RU2846961C2

RU2846961C2 - Стальной лист для крышки аккумуляторной батареи и способ его изготовления

Info

Publication number: RU2846961C2
Application number: RU2024105059A
Authority: RU
Inventors: Паскаль САНЗЕЙ; Кристиан АЛЛЕЛИ; Тарек КРИМ; Лоранс ДОСДА; Орели БЕССОН
Original assignee: Арселормиттал
Priority date: 2021-08-02
Filing date: 2022-06-24
Publication date: 2025-09-22

Abstract

Изобретение относится к применению штампованного стального листа в качестве крышки аккумуляторной батареи. Техническим результатом является создание крышки, которая обладает высокой стойкостью к воздействию огня, включая риск взрыва. Технический результат достигается применением штампованного стального листа с металлическим покрытием в качестве крышки аккумуляторной батареи. Причём на указанное металлическое покрытие нанесено органическое покрытие, и указанное органическое покрытие имеет два слоя. При этом первый слой органического покрытия, находящийся в контакте с металлическим покрытием, имеет толщину 2-25 мкм и выполнен на основе полиэфира, полиуретана или эпоксидной смолы, и второй органический слой выполнен на основе полиэфира или полиуретана. 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.

Description

Настоящее изобретение относится к элементам корпуса аккумуляторной батареи в автомобильной промышленности. Более конкретно, оно относится к крышке аккумуляторной батареи электрического или гибридного транспортного средства, имеющей соответствующую стойкость к воздействию огня.

Электромобили или гибридные автомобили должны иметь, по меньшей мере, одну тяжелую и громоздкую аккумуляторную батарею. Эта аккумуляторная батарея состоит из множества аккумуляторных модулей, каждый из которых содержит аккумуляторные элементы. Указанная аккумуляторная батарея должна быть соответственно защищена от термических нагрузок, которые могут возникнуть в случае аварии, пожара или любого воздействия высокой температуры, будь то во время сборки или в течение дальнейшего срока службы транспортного средства.

Текущая тенденция заключается в том, чтобы иметь все более крупные модули и даже хранить все аккумуляторные элементы в корпусе аккумуляторной батареи, оставляя промежуточную защитную оболочку в модулях. Внутренняя архитектура аккумуляторной батареи может состоять из элементов, сгруппированных в модули, или состоять из контейнера, включающего непосредственно элементы батареи и закрытого крышкой. Какой бы ни была внутренняя архитектура аккумуляторной батареи, она закрыта сверху крышкой.

Как показано на фиг. 1, аккумуляторная батарея включает снизу-вверх:

• экранирующий элемент 1;

• внутреннюю архитектуру аккумуляторной батареи, включающую элементы батареи и армирующие детали, необязательно аккумуляторные модули 2;

• верхнюю крышку, которая также называется крышкой 3.

Крышка может быть приклеена и/или привинчена к другим частям аккумуляторной батареи. Ее также можно соединить с внутренней архитектурой любым методом сборки, например, сваркой.

Крышка может быть изготовлена из алюминиевых листов, например, из алюминиевого сплава серии 6000 или, возможно, из специального сплава AL 6016.

Опасность возгорания, связанная с аккумуляторами, является важным аспектом безопасности электрических или гибридных транспортных средств. В частности, тепловой разгон, однажды начавшийся в одном элементе батареи, выделяет достаточно тепла, чтобы соседние элементы также перешли в тепловой разгон. Это приводит к возникновению пожара, который многократно разгорается по мере того, как каждый элемент аккумуляторной батареи нагревается, ломается, может взорваться и высвободить свое содержимое. Химические вещества внутри аккумулятора нагреваются, что приводит к дальнейшему разрушению любых корпусов, будь то корпус элементов, модулей или всей аккумуляторной батареи. Легковоспламеняющийся электролит может воспламениться или даже взорваться под воздействием кислорода воздуха.

Крышка аккумуляторной батареи является первым разделителем между элементами батареи и салоном и имеет большое значение для огнестойкости аккумуляторной батареи. Крышка должна обеспечивать безопасное разделение аккумуляторной батареи и салона даже при высокой температуре. Крышка также должна выделять мало газа или вообще не выделять его при воздействии высоких температур. В частности, такие газы, как CO₂ или другие газообразные продукты сгорания, могут значительно повысить давление внутри аккумуляторной батареи, когда они высвобождаются внутри аккумулятора и нагреваются при пожаре. Это может привести к разрушению корпуса, образованию трещин в корпусе и взрыву.

В документе US 2019131602 раскрыт корпус для аккумуляторной батареи с крышкой. Эта крышка выполнена в виде сэндвича, включающего, по меньшей мере, металлическую часть и пластиковую часть, при этом металлическая часть изготовлена, по меньшей мере, из стали и алюминия. Целью настоящего изобретения является создание крышки, которая обладает высокой стойкостью к воздействию огня, включая риск взрыва.

Эта цель достигается за счет создания крышки по п. 1. Крышка также может иметь любую или все характеристики по пп. 2-4. Еще одним объектом изобретения является аккумуляторная батарея, включающая крышку согласно изобретению.

Другие характеристики и преимущества изобретения станут очевидными из последующего подробного описания изобретения.

Для иллюстрации изобретения будут описаны различные осуществления и испытания в неограничивающих примерах, в частности, со ссылкой на следующие чертежи:

фиг. 1 представляет аккумуляторную батарею и ее крышку в транспортном средстве с аккумуляторной батареей;

фиг. 2 представляет крышку согласно изобретению после воздействия огня в течение 130 секунд при температуре 1300°С;

фиг. 3 представляет крышку, не соответствующую изобретению, после воздействия огня в течение 130 с при температуре 1000°С;

фиг. 4 представляет крышку согласно изобретению после воздействия огня, в течение 130 секунд при температуре 1000°С.

Изобретение относится к крышке аккумуляторной батареи, включающей стальной лист с металлическим покрытием, причем на указанное металлическое покрытие нанесено органическое покрытие.

Для этой цели в рамках изобретения может быть использована любая сталь. Предпочтительно подходят стали, имеющие соответствующую формуемость. Например, крышка может быть изготовлена из мягкой стали для глубокой вытяжки, такой как сталь с небольшим количеством металлических включений, имеющая следующий массовый состав: C ≤ 0,01%; Si ≤ 0,3%; Mn ≤ 1,0%; Р ≤ 0,1%; S ≤ 0,025%; Al ≥ 0,01%; Ti ≤ 0,12%; Nb ≤ 0,08%; Cu ≤ 0,2%.

Например, крышка может быть изготовлена из высокопрочной низколегированной стали (HSLA), имеющей следующий массовый состав: C ≤ 0,1%; Si ≤ 0,5%; Mn ≤ 1,4%; Р ≤ 0,04%; S ≤ 0,025%; Al ≥ 0,01%; Ti ≤ 0,15%; Nb ≤ 0,09%; Cu ≤ 0,2%.

Стальной лист можно получить путем горячей прокатки стального сляба и последующей холодной прокатки полученного рулона стали в зависимости от требуемой толщины, которая может составлять, например, 0,6-1,0 мм.

Затем на стальной лист наносят металлическое покрытие любым способом нанесения покрытия. Например, стальной лист покрывают горячим погружением в ванну с расплавом, а затем обрабатывают воздушным шабером.

Ванна расплава может быть выполнена на основе цинка и включать неизбежные примеси.

В предпочтительном осуществлении ванна выполнена на основе цинка и необязательно содержит 2% масс. алюминия.

Общая масса металлического покрытия может составлять 50-200 г/м² с обеих сторон или менее. Например, толщина покрытия на внутренней стороне аккумуляторной батареи составляет 10-40 мкм.

После горячего нанесения металлического покрытия стальной лист окрашивают, например, на линии нанесения органической краски. Поверхность может быть подготовлена путем обезжиривания и последующей конверсионной обработки путем нанесения валиком для обеспечения сцепления 1-го слоя краски.

Первый слой краски, также известный как грунтовка, может иметь толщину 2-25 мкм. Грунтовка может быть выполнена на основе различных смол, таких как полиэфир, полиуретан или эпоксидная смола.

Второй слой краски на основе полиэфира или полиуретана также наносят валиком. В предпочтительном осуществлении его толщина составляет 2-40 мкм, предпочтительно 5-25 мкм.

Стальной лист с металлическим покрытием, используемый в изобретении, покрыт органической краской. Органическое покрытие, используемое в изобретении, состоит из двух слоев. Первый слой органического покрытия, контактирующий с металлическим покрытием, имеет толщину 2-25 мкм, а второй слой органического покрытия выполнен на основе полиэфира или полиуретана. Органическое покрытие затем подвергают сушке в печи.

Такое покрытие выделяет мало газов при воздействии температуры пламени. В случае пожара или высоких температур давление внутри аккумуляторной батареи не увеличится.

Затем стальной лист с металлическим и органическим покрытием можно разрезать на заготовки. Заготовка может быть сформирована методом штамповки конкретной формы крышки. Эта конкретная форма обусловлена конструкцией.

Крышка представляет собой большую горизонтальную деталь и может подвергаться вибрации. Чтобы уменьшить эти вибрации и последующий шум, во время штамповки крышки обычно создают ребра жесткости. Наконец, крышка крепится к батарее любым съемным или несъемным способом, например, привинчиванием, сваркой или приклеиванием.

Примеры

Для определения огнестойкости крышек было проведено несколько испытаний. Все тесты проводились на одном и том же испытательном устройстве.

Испытательное устройство было выполнено на основе испытательного устройства, описанного в стандарте ISO 2685:1998. Были выполнены две следующие модификации: во-первых, образец был термически изолирован от конструкции испытательного устройства пластиной из силиката кальция толщиной 10 мм. Во-вторых, газовая горелка, генерирующая пламя, была откалибрована для достижения заданной температуры на поверхности образца, подвергающейся воздействию пламени.

Для всех испытаний образцы имели одинаковый размер 150 × 150 мм². Каждый образец помещали перед газовой горелкой так, чтобы на него попадало пламя. Пластина между образцом и горелкой имеет отверстие размером 90 × 90 мм².

Были протестированы четыре материала:

- материал 1 представляет стальной лист толщиной 0,7 мм. Он оцинкован горячим способом. Масса металлического покрытия составляет 275 г/м². Он также имеет органическое покрытие со следующими слоями на поверхности, подвергающейся воздействию пламени: первый слой толщиной 4 мкм, контактирующий с металлическим покрытием, и второй слой толщиной 8 мкм на основе полиэфира,

- материал 2 представляет собой алюминиевый лист толщиной 1,0 мм серии 6016,

- материал 3 представляет собой оцинкованный стальной лист толщиной 0,8 мм, со слоем электрофоретического покрытия на эпоксидной основе. Покрытие, нанесенное методом горячего погружения, содержит 0,2% масс. алюминия, а остальное составляет цинк. Масса металлического покрытия составляет 140 г/м². После стадии фосфатирования образец погружали в ванну для электрофоретического покрытия. Протестировано электрофоретическое покрытие Powercron® 6200 HE, поставляемое PPG. Толщина сухой краски после горячей сушки составляет 25 мкм на каждой поверхности,

- материал 4 представляет собой стальной лист толщиной 0,7 мм. Он оцинкован горячим способом. Масса металлического покрытия составляет 275 г/м². Он также имеет органическое покрытие со следующими слоями на поверхности, подвергающейся воздействию пламени: первый слой толщиной 5 мкм, контактирующий с металлическим покрытием, и второй слой толщиной 20 мкм на основе полиэфира.

Далее, образец 1 изготовлен из материала 1, образец 2 изготовлен из материала 2, образец 3 изготовлен из материала 3, образец 4 изготовлен из материала 4.

Были протестированы два сценария воздействия пожара. В сценарии А температура пламени составляет 1300°С, время воздействия 130 с. В сценарии В, который является менее жестким, температура пламени составляет 1000°С, а время воздействия 130 с.

Для анализа тестов рассматриваются несколько критериев. Целостность листа, т.е., проникло ли пламя через лист или нет, температура стороны, не подвергавшейся воздействию пламени (обратной стороны) в конце испытания, а также наличие пузырьков в покрытии после испытания. Наличие пузырька свидетельствует о выделении газа.

Таблица 1. Сценарии воздействия пламени

Сценарий	Время воздействия пламени	Температура пламени
A	130 с	1300°C
B	130 с	1000°C

Таблица 2. Сценарий A: 130 с при 1300°C

Сценарий A	Образец	Проникновение пламени	Температура на обратной стороне после 130 с	Присутствие пузырьков
1300°C 130 с	1*	Нет	743°C	Нет
	2	Да после 45 с	выше 910°C	-
	4*	Нет	625°C	Нет

* в соответствии с изобретением.

После выдержки 130 с при 1300°С обратная сторона образцов 1 и 4 из стали остается при температуре менее 700°С и не имеет признаков плавления. И наоборот, пламя проникло через материал 2, изготовленный из более толстого алюминия.

Более того, в образце 1 нет пузырьков, как видно на фиг. 2, а есть только трещины, возникающие из-за разного теплового расширения между стальным листом и слоем органического покрытия. Образец 4 имеет внешний вид, аналогичный образцу 1, и не имеет пузырьков.

Таблица 3. Сценарий B: 130 с при 1000°C

Сценарий В	Образец	Проникновение пламени	Температура на обратной стороне после 130 с	Присутствие пузырьков
1300°C 130 с	1*	Нет	655°C	Нет
	3	Нет	486°C	Да
	4*	Нет	585°C	Нет

* согласно изобретению.

После выдержки в течение 130 с при температуре 1000°C на обратной стороне образца 3 отчетливо видны пузырьки, как это видно на фиг. 3. Эти открытые пузырьки выделяют продукты сгорания краски в виде газообразных продуктов. На образце 4 нет никаких пузырьков, как видно на фиг. 4. Образец 1 имеет внешний вид, аналогичный образцу 4, и не имеет никаких пузырьков.

Claims

1. Применение штампованного стального листа с металлическим покрытием, причём на указанное металлическое покрытие нанесено органическое покрытие, и указанное органическое покрытие имеет два слоя, при этом первый слой органического покрытия, находящийся в контакте с металлическим покрытием, имеет толщину 2-25 мкм и выполнен на основе полиэфира, полиуретана или эпоксидной смолы, и второй органический слой выполнен на основе полиэфира или полиуретана, в качестве крышки аккумуляторной батареи.

2. Применение по п. 1, в котором металлическое покрытие выполнено на основе цинка и необязательно включает до 2% масс. алюминия и неизбежных примесей.

3. Применение по п. 1 или 2, в котором металлическое покрытие имеет толщину 10-40 мкм на внутренней стороне аккумуляторной батареи.

4. Применение по любому из пп. 1-3, в котором металлическое покрытие имеет общую массу покрытия 50-200 г/м² с обеих сторон.

5. Применение по любому из пп. 1-4, в котором указанный первый слой органического покрытия, который находится в контакте с металлическим покрытием, выполнен на основе полиэфира.

6. Применение по любому из пп. 1-4, в котором указанный первый слой органического покрытия, который находится в контакте с металлическим покрытием, выполнен на основе полиуретана.

7. Применение по пп. 1-4, в котором указанный первый слой органического покрытия на основе эпоксидной смолы находится в контакте с металлическим покрытием.