一种新型碳纤维动力电池上壳体及其动力电池的制作方法

1.本发明主要涉及动力电池，尤其涉及一种新型碳纤维动力电池上壳体及其动力电池。


背景技术：

2.《电动汽车用动力蓄电池安全要求》(gb 38031-2020)中对电池系统在热扩散中的表现有着很高要求:电池包或系统在由于单个电池热失控引起热扩散、进而导致乘员舱发生危险之前5min，应提供一个热事件报警信号(服务于整车热事件报警，提醒乘员疏散)。如果热扩散不会产生导致车辆乘员危险的情况，则认为该要求得到满足。电池系统由于单个电池热失控引发热扩散时，会产生大量高温高压的喷射物，给电池系统防护带来了巨大挑战。为了满足电池包的法规要求，一般需要在上壳体上增加防护措施，会带来成本，重量以及制造工艺难度的增加。
3.电磁兼容和触电保护的要求，动力电池系统内含多种电子控制元件，为保证其正常工作，不受外界复杂电磁辐射干扰；同时内部电子设备正常运行时，对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限制；要求动力电池壳体具有良好的电磁屏蔽性能。电动汽车动力电池属于高压系统，为防止因过大的电势差引起安全事故，对于金属壳体，需要将等电位连接作为高压触电保护的基本要求。
4.目前主流的电池包上壳体技术路线包括几种：
5.1.铝合金上壳体，优点是轻量化效果好，铝合金表面会形成致密的氧化膜不需要额外的防腐措施。但铝合金熔点低，熔点约为660℃，耐高温性能差，电池模组发生热扩散时，产生的高温高压气体极易冲破铝合金壳体，威胁成员安全，无法通过国家标准。
6.2.低碳钢上盖，优点是冲压工艺成熟，尺寸容易控制；低碳钢熔点约为1500℃，能够有效地抵御模组热扩散的热冲击。但低碳钢冲压上壳体，重量约为铝合金的3倍，轻量化效果差；需要使用电泳漆，pvc进行额外的防腐保护。同时电泳漆在高温下，会发生自燃，因此还需额外喷涂的阻燃材料。整体工艺复杂，成本高，重量大。
7.3.传统非金属材料上壳体，smc复合材料应用较为广泛，具有良好的绝缘性，耐老化。但作为玻璃钢材料的一种，材料本身不导电，需要额外的措施，如铺设铝膜，实现电磁兼容性和等电势的功能要求。同时smc耐高温性能差，自身无法抵御模组热扩散冲击，需要额外防火措施才能实现热扩散防火功能。


技术实现要素：

8.应当理解，本公开以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为本公开提供进一步的解释。
9.本发明要解决的技术问题是提供一种新型碳纤维动力电池上壳体及其动力电池，通过在上壳体的不同区域采用不同结构的复合板构成，同时保证了强度和轻量化，并具有良好地防火和屏蔽性能。
10.为解决上述技术问题，本发明提供了一种新型碳纤维动力电池上壳体，其特征在于，
11.所述上壳体包括采用碳纤维复合板的主面区域、加强区域和主密封面区域，所述碳纤维复合板包括碳纤维复合层和绝缘层；
12.其中，所述碳纤维复合层包括若干碳纤维编织布层复合而成。
13.比较好的是，本发明进一步提供了一种新型碳纤维动力电池上壳体，其特征在于，
14.所述主面区域和所述加强区域间隔分布于所述上壳体，所述主密封面区域位于所述上壳体的侧边缘。
15.比较好的是，本发明进一步提供了一种新型碳纤维动力电池上壳体，其特征在于，
16.所述主面区域和所述主密封区域进一步包括屏蔽网和防火层，分别位于所述碳纤维复合层的两面。
17.比较好的是，本发明进一步提供了一种新型碳纤维动力电池上壳体，其特征在于，
18.所述加强区域的碳纤维编织布层数较多于所述主面区域和所述主密封面区域的碳纤维编织布层数。
19.比较好的是，本发明进一步提供了一种新型碳纤维动力电池上壳体，其特征在于，
20.所述碳纤维复合层包括：
21.第一碳纤维编织布层，纤维方向0
°
/90
°
，厚度为0.45mm
±
0.5mm；
22.第二碳纤维编织布层，纤维方向
±
45
°
，厚度0.45mm
±
0.5mm；
23.第三碳纤维编织布层，纤维方向
±
45
°
，厚度0.28mm
±
0.5mm；
24.第四碳纤维编织布层，纤维方向
±
45
°
，厚度0.45mm
±
0.5mm；
25.第五碳纤维编织布层，纤维方向0
°
/90
°
，厚度0.45mm
±
0.5mm；
26.其中，所述第一～第五碳纤维编织布层两两之间通过环氧树脂材料固化成型，公差范围为
±
15
°
。
27.比较好的是，本发明进一步提供了一种新型碳纤维动力电池上壳体，其特征在于，
28.所述主面区域的碳纤维复合层包括第一碳纤维编织布层，第三碳纤维编织布层，第五碳纤维编织布层；
29.所述加强区域的碳纤维复合层包括第一～第五碳纤维编织布层；
30.所述主密封面区域的碳纤维复合层包括第二～五碳纤维编织布层。
31.本发明还提供了一种新型碳纤维动力电池，包括上述任一种所述的上壳体，其特征在于，所述动力电池还包括：
32.下壳体，设置在所述上壳体的下方，通过若干连接单元与所述上壳体形成一体式结构。
33.比较好的是，本发明进一步提供了一种的新型碳纤维动力电池，其特征在于，所述动力电池进一步包括：
34.密封条，设置在所述上壳体的主密封面区域与所述下壳体的接合处。
35.比较好的是，本发明进一步提供了一种的新型碳纤维动力电池，其特征在于，所述密封条包括发泡聚氨酯材料。
36.比较好的是，本发明进一步提供了一种的新型碳纤维动力电池，其特征在于，
37.所述连接单元包括在所述密封条位置紧固用的流钻螺钉，和通过所述加强区域位
置开孔连接的标准连接件。
38.与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用本发明上壳体的碳纤维动力电池在1500摄氏度下，可以保证30min上表面无明火产生。因此说明，可以有效抵御热扩散，保证了电池系统的安全，同时实现轻量化具有很高的客户价值。
附图说明
39.现在将详细参考附图描述本公开的实施例。现在将详细参考本公开的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开。
40.下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
41.图1是组成本发明上壳体的碳纤维复合层的分解示意图；
42.图2(a)和2(b)分别示意了上壳体的平面示意图及边缘部局部放大示意图；
43.图3是上壳体与下壳体组合时的剖视图；
44.图4是通过连接件将上下壳体组合的示意图。
45.附图标记
46.100――上壳体
47.101――屏蔽网
48.102――碳纤维复合层
49.103――防火层
50.104――绝缘层
51.111――主面区域
52.112――加强区域
53.113――主密封面区域
54.200――下壳体
55.300――连接单元
56.301――流钻螺钉
57.302――标准连接件
58.400――密封条
具体实施方式
59.为了更清楚地说明本技术的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本技术应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
60.如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
61.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
62.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
63.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
64.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。此外，尽管本技术中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本技术说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本技术。
65.本技术中使用了流程图用来说明根据本技术的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
66.图1给出了构成本发明上壳体的碳纤维复合板的分解示意图。
67.该碳纤维复合板自上而下包括用以电磁屏蔽的金属铜屏蔽网101，厚度0.08mm；碳纤维复合层102，该碳纤维复合层102包括若干不同参数的碳纤维编织布层。
68.在较佳实施例中，该碳纤维复合层102的碳纤维编织布层依次有：
69.第一碳纤维编织布层，纤维方向0
°
/90
°
厚度为0.45mm；
70.第二碳纤维编织布层，纤维方向
±
45
°
厚度0.45mm；
71.第三碳纤维编织布层，纤维方向
±
45
°
厚度0.28mm；
72.第四碳纤维编织布层，纤维方向
±
45
°
厚度0.45mm；
73.第五碳纤维编织布层，纤维方向0
°
/90
°
厚度0.45mm。
74.上述采用碳纤维复合层102是将若干碳纤维编织布进行复合，性能是沿纤维方向比较好，垂直纤维方向不理想很容易拉破)
75.在碳纤维复合层102之下采用了防火层103，该层加强膨胀效果，厚度0.3mm。
76.防火层103底面为绝缘层104，利用玻璃纤维编织布的绝缘性能，该纤维方向0
°
/90
°
厚度0.1mm；
77.上述碳纤维编织布层的各层之间通过环氧树脂材料固化成型，公差范围是
±
15
°
。
78.上述碳纤维复合板的组成中，屏蔽网101采用电磁屏蔽金属铜网，可以有效实现电磁屏蔽。保证动力电池系统内含多种电子控制元件，不受外界复杂电磁辐射干扰；同时内部电子设备正常运行时，对所在环境产生的电磁骚扰不超过一定的限制，同时实现上下壳体等电势；绝缘层104使用玻璃纤维编织布，利用玻璃纤维的绝缘特性，在发生热扩散时，避免模组和上壳体之间产生高压电弧击穿上壳体。防火层103采用的防火毡是一种独特的膨胀材料，膨胀剂是矿物纤维稳定的石墨基产品，具有受热膨胀的特性，可形成高效的防火屏障，同时还具有保护底层结构的优良绝缘性能。有效的隔绝高温物质。
79.表1给出了一种较佳实施例中，碳纤维复合板的各层参数和性能：
[0080][0081]
表1
[0082]
为了实现最大程度轻量化，需要使用特定的铺成结构。
[0083]
请进一步参见图2所示。其中，图2(a)和2(b)分别示意了上壳体的平面示意图及边
缘部局部放大示意图。
[0084]
本发明整体结构使用厚度变化结构设计，图2(a)示意的平面上，将上壳体100划分为三个区域，分别是：主面区域111，加强区域112，主密封面区域113。
[0085]
主面区域111的总厚度为1.68mm，由表1中的第一，二，四，六，七，八层组成；加强区域112的总厚度为2.58mm，由表1中的第一，二，三，四，五，六，七，八层组成；主密封面区域113的总厚度为2.28mm，由表1中的第三，四，五，六，八层组成。
[0086]
较佳实施例中，上述各层的厚度范围为
±
0.5mm。
[0087]
上述设计的考量在于，主面区域111用于整体结构强度刚度，故省略复合层102中的第三、五的碳纤维编织布层，而加强区域112是用于加强链接固定点，保证足够强度，故采用了全部碳纤维层，主密封面区域113，由于密封结构需要，无防火性能需求。故省略了第一、二碳纤维编织布层和防火层103。
[0088]
这样形成的上壳体三个区域中，加强区域112的厚度最大，达到2.1mm，保证了强度和刚度要求。
[0089]
表2给出了一种较佳实施例中，各个区域的具体参数和性能：
[0090]
碳纤维材料
[0091]
线密度780-820(g/km)密度1.78-1.82g/cm3拉伸强度≥4500mpa拉伸弹性模量230-260gpa断裂伸长率≥1.7％含胶1.0-1.2％
[0092]
阻燃树脂
[0093][0094]
防火层
[0095]
面密度g/m2密度180kg/m3厚度0.3mm膨胀率10∶1(at 450℃)激发温度activation temperature：＞220℃
[0096]
电磁屏蔽铜网
[0097]
面密度240g/m2厚度0.08mm韧性180
°
展折8次无网丝断裂
[0098]
表2
[0099]
图3示意了上壳体100与下壳体200组合时的局部剖视图。
[0100]
上壳体100在位于其边缘的加强区域112与下壳体200通过密封条400进行一体式密封。
[0101]
在较佳实施例中，该密封条400采用单组份发泡聚氨酯材料，密封条400通过碳纤维复合材料表面活化处理工艺，经烘烤发泡硬化粘接在上壳体100上。
[0102]
该种密封条400与上壳体100作为一个整体，与传统的涂胶密封相比，具有可重复使用的优点。同时上壳体100上设置限位结构，有效保密封条压缩量大于50％。
[0103]
图4所示为本发明的碳纤维动力电池的分解示意图，具体是上、下壳体100和200通过若干连接单元300进行固定的示意。
[0104]
在上壳体100和下壳体200相连接周边的密封条400位置处紧固采用m5流钻螺钉301，下壳体200无需预先开孔，有效避免上、下壳体或孔错位问题。
[0105]
考虑到上壳体100的刚度，为保证密封性能螺钉间距70mm。
[0106]
较佳实施例中，对于上下壳体的中间区域使用m5标准连接件302和m24标准连接件302。其中，m24标准连接件使用中空结构，允许车身连接螺栓从中间穿过车身固定点，从而提高整车的安全性。中间连接点处使用金属预埋件加强，同时实现上下壳体导通。
[0107]
本发明上述结构的碳纤维动力电池，通过台架试验验证，在1500摄氏度下，可以保证30min上表面无明火产生。因此说明，可以有效抵御热扩散，保证了电池系统的安全，同时实现轻量化具有很高的客户价值。
[0108]
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本技术的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本技术进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本技术中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本技术示范实施例的精神和范围。
[0109]
同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
[0110]
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本技术的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本技术进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本技术中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本技术示范实施例的精神和范围。
[0111]
同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
[0112]
同理，应当注意的是，为了简化本技术披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本技术实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或
对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本技术对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
[0113]
一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有
±
20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本技术一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
[0114]
虽然本技术已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本技术，在没有脱离本技术精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本技术的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本技术的权利要求书的范围内。