RU2838243C2 - Крышка аккумуляторной батареи и аккумуляторная батарея, включающая такую крышку - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к элементам корпуса аккумуляторной батареи в автомобильной промышленности. Согласно изобретению крышка аккумуляторной батареи включает штампованный стальной лист с металлическим покрытием, причем указанное металлическое покрытие выполнено на основе цинка и содержит алюминий, магний и неизбежные примеси, при этом металлическое покрытие покрыто пассивирующим металлическим хромсодержащим покрытием. Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой стойкости к воздействию огня, включая риск взрыва аккумуляторной батареи. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл., 1 пр.

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 тяжёлую и громоздкую аккумуляторную батарею. Эта аккумуляторная батарея состоит из множества аккумуляторных модулей, каждый из которых содержит элементы батареи. Указанная аккумуляторная батарея должна быть хорошо 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 всё более крупные модули и даже хранить все элементы батареи 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 верхней 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. Её 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 своё 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 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 счёт создания крышки по п. 1. Крышка также может иметь любую или все характеристики по пп. 2 - 5. Ещё 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 её 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, причём указанное металлическое покрытие выполнено на основе цинка и включает алюминий, магний и неизбежные примеси.

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 путём 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 путем горячего погружения в ванну с расплавом на основе цинка, включающим алюминий, магний и неизбежные примеси.

Затем стальной лист можно разрезать на заготовки. Ему можно придать форму путём штамповки, чтобы придать специфическую форму крышки.

Металлическое покрытие на основе алюминия, используемое в изобретении, необязательно включает кремний и неизбежные примеси, образующиеся в процессе производства.

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

В предпочтительном варианте осуществления металлическое покрытие включает 1,5 - 10% масс. алюминия, 1,5 - 10% масс. магния, остальное составляет цинк и неизбежные примеси. Такое металлическое покрытие обеспечивает соответствующую стойкость к коррозии.

Например, металлическое покрытие Zagnilis® Protect имеет следующий массовый состав: 3,7% алюминия и 3% магния, остальное составляет алюминий.

Общая масса металлического покрытия может составлять 50 - 450 г/м² с обеих сторон или менее. Например, масса металлического покрытия может составлять 120, 310 или 430 г/м².

Например, толщина металлического покрытия на внутренней стороне аккумуляторной батареи составляет 10 - 40 мкм.

В предпочтительном варианте осуществления поверхность металлического покрытия покрыта пассивирующим покрытием.

Пассивирующие покрытия можно наносить в режиме реального времени с помощью валика после стадии нанесения покрытия методом горячего погружения в ванну. Его также можно наносить на стальные детали путём погружения в расплав. В обоих случаях водный раствор, содержащий определённые металлические пассивирующие элементы, наносят на поверхность в виде влажной плёнки. После высыхания пассивирующее покрытие создаёт на поверхности конверсионный слой, обеспечивающий усиленную защиту от коррозии.

Например, пассивирующее покрытие содержит хром, а поверхностная масса хрома составляет 15 - 45 мг/м². Альтернативно оно может содержать цирконий в том же количестве.

Затем стальной лист 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 рёбра жёсткости. Наконец, крышка крепится к батарее любым съёмным или несъёмным 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 х 150 мм². Каждый образец помещали перед газовой горелкой так, чтобы на него попадало пламя. Пластина между образцом и горелкой имеет отверстие размером 90 x 90 мм².

Были протестированы три материала:

- материал 1 представляет собой стальной лист толщиной 0,7 мм. Он покрыт Zagnilis® Protect. Это покрытие, нанесённое методом горячего погружения, содержит по массе 3,7% алюминия и 3% магния, остальное составляет алюминий. Плотность покрытия составляет 310 г/м². После нанесения покрытия горячим погружением поверхность была пассивирована путём нанесения валиком Bonderite® MPA 6010, поставляемого HENKEL, который содержит ионы хрома(III). Затем его сушили обдувом горячим воздухом. Поверхностная масса хрома на высушенной поверхности составляет 25 - 35 мг/м².

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

- материал 3 представляет собой оцинкованный стальной лист толщиной 0,8 мм, с электрофоретическим покрытием на эпоксидной основе. Покрытие, нанесенное путем горячего погружения, содержит до 0,2% масс. алюминия, 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 0,8 мм, имеющий такое же металлическое покрытие и пассивирован, как и материал 1.

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 B, который является менее жёстким, температура пламени составляет 1000°C, а время воздействия составляет сначала 20 с, за которым следует время затухания пламени 60 с окончательным воздействием 10 с.

Для анализа тестов рассматривают несколько критериев. Целостность листа, т.е. проникло ли пламя через лист или нет, температуру лицевой стороны, не подвергавшейся воздействию пламени (обратная сторона) 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	615°C	Нет
	2	Да после 45 с	выше 910° C	-

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

Более того, как видно на фиг. 2, в образце 1 пузырьков не наблюдается. Его покрытие не выделяет газ.

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

Сценарий B	Образец	Проникновение пламени	Температура на обратной стороне после 130 с	Присутствие пузырьков
1000°C 130 с	3	Нет	486°C	Да
	4*	Нет	590°C	Нет

После выдержки в течение 130 с при температуре 1000°C на обратной стороне образца 3 отчётливо видны пузырьки, как это заметно на фиг. 3. Эти открытые пузырьки выделяют продукты сгорания краски в виде газа.

На образце 4 нет пузырьков, как видно на фиг. 4.

Claims (6)

1. Крышка аккумуляторной батареи, включающая штампованный стальной лист с металлическим покрытием, причем указанное металлическое покрытие выполнено на основе цинка и содержит алюминий, магний и неизбежные примеси, причем металлическое покрытие покрыто пассивирующим металлическим хромсодержащим покрытием.

2. Крышка аккумуляторной батареи по п. 1, в которой поверхностная масса пассивирующего покрытия составляет 5-50 мг/м².

3. Крышка аккумуляторной батареи по п. 1 или 2, в которой металлическое покрытие включает по массе 1,5-10% алюминия, 1,5-10% магния, остальное составляют цинк и неизбежные примеси.

4. Крышка аккумуляторной батареи по п. 1 или 2, имеющая металлическое покрытие толщиной 10-40 мкм на внутренней стороне аккумуляторной батареи.

5. Крышка аккумуляторной батареи по любому из пп. 1-3, имеющая металлическое покрытие общей массой 50-450 г/м² с обеих сторон.

6. Аккумуляторная батарея, включающая крышку по любому из пп. 1-5.