一种电池箱的制作方法

1.本实用新型涉及电池箱领域，具体涉及了一种(矿用胶轮车)电池箱。


背景技术：

2.当前电池箱所用的钢板厚度大，存在电池箱总重量大的不足。此外，由于钢的导热性能较好，当电池系统在寒冷环境中服役时，箱内电池组的温度较低，影响电池组的使用性能。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本实用新型提供一种电池箱。为了防止电池引爆可燃性气体的影响，实际工况要求将电池组置于电池箱内，本实用新型所设计的电池箱利用开孔泡沫铝吸收电池箱内可燃性气体爆炸时的能量，有利于减小爆炸气体对电池箱外层钢板的冲击，以此减小外层钢板的厚度及电池箱的重量。基于本实用新型中的设计过程，可以恰当获得电池箱内开孔泡沫铝的厚度及密度等参数，及外层钢板的厚度。本实用新型中电池箱外层钢板厚度小于当前电池箱的钢板厚度，且开孔泡沫铝的密度小于钢及铝的密度，所以本实用新型中所设计的电池箱的重量小于当前所用电池箱的重量。
4.本实用新型的一种电池箱，包括箱盖、箱体，
5.箱盖包括第一箱盖壳立板、第二箱盖壳立板、箱盖壳平板，所述第一箱盖壳立板、第二箱盖壳立板、箱盖壳平板焊接成箱盖壳；
6.箱体四周及底部由钢板焊接成型；
7.箱盖壳、箱体内有薄铝板；薄铝板与钢板、箱盖壳之间填充开孔泡沫铝；
8.箱体内设置有电池组；钢板的上部、第一箱盖壳立板及第二箱盖壳立板下部均焊接有外沿，外沿上设置有圆孔；
9.所述箱盖的外沿的圆孔与箱体的外沿的圆孔一一对应，各连接螺钉通过对应圆孔，将箱盖与箱体相互连接；
10.在箱盖及箱体外增设保温层；保温层由薄铝板与聚氨酯泡沫粘接组成；
11.箱盖壳的外沿上焊接的蚂蚱扣用于箱盖与箱盖的保温层的紧密连接；
12.箱体前后两面及左右两面的保温层通过第二蚂蚱扣相互连接，保温层包覆于箱体四周，第二蚂蚱扣与箱体的保温层的薄铝板焊接；
13.电池箱内的可燃性气体爆炸时，首先作用于箱盖壳及箱体的薄铝板，随后压缩开孔泡沫铝，压缩过程中，ε0为开孔泡沫铝线弹性变形所对应的最大应变，当压缩应变小于ε0时，开孔泡沫铝处于弹性变形阶段，应力随应变线性增大；当压缩应变大于ε0且小于ε
p
时，ε
p
为开孔泡沫铝的最大平台塑性应变，开孔泡沫铝处于平台塑性变形阶段，应力约为σ
p
；当压缩应变大于ε
p
时，开孔泡沫铝处于压密阶段，应力随应变迅速增大；
14.开孔泡沫铝的应力-应变曲线与应变轴，即ε轴，包围的面积，表示单位体积开孔泡沫铝所吸收的压缩能量w
15.w＝∫σdε (1)；
16.公式(1)中，σ表示开孔泡沫铝的压缩应力，ε表示开孔泡沫铝的压缩应变；
17.在弹性压缩阶段，开孔泡沫铝的应变变小，所吸收的能量相对小，可以忽略；压密阶段，压缩应力迅速变大，超过箱盖及箱体钢板的应力限度要求；在平台塑性变形阶段，开孔泡沫铝的压缩应力吸收的压缩能量最大；为了保证电池箱的服役可靠性，需利用开孔泡沫铝的平台塑性变形过程吸收能量；
18.平台塑性变形阶段，开孔泡沫铝的压缩应力约为恒值，单位体积开孔泡沫铝吸收的能量为：
19.w
p
＝σ
p
(ε
p-ε0) (2)；
20.公式(2)中，σ
p
为开孔泡沫铝的压缩平台应力；
21.压缩过程中，开孔泡沫铝的压缩平台应力为：
22.σ
p
＝0.3σs(ρf/ρs)
3/2 (3)；
23.公式(3)中，σs为铝的屈服强度，ρf为开孔泡沫铝的密度，ρs为铝的密度；
24.压缩过程中，开孔泡沫铝的最大平台塑性应变为
25.ε
p
＝(1-1.4ρf/ρs)(1-1/d) (4)；
26.公式(4)中，d为开孔泡沫铝的性能常数；
27.由于压缩过程中开孔泡沫铝线弹性变形所对应的最大应变ε0较小，将其忽略，且将(3)式及(4)式代入(2)式，得
28.w
p
＝0.3σs(ρf/ρs)
3/2
(1-1.4ρf/ρs)(1-1/d) (5)；
29.设电池箱内可燃性气体爆炸形成的能量增量为δw；
30.为了将所有爆炸能量吸收，电池箱内开孔泡沫铝的总体积为:
[0031]vf
≥δw/w
p (6)；
[0032]
设所设计的电池箱内部长度、宽度及高度为a、b及c，且箱盖及箱体内的开孔泡沫铝厚度相同，所以箱盖及箱体中所用开孔泡沫铝的厚度为:
[0033][0034]
将(5)式、(6)式代入(7)式，得
[0035][0036]
电池箱内的可燃性气体爆炸时，开孔泡沫铝受到压缩，电池箱的箱盖及箱体的外层钢板的应力幅值主要依赖于开孔泡沫铝的平台应力，当平台应力增大时，电池箱的箱盖及箱体的外层钢板的应力幅值增高，电池箱外层钢板包括箱盖立板(1)、箱盖立板(2)与箱盖平板(3)以及箱体四周及底部的钢板，当平台应力变小时，电池箱的箱盖及箱体的外层钢板的应力幅值相对变小；为了充分减小电池箱外层钢板的受力，选用平台应力小的开孔泡沫铝；由(3)式可知，开孔泡沫铝的平台应力是σs、ρf及ρs的函数，其中σs及ρs是固体铝的屈服强度与密度，此两参数为常数，所以开孔泡沫铝的平台应力主要依赖于其密度ρf；调整密度ρf，可以实现钢板应力及应变较小；
[0037]
由(8)式可知，开孔泡沫铝的厚度tf是其密度ρf的函数，所以根据(8)式恰当选取开
孔泡沫铝的厚度，以此实现开孔泡沫铝能够充分吸收可燃性气体爆炸时的能量。
[0038]
优选的，箱内可燃性气体爆炸时，由于开孔泡沫铝的吸能及缓冲作用，实现电池箱可靠服役；电池箱为非圆截面箱体，设计时，应计算其薄膜应力及弯曲应力；通过应力计算，获得钢板厚度的参数；
[0039]
以箱体前后钢板为例，由于开孔泡沫铝的吸能与缓冲作用及其应力-应变特征，认为作用于钢板的应力为开孔泡沫铝的平台应力；箱体前后钢板的薄膜应力为
[0040][0041]
公式(9)中，a为前后两钢板之间的距离，t为钢板的厚度；
[0042]
箱体前后钢板所受的最大弯曲应力为：
[0043][0044]
公式(10)中，α为与钢板边长相关的系数；
[0045]
为了保证钢板的服役要求，钢板的总应力需满足
[0046][0047]
公式(11)中，σ
lim
为钢板极限应力，n为安全系数，φ为焊接接头系数；
[0048]
将(9)式及(10)式代入(11)式，得
[0049][0050]
通过求解(12)式中的不等式，可以得到钢板厚度t的范围，为了减小所设计电池箱的重量，在允许范围内，取t的最小值；
[0051]
同理，可以得到箱盖及箱体其他钢板的厚度。
[0052]
优选的，所述聚氨酯泡沫的热传导系数越小越有利于保温，导热系数主要依赖于聚氨酯泡沫的热传导能力、聚氨酯泡沫内孔隙气体的热传导能力及辐射，其热传导系数为
[0053][0054]
公式(13)中，c
p
为聚氨酯热传导性能参数，ρ
p
为聚氨酯泡沫的密度，ρ
sp
为聚氨酯固体的密度，λ
p
为聚氨酯固体的热传导系数，λg为空气的热传导系数，β为聚氨酯泡沫的发射因子，σ为常数，σ＝5.67
×
10-8w/(m2·
k4)，t为电池箱内温度t1与电池箱外环境温度t2的平均值，t＝(t1 t2)/2，t
p
为聚氨酯泡沫的厚度，k为聚氨酯固体的衰减系数；
[0055]
聚氨酯泡沫的厚度及密度是影响其热传导性能的关键物理量；为了提高电池箱的保温性，需减小聚氨酯泡沫的热传导性能；通过选取聚氨酯泡沫的厚度减小其热传导性能，设λ对t
p
的导数为零；
[0056][0057]
满足此条件时，聚氨酯泡沫的最佳厚度为
[0058][0059]
通过选取密度减小聚氨酯泡沫的热传导性能，设λ对ρ
p
导数为零；
[0060][0061]
满足此条件时，聚氨酯泡沫的最佳密度为
[0062][0063]
由(15)式及(17)式，得
[0064][0065]
由(18)式，得
[0066][0067]
所以，根据(17)式及(19)式获得聚氨酯保温层的厚度及密度。
[0068]
优选的，所述第一箱盖壳立板与外沿、第二箱盖壳立板与外沿、箱体外沿与钢板之间焊接三角形加强板。
[0069]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
[0070]
箱盖与箱体中开孔泡沫铝的主要功能是吸收箱体内可燃性气体爆炸时的能量，减小爆炸气体对箱盖钢板及箱体钢板的冲击，实现电池箱可靠服役。开孔泡沫铝的能量吸收能力主要依赖于其密度ρf、厚度tf及其力学性能。为了充分吸收电池箱内可燃性气体爆炸时的能量，提供相应的分析过程，以此选用参数恰当的开孔泡沫铝。
[0071]
选用聚氨酯泡沫实现电池箱保温，基于本实用新型中的设计过程，可以获得恰当的聚氨酯泡沫的尺寸参数及密度参数，实现寒冷环境中，箱内电池组仍能在相对较高的温度范围高性能服役。用于实现保温功能的保温层由聚氨酯泡沫及薄铝板粘接成，聚氨酯泡沫实现保温，薄铝板强度高于聚氨酯泡沫，可以保护其内部聚氨酯泡沫。保温层安装简易，有利于工程应用。
附图说明
[0072]
此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0073]
图1为本实用新型的一种电池箱的箱盖壳结构图一；
[0074]
图2为本实用新型的一种电池箱的箱盖壳结构图二；
[0075]
图3为本实用新型的一种电池箱的箱体的结构图；
[0076]
图4为本实用新型的一种电池箱的箱盖壳与保温层分体结构图；
[0077]
图5为本实用新型的一种电池箱的箱体与保温层分体结构图。
[0078]
图中：第一箱盖壳立板1、第二箱盖壳立板2、箱盖壳平板3、外沿4、圆孔5、三角形加
强板6、钢板10、蚂蚱扣18、第二蚂蚱扣19。
具体实施方式
[0079]
以下将以图式揭露本实用新型的多个实施方式，为明确说明起见，许多实物上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实物上的细节不应用以限制本实用新型。也就是说，在本实用新型的部分实施方式中，这些实物上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
[0080]
另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本实用新型，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
[0081]
如图1-5所示的一种电池箱，包括箱盖、箱体，箱盖包括第一箱盖壳立板1、第二箱盖壳立板2、箱盖壳平板3，所述第一箱盖壳立板1、第二箱盖壳立板2、箱盖壳平板3焊接成内部长度为a、内部宽度为b、内部深度为tf的箱盖壳，第一箱盖壳立板1、第二箱盖壳立板2及箱盖壳平板3为钢板；
[0082]
箱体四周及底部由钢板10焊接成型；
[0083]
箱盖壳、箱体内设有薄铝板；薄铝板与钢板10、箱盖壳之间填充开孔泡沫铝；
[0084]
箱盖壳内填充长度为a、宽度为b、厚度为tf的开孔泡沫铝，薄铝板与第一箱盖壳立板1、第二箱盖壳立板2及开孔泡沫铝粘接；
[0085]
箱体内设置有电池组；钢板10的上部、第一箱盖壳立板1及第二箱盖壳立板2下部均焊接有外沿4；
[0086]
所述箱盖的外沿4的圆孔5与箱体的外沿4的圆孔5一一对应，各连接螺钉通过对应圆孔，将箱盖与箱体相互连接；
[0087]
箱体四周及底部分为三层，外层由钢板10焊接成；内层由薄铝板焊接成；钢板10与薄铝板之间填充厚度为tf的开孔泡沫铝。电池组放置于承载座之上。箱体底部设置有多个圆柱形承载座，各个圆柱形承载座的一端与箱体底部钢板焊接，各个圆柱形承载座的另一端穿过箱体底部的开孔泡沫铝及薄铝板，承接电池组。
[0088]
箱体外沿与箱盖外沿之间的密封条9用于实现箱体与箱盖之间的密封。
[0089]
电池箱内，电池组各表面与箱体底部薄铝板、四周薄铝板，以及箱盖薄铝板之间的距离相等。
[0090]
组成箱盖及箱体的钢板、开孔泡沫铝及薄铝板的导热性能较好，当电池组系统在寒冷环境中长时间服役时，电池箱内部的温度将与箱外的寒冷环境温度相等，影响电池组的性能。为了充分提高电池组的使用性能，在箱盖及箱体外增设保温层。保温层由薄铝板与聚氨酯泡沫粘接组成。
[0091]
如图4所示，箱盖的保温层由厚度为t
p
的聚氨酯泡沫及薄铝板粘接成壳形，此保温壳可以套在图4所示的箱盖壳外层，实现对箱盖保温。保温壳外层薄铝板的强度高于聚氨酯
泡沫，用于保护保聚氨酯泡沫。如图4所示，焊接于箱盖壳外沿上的蚂蚱扣18用于箱盖与箱盖的保温层的紧密连接。
[0092]
箱体的底部、前后两面，以及左右两面设置有聚氨酯泡沫及薄铝板粘接成的保温层，以此实现箱体保温。箱体底部的保温层永久设于箱体底部。箱体前后两面及左右两面的保温层通过第二蚂蚱扣19相互连接，保温层包覆于箱体四周，第二蚂蚱扣19与箱体的保温层的薄铝板焊接。薄铝板的强度高于聚氨酯泡沫，可以用于保护其聚氨酯泡沫。
[0093]
电池箱内的可燃性气体爆炸时，首先作用于箱盖壳及箱体的薄铝板，随后压缩开孔泡沫铝，压缩过程中，当压缩应变小于ε0时，开孔泡沫铝处于线弹性变形阶段，应力随应变线性增大；当压缩应变大于ε0且小于ε
p
时，开孔泡沫铝处于平台塑性变形阶段，应力约为σ
p
；当压缩应变大于ε
p
时，开孔泡沫铝处于压密阶段，应力随应变迅速增大。
[0094]
开孔泡沫铝的应力-应变曲线与应变轴(即ε轴)包围的面积，为单位体积开孔泡沫铝所吸收的压缩能量
[0095]
w＝∫σdε (1)；
[0096]
公式(1)中，σ表示开孔泡沫铝的压缩应力，ε表示开孔泡沫铝的压缩应变；
[0097]
在弹性压缩阶段，开孔泡沫铝的应变较小，所吸收的能量相对较小，可以忽略；压密阶段，压缩应力大，容易超过箱盖及箱体钢板所允许的应力限度；在平台塑性变形阶段，开孔泡沫铝的压缩应力可以保持在恰当的范围内，且吸收的压缩能量最大。为了保证电池箱的服役可靠性，利用开孔泡沫铝的平台塑性变形过程吸收能量。
[0098]
平台塑性变形阶段，开孔泡沫铝的压缩应力约为恒值，单位体积开孔泡沫铝吸收的能量为
[0099]wp
＝σ
p
(ε
p-ε0) (2)；
[0100]
公式(2)中，σ
p
为开孔泡沫铝的压缩平台应力；
[0101]
压缩过程中，开孔泡沫铝的压缩平台应力为
[0102]
σ
p
＝0.3σs(ρf/ρs)
3/2 (3)；
[0103]
公式(3)中，σs为铝的屈服强度，ρf为开孔泡沫铝的密度，ρs为铝的密度；
[0104]
压缩过程中，开孔泡沫铝的最大平台塑性应变为
[0105]
ε
p
＝(1-1.4ρf/ρs)(1-1/d) (4)；
[0106]
由于压缩过程中开孔泡沫铝弹性变形所对应的最大应变ε0较小，将其忽略，且将(3)式及(4)式代入(2)式，得：
[0107]wp
＝0.3σs(ρf/ρs)
3/2
(1-1.4ρf/ρs)(1-1/d) (5)；
[0108]
设电池箱内可燃性气体爆炸形成的能量增量为δw。
[0109]
为了将所有爆炸能量吸收，电池箱内开孔泡沫铝的总体积为
[0110]vf
≥δw/w
p (6)；
[0111]
设所设计的电池箱内部长度、宽度及高度为a、b及c，且箱盖及箱体内的开孔泡沫铝厚度相同，所以箱盖及箱体中所用开孔泡沫铝的厚度为
[0112][0113]
将(5)式、(6)式代入(7)式，得
[0114][0115]
电池箱内的可燃性气体爆炸时，开孔泡沫铝受到压缩，电池箱的箱盖及箱体的外层钢板的应力幅值主要依赖于开孔泡沫铝的平台应力，当平台应力较大时，电池箱的箱盖及箱体的外层钢板的应力幅值较高，电池箱外层钢板包括第一箱盖壳立板1、第二箱盖壳立板2与箱盖壳平板3，以及箱体四周及底部的钢板10，当平台应力较小时，电池箱的箱盖及箱体的外层钢板的应力幅值相对较小；为了充分减小电池箱外层钢板的受力，需选用平台应力较小的开孔泡沫铝；由(3)式可知，开孔泡沫铝的平台应力是σs、ρf及ρs的函数，其中σs及ρs是铝的屈服强度与密度，此两参数为常数，所以开孔泡沫铝的平台应力主要依赖于密度ρf、；调整密度ρf，可以实现钢板应力及应变较小。
[0116]
由(8)式可知，开孔泡沫铝的厚度tf是其密度ρf的函数，所以根据(8)式恰当选取开孔泡沫铝的厚度，以此实现开孔泡沫铝能够充分吸收可燃性气体爆炸时的能量。
[0117]
进一步地，电池箱为非圆截面箱体，设计时，应计算其外层钢板的薄膜应力及弯曲应力。通过应力的计算，获得钢板厚度等参数。
[0118]
以箱体前后钢板为例，由于开孔泡沫铝的吸能与缓冲作用及其应力-应变特征，认为作用于钢板的应力为开孔泡沫铝的平台应力。箱体前后钢板的薄膜应力为
[0119][0120]
公式(9)中，a为前后两钢板之间的距离，t为钢板的厚度。
[0121]
箱体前后钢板所受的最大弯曲应力为
[0122][0123]
公式(10)中，α为与钢板边长相关的系数。
[0124]
为了保证钢板的变形及强度要求，钢板的总应力需满足
[0125][0126]
公式(11)中，σ
lim
为钢板所允许的极限应力，n为安全系数，φ为焊接接头系数。
[0127]
将(9)式及(10)式代入(11)式，得
[0128][0129]
通过求解(12)式中的不等式，可以得到钢板厚度t的范围，为了减小所设计电池箱的重量，在允许范围内，取t的最小值。
[0130]
同理，可以得到箱盖及箱体其他钢板的厚度。
[0131]
进一步地，所述聚氨酯泡沫的热传导越小，越有利于保温，导热系数主要依赖于聚氨酯泡沫的热传导能力、聚氨酯泡沫内孔隙气体的热传导能力及辐射，其热传导系数为
[0132][0133]
公式(13)中，c
p
为聚氨酯热传导性能参数，ρ
p
为聚氨酯泡沫的密度，ρ
sp
为聚氨酯固
体的密度，λ
p
为聚氨酯固体的热传导系数，λg为空气的热传导系数，β为聚氨酯泡沫的发射因子，σ为常数，σ＝5.67
×
10-8w/(m2·
k4)，t为电池箱内温度t1与电池箱外环境温度t2的平均值，t＝(t1 t2)/2，t
p
为聚氨酯泡沫的厚度，k为聚氨酯固体的衰减系数；
[0134]
聚氨酯泡沫的厚度及密度是影响其热传导性能的关键物理量。为了提高电池箱的保温性，需减小聚氨酯泡沫的热传导性能。通过选取聚氨酯泡沫的厚度减小其热传导性能，设λ对t
p
的导数为零；
[0135][0136]
满足此条件时，聚氨酯泡沫的最佳厚度为
[0137][0138]
通过选取密度减小聚氨酯泡沫的热传导性能，设λ对ρ
p
导数为零；
[0139][0140]
满足此条件时，聚氨酯泡沫的最佳密度为
[0141][0142]
由(15)式及(17)式，得
[0143][0144]
由(18)式，得
[0145][0146]
所以，根据(17)式及(19)式获得聚氨酯保温层的厚度及密度。
[0147]
通过以上分析可以获得电池箱外层钢板的厚度t，电池箱中开孔泡沫铝的密度ρf及厚度tf，箱盖及箱体保温层聚氨酯泡沫的密度ρ
p
及厚度t
p
。
[0148]
进一步地，所述第一箱盖壳立板1与外沿4、第二箱盖壳立板2与外沿4、外沿4与钢板层10之间焊接三角形加强板6。
[0149]
以上所述仅为本实用新型的实施方式而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本实用新型的权利要求范围之内。