供了空间。电池包外壳底板(1)上设置有底板螺栓孔(102)，底板螺栓孔(102)用于电池模组及控制单元的安装固定；填充夹层具有负泊松比层芯，负泊松比层芯与空腔壁之间的连接采用胶接形式，层芯(6)的负泊松比性质通过星形结构形成，星形结构包括四角星形的功能构件及连接立柱；

在2维平面中，功能构件包括第一构件(701)、第二构件(702)、第三构件(703)、第四构件(704)、第五构件(705)、第六构件(706)、第七构件(707)和第八构件(708)，其中第一构件(701)与第二构件(702)组成一个锐角；第三构件(703)与第四构件(704)组成一个锐角；第五构件(705)与第六构件(706)组成一个锐角；第七构件(707)与第八构件(708)组成一个锐角；第一构件(701)与第八构件(708)组成一个内凹的钝角；第六构件(706)与第七构件(707)组成一个内凹的钝角；第四构件(704)与第五构件(705)组成一个内凹的钝角；第二构件(702)与第三构件(703)组成一个内凹的钝角；在每个钝角处设置有向外延伸的第一立柱(801)、第二立柱(802)、第三立柱(803)、第四立柱(804)；

相邻的星形结构通过第一立柱(801)、第二立柱(802)、第三立柱(803)或第四立柱(804)进行连接，构成在同一平面内有序排列的负泊松比性质的层芯。

2.根据权利要求1所述的耐撞及抗穿刺的电池包外壳总成，其特征在于：在3维空间中，三维星形结构由笛卡尔坐标系中xy，yz，xz三个平面上的二维星形结构组合而成；相邻三维星形结构通过立柱进行连接，构成在空间内三个方向上有序排列的负泊松比性质的层芯。

3.根据权利要求1所述的一种耐撞及抗穿刺的电池包外壳总成，其特征在于：电池包外壳底板(1)和外壳侧壁(2)通过铝合金挤压成型工艺制成，外壳侧壁(2)与底板之间通过焊接的方式进行连接，外壳侧壁(2)与底板构成下箱体；电池包上盖(3)采用铝合金冲压成型工艺制成。

4.根据权利要求1所述的一种耐撞及抗穿刺的电池包外壳总成，其特征在于：锐角取20°，钝角取110°。