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        鋁合金電池包殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2022-11-02 07:58:54段廣坡
        鋁加工 2022年5期
        關(guān)鍵詞:邊框型材殼體

        段廣坡

        (忠旺鋁業(yè)有限公司,北京 100020)

        0 前言

        經(jīng)過近幾年的高速發(fā)展,目前我國已成為世界新能源汽車產(chǎn)銷第一大國。隨著國家2019年新能源汽車補(bǔ)貼政策的出臺和續(xù)航里程要求的提高,對電池系統(tǒng)能量密度提出了更高的要求。提升電池能量密度有兩種路徑:一是增加單體電芯的比能量;二是電池包的結(jié)構(gòu)輕量化。提升單體電芯的比能量,技術(shù)難度大,研發(fā)周期長,資金投入大,相比之下,使電池包的結(jié)構(gòu)輕量化則更容易實(shí)現(xiàn)。

        鋁合金在汽車上的應(yīng)用早已屢見不鮮。鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性及導(dǎo)熱性良好、無磁性、成型容易、回收價(jià)值高等諸多優(yōu)點(diǎn),因此是電池包輕量化設(shè)計(jì)的理想材料。

        目前,電池包殼體用材主流方案是擠壓鋁合金殼體+PP/玻纖復(fù)合材料上蓋。就目前發(fā)展來看,鋁合金殼體和塑料上蓋的方案具有輕量化前景。殼體采用鋁擠壓型材+攪拌摩擦焊+MIG焊的方案,綜合應(yīng)用成本低,性能滿足要求,且可實(shí)現(xiàn)水冷電池的循環(huán)水道的集成。上蓋采用非金屬上蓋,主要用到PP/玻纖+LFT-D模壓工藝,既能提高生產(chǎn)的效率也可滿足火焰燃燒和密封性能的要求,且模具成本較低。

        鋁合金電池包殼體已在多款新能源汽車上應(yīng)用,例如比亞迪宋和唐、蔚來ES8、北汽EV系列等。該殼體可提升電池包能量密度,增加續(xù)航里程。由此可見,鋁合金電池包殼體具有廣闊的市場前景。

        1 鋁合金電池包殼體結(jié)構(gòu)

        典型的鋁合金拼焊電池包殼體如圖1所示。殼體主要由鋁合金型材邊框和鋁合金型材底板構(gòu)成,采用6×××系擠壓型材拼焊而成。為保證焊接強(qiáng)度和密封性,選用低應(yīng)力變形小的攪拌摩擦焊,鋁合金型材適用的標(biāo)準(zhǔn)件一般有鋼絲螺套、拉鉚螺母、壓鉚螺母。除標(biāo)準(zhǔn)件外,其余為100%鋁合金材質(zhì)。該殼體強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕性好。

        圖1 鋁合金電池包殼體圖

        2 設(shè)計(jì)方案介紹

        2.1 斷面結(jié)構(gòu)及材質(zhì)

        邊框和底板為鋁合金擠壓型材,材料一般選用6061-T6(屈服強(qiáng)度240 MPa,抗拉強(qiáng)度260 MPa)、6005A-T6(屈服強(qiáng)度215 MPa,抗拉強(qiáng)度255 MPa)和6063-T6(屈服強(qiáng)度170 MPa,抗拉強(qiáng)度215 MPa)等,根據(jù)斷面復(fù)雜程度、成本、模具消耗等因素考慮具體選用何種牌號。這幾種材料的強(qiáng)度大小依次為6061-T6>6005A-T6>6063-T6,同等斷面擠壓難度為6061-T6>6005A-T6>6063-T6[1]。圖2是邊框的典型斷面,由多個空腔組成,材質(zhì)為6061-T6,壁厚最薄處2 mm。邊框主要有兩種加工方案:一是進(jìn)行整體型材擠壓,然后機(jī)加工,零件一體性好,強(qiáng)度有保證,但加工量大,成本較高;另一種是采用型材拼焊的方式,此種方案成本較低,但焊縫強(qiáng)度較弱,需要驗(yàn)證焊縫強(qiáng)度是否滿足要求。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)綜合考慮,選擇最佳的設(shè)計(jì)方案。

        圖2 邊框斷面

        圖3是底板的典型斷面,由多個空腔組成,包括上部凸起,上部凸起主要用于電池模組的安裝。因斷面尺寸較大,且厚度只有2 mm,所以選擇材質(zhì)6005A-T6。上部凸起如需要安裝鋼絲螺套,可將上部空腔做成實(shí)心。非安裝部位可用CNC設(shè)備去除,在保證強(qiáng)度的同時,能使重量最輕。

        圖3 底板斷面

        邊框和底板是電池模組的承載者,對強(qiáng)度要求比較高,所以一般都選用具有型腔的雙層斷面來保證強(qiáng)度,底板厚度一般為10 mm左右,壁厚2 mm。較少使用單層鋁板。6063-T6由于材質(zhì)偏軟,主要用于復(fù)雜斷面或者受力較小的零件。

        2.2 連接設(shè)計(jì)

        鋁合金電池包殼體的主要連接方式有攪拌摩擦焊接、MIG、拉鉚、壓鉚以及少量弧焊和膠粘。底板與底板、底板與邊框主要用攪拌摩擦焊連接。焊縫強(qiáng)度可達(dá)母材80%左右。攪拌摩擦焊接與普通熔焊方案相比較,具有以下突出的優(yōu)點(diǎn):(1)屬于固態(tài)焊接技術(shù),焊接過程不存在焊接材料融化;(2)焊接接頭質(zhì)量好,焊縫為細(xì)晶鍛造組織結(jié)構(gòu),沒有氣孔、裂紋、夾渣等缺陷;(3)不受焊縫位置的限制,可實(shí)現(xiàn)多種接頭形式的焊接;(4)焊接效率高,在0.4~100 mm厚度范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)單焊道焊接成型;(5)焊件中殘余應(yīng)力低,變形小,可實(shí)現(xiàn)高精度焊接;(6)接頭強(qiáng)度高、疲勞性能好,沖擊韌性優(yōu)異;(7)焊接成本低,沒有焊接過程消耗,不需要填絲和保護(hù)氣體;(8)焊接操作簡單,便于實(shí)現(xiàn)自動化焊接[2]。

        圖4為底板型材攪拌摩擦焊接接頭,底板與底板之間采用板對接接頭雙面焊接[3]。雙面焊接強(qiáng)度高,變形小。在攪拌摩擦焊接過程中會對工件有一個很大的下壓力,所以就需要增加型腔內(nèi)筋和圓角厚度,焊接深度越大,筋和圓角就越大。表1為焊接厚度與型材尺寸的對應(yīng)關(guān)系。

        圖4 底板斷面

        表1 焊接厚度與型材厚度對應(yīng)關(guān)系

        邊框和底板之間主要有兩種連接方式:一是雙面攪拌摩擦焊接;二是外部攪拌摩擦焊接和內(nèi)部弧焊+涂膠。兩種不同的連接方式采用的鋁合金接頭也不一樣。圖5是邊框與底板雙面攪拌摩擦焊接接頭形式。為給攪拌頭預(yù)留出足夠的空間,邊框與底板連接處伸出長度要足夠長,避免邊框和攪拌頭干涉,以免增加邊框型材的尺寸和擠壓難度。但雙面焊接強(qiáng)度高、變形小,這也是它的主要優(yōu)勢。圖6為外側(cè)攪拌摩擦焊接+內(nèi)側(cè)MIG焊接。底板外側(cè)需搭接在型材邊框上,且型材邊框搭接處應(yīng)做成實(shí)心,滿足攪拌摩擦焊接要求,給焊接提供支撐力;內(nèi)側(cè)則采用MIG焊接,視情況選擇滿焊或者斷續(xù)焊接。此種連接方式效率高、難度小、成本低,但是因?yàn)閮?nèi)部采用了弧焊,焊縫可能有漏水的風(fēng)險(xiǎn),所以還要再涂一遍密封膠來保證密封性,這也是它的一個弊端。

        圖5 邊框與底板雙面攪拌摩擦焊接圖

        圖6 邊框與底板外部攪拌摩擦焊接+內(nèi)部MIG焊接

        2.3 密封設(shè)計(jì)

        由于整車行駛環(huán)境的復(fù)雜性,尤其是電池包安裝在車輛底盤下方或者位置較低的區(qū)域,當(dāng)電動車輛遇到涉水、暴雨等危險(xiǎn)工況時,可能會因水汽的侵襲導(dǎo)致電池的電氣故障、短路、漏電等危害,因此必須為電池系統(tǒng)提供防水、防塵的環(huán)境。電池包的密封性直接影響到電池系統(tǒng)的工作安全,從而影響到電動車輛的使用安全。通常電池包密封防護(hù)等級要求達(dá)到IP67才能保證電池包密封防水,這樣電池組才不會因?yàn)檫M(jìn)水而短路[4]。

        鋁合金電池包殼體的底板與底板之間宜采用攪拌摩擦焊接。由于攪拌摩擦焊接屬于固相連接技術(shù),在焊接過程中金屬基材不融化,因此相比熔化焊接減少了氣孔、裂紋等缺陷的發(fā)生率[5]。所以為了較好地保證密封性,焊接應(yīng)優(yōu)先選用此種焊接方式。

        如果邊框與底板內(nèi)部采用弧焊,則需要涂焊縫密封膠來保證密封性。殼體與上蓋之間雖然采用發(fā)泡硅膠來保證密封,但是連接的標(biāo)準(zhǔn)件自身也要保證其密封性,殼體法蘭一般采用M5拉鉚螺母。目前已有廠家生產(chǎn)可以專門用于電池包的防水密封的表面帶膠的拉鉚螺母,通過拉鉚螺母塑性變形,使膠起到密封作用。前端使用的盲孔壓鉚螺母,由于自身具有一定的密封效果,且外部附件也有密封圈,所以不再做單獨(dú)處理。如發(fā)現(xiàn)泄漏,可以進(jìn)行涂膠處理。

        2.4 電池包殼體鋼與鋁合金的重量對比

        鋁的密度約是鋼的1/3,是輕量化的理想材質(zhì)。表2為某款鋼質(zhì)電池包殼體鋁化的情況。從表2數(shù)據(jù)可知,減重效果達(dá)到26.7%。電池包殼體的鋁代鋼不僅可以提升電池包能量密度,也增加了車輛續(xù)航里程。

        表2 鋼與鋁合金電池包殼體重量對比

        3 仿真分析

        根據(jù)GB/T 31467.3—2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第三部分:安全性要求與測試方法,對鋁合金電池包殼體強(qiáng)度、振動、擠壓等方面進(jìn)行仿真分析[6]。圖7為某鋁合金電池包殼體仿真分析結(jié)果。其中圖7(a)3G向前工況應(yīng)力最大值為29.4 MPa,圖7(b)振動應(yīng)力最大值為55.98 MPa,最大值均小于6005A屈服強(qiáng)度215 MPa,圖7(c)擠壓最大位移7.081 mm,電池模組安全距離為10 mm(每個電池包結(jié)構(gòu)不同,安全距離也會不同,需要客戶確認(rèn)),滿足要求。

        圖7 鋁合金電池包殼體仿真分析結(jié)果

        4 結(jié)論

        (1)6061-T6和6005A兩種材質(zhì)的性能均可以較好地滿足設(shè)計(jì)要求。

        (2)擠壓斷面結(jié)構(gòu)的一體化雖然加工量大且成本高,但有利于電池包強(qiáng)度的提高,可綜合考慮。

        (3)攪拌摩擦焊接在保證焊縫強(qiáng)度的同時還可以保證密封性,是電池包殼體的最佳焊接方式。

        (4)標(biāo)準(zhǔn)件選用具有防水功能的拉鉚螺母。

        (5)型材拼焊的鋁合金電池包殼體具有成本低、減重效果好等特點(diǎn),減重效果在25%以上,可應(yīng)用于新能源汽車上,提高電池包能量密度,延長續(xù)航里程。

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