Brevet FR3114447A1 — publié le 20220325

L’invention porte sur les bacs de batteries pour les véhicules électriques ou hybrides. Les fonds des bacs batteries sont fait avec une tôle mince en acier dont le module d’élasticité est supérieur à 220 GPa afin d’en optimiser l’épaisseur tout en assurant une résistance à l’intrusion. Figure d'abrégé : Fig. 1 FOND DE BAC BATTERIES EN ACIER POUR VEHICULES ELECTRIQUES Domaine de l’invention La présente invention concerne le domaine des véhicules à moteur électrique ou à moteur hybride. La présente invention concerne plus particulièrement les bacs de batteries d’un tel véhicule à moteur électrique ou à moteur hybride, constitués d’un cadre périphérique ayant une forme polygonale généralement sur une vue en plan, un fond relié à la surface inférieure du cadre périphérique et réalisée en acier, ainsi qu’une coiffe supérieure pour la fermeture. Etat de la technique Un bac de batteries ou bac batteries peut comprendre une chambre hébergeant des unités d’éléments de cellules de stockage de l’énergie électrique, permettant de produire l’énergie électrique servant au fonctionnement du véhicule électrique ou hybride. Les unités d’éléments de cellules de stockage d’énergie électrique sont placées dans le bac batteries, après quoi le bac de batteries est monté à bord d’un véhicule à moteur électrique ou hybride. Un véhicule à moteur électrique ou un véhicule hybride (véhicule à moteur électrique également doté d’un moteur à explosion) exige un grand nombre de batteries pour faire fonctionner un moteur. Les références EP 1939026, US 2007/0141451, US 2008/0173488, US 2009/0236162 et EP 2623353 donnent quelques exemples de bacs de batteries conventionnelles pour véhicules électriques. Un bac batteries doit protéger les cellules de la batterie servant au stockage de l’énergie électrique. En particulier, en cas d’accident, cette protection doit éviter un court-circuit provoquant la panne complète du véhicule. Un bac batteries doit aussi avoir une fonction de cage de Faraday pour éviter les rayonnements électro magnétiques. Il faut par conséquent qu’un bac batteries ait des caractéristiques mécaniques suffisantes pour protéger les modules en cas de chocs dus à une collision. CN106207044 présente un bac batteries en matériau composite à base de fibres de carbone, formé de couches intermédiaires de fibres de carbone et de mousse de PVC laminée et les performances de résistance aux chocs latéraux. CN205930892 présente un modèle d’utilité qui fait appel à une structure de chicanes en nid d’abeille à la place de la partie basse afin d’améliorer les performances de sécurité en cas de collision. EP2766247 propose l’utilisation de bacs et d’un espace de déformation libre entre la paroi latérale du sous-compartiment des batteries et la poutre longitudinale du corps du véhicule. La demande de brevet CN108342627 présente un bac batteries pour véhicule électrique élaboré à partir des matières premières suivantes, exprimées en parties en masse : 0,4-0,9 partie de fer, 0,5-0,8 partie de titane, 0,7-1,3 partie de zinc, 0,2-0,6 partie de silicium, 3-6 parties de nickel, 4-8 parties de cuivre, 1-3 parties de manganèse, 80-90 parties d’aluminium, 0,2-0,6 partie de carbure de bore, 0,8-1 partie d’oxyde de chrome, 0,2-0,25 partie d’oxyde de magnésium, 0,2-0,5 partie d’oxyde de silicium, 0,2-0,5 partie d’oxyde de titane, 0,2-0,5 partie d’oxyde d’yttrium, 0,02-0,05 partie de carbure de béryllium, 0,02-0,05 partie de carbure de zirconium et 0,02-0,05 partie de carbure de tungstène. La demande de brevet CN107201464 présente un bac batteries d’automobile électrique élaboré à partir de, en masse, 0,4-0,9 partie de fer, 0,5-0,8 partie de titane, 0,7-1,3 partie de zinc, 0,2-0,6 partie de silicium, 0,1-0,15 partie de titane, 3-6 parties de nickel, 4-8 parties de cuivre, 1-3 parties de manganèse et 80-90 parties d’aluminium. La demande de brevet CN107760162 présente un bac batteries pour voiture particulière, à haute résistance et résistant à la corrosion, comprenant un corps, ce dernier étant réalisé dans un alliage à haute résistance. La surface du corps du bac batteries est revêtue d’une couche d’un revêtement résistant à la corrosion. L’alliage d'aluminium est élaboré à partir des composants suivants, en pourcentage de teneur pondérale : 0,21-0,47 % de Mn, 1,83-3,75 % de Cu, 0,23-0,47 % de Ti, 2,35-7,48 % de SiC, 0,13-0,54 % de Er et le reste constitué d’aluminium pur et d’impuretés à l’état de traces. L’objet du brevet JP4867257 présente une tôle mince d'acier à haute résistance ayant une résistance à la traction de 590 MPa ou plus, un rapport d'élasticité de 0,65 ou plus, et un module de Young de 225 GPa ou plus et une excellente rigidité, et une méthode pour produire le même et sa méthode de fabrication. La solution contient les éléments suivants, en % massique, C: 0,05 à 0,20%, Si: 1,5% ou moins, Mn: 1,0 à 2,5%, P: 0,05% ou moins, S: 0,01% ou moins, Al: 1,5% ou moins, N: 0,01%, et du reste Fe et des impuretés inévitables, a une taille moyenne de particule de la phase ferrite de 5 μm ou moins, a une microstructure dans laquelle la phase ferrite est présente dans un rapport de surface de 50% ou plus, et est une tôle d'acier. Le brevet EP2064360 présente une tôle d'acier qui comprend (en% en poids) du carbone (0,01-0,2), du manganèse (0,06-3), du silicium (= 1,5), de l'aluminium (0,005-1,5), du phosphore (= 0,04), du titane (2,5-7,2) et du bore selon une formule donnée dans le mémoire descriptif, éventuellement d'autres éléments tels que le nickel (= 1), le molybdène (= 1), le chrome (= 3), le niobium (= 0,1), le vanadium (= 0,1) et le fer et les impuretés (reste) , où les impuretés sont des impuretés inévitables résultant de l'élaboration. Des revendications indépendantes sont incluses pour: (1) un objet fabriqué à partir de pièces d'acier de composition et d'épaisseur identiques ou différentes, dans lequel au moins l'une des pièces d'acier est la tôle d'acier donnée, soudées ensemble; (2) un procédé de fabrication comprenant la fourniture de compositions d'acier et la coulée de l'acier sous la forme d'un produit semi-fini; et (3) la production de pièces structurelles, comprenant la découpe d'une ébauche d'une tôle d'acier ou d'un objet et la déformation de l'ébauche à 20-900 [deg] C. Un bac batteries se doit également d’être parfaitement étanche afin d’éviter la pénétration de fluide à l’intérieur de la chambre du bac batteries ou la fuite de l’électrolyte contenu dans les éléments de cellules de stockage d’énergie électrique à l’extérieur de la chambre du bac batteries. Un colmatage étanche est notamment obligatoire si le bac batteries est fixé au-dessous du plancher du véhicule, afin d’empêcher la pénétration d’eau ou de boue. De plus, il est nécessaire de prévoir une résistance à la corrosion contre les fluides entrants et sortants. Afin d’améliorer les performances de fonctionnement d’un véhicule, un bac batteries doit avoir un poids réduit tout en offrant simultanément une résistance aux chocs maximum, un colmatage étanche, une résistance à la corrosion, une aptitude à s’adapter au contrôle de la température et une aptitude à loger un maximum d’éléments de cellules de stockage d’énergie électrique. La présente invention a été développée pour alléger le fond de bac batteries pour les véhicules à moteur électrique ou hybride. La fonctionnalité principale de cette zone du bac est de protéger les cellules de stockage de l’énergie électrique et leur système de refroidissement des intrusions venant de la route (liquides et solides). La présente invention propose l’utilisation d’une tôle alliage d’aluminium. Cette solution permet en effet d’assurer une bonne réponse fonctionnelle, en offrant simultanément une étanchéité parfaite sur une grande surface (pas de liaisons nécessaires) et une performance structurale qui permet de limiter les intrusions d’objets à énergie cinétique élevée, ainsi qu’une grande stabilité des performances dans le temps (peu ou pas d’évolution des propriétés dans le temps, grande résistance à la corrosion structurelle dans l’environnement concerné), et enfin une masse optimisée. Problème posé Le but de la présente invention est de définir des matériaux métalliques en acier pour des bacs de batteries ayant de bonnes propriétés contre l’intrusion. Objet de l’invention L’objet de l’invention est l’utilisation d’une tôle mince en acier dont le module d’élasticité est au moins 220GPa pour réaliser un fond de bac batteries. Description des figures La Figure 1 est une vue éclatée d’un bac batteries pour un véhicule à moteur électrique ou hybride, dans le cas où le fond est une pièce séparée du cadre périphérique. La Figure 2 présente le montage expérimental de l’essai de pénétration. La Figure 3 présente le modèle de simulation numérique avec l’impacteur. Description de l’invention Les caractéristiques mécaniques statiques en traction, en d’autres termes la résistance à la rupture Rm, la limite d’élasticité conventionnelle à 0,2% d’allongement Rp0,2, l’allongement à striction Ag% et l’allongement à la rupture A%, sont déterminés par un essai de traction selon la norme NF EN ISO 6892-1, le prélèvement et le sens de l’essai étant définis par la norme EN 485-1. Le module d’élasticité, aussi appelé module d’Young, est mesuré selon la norme ASTM 1876. Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 s’appliquent. Une tôle mince est un produit laminé de section transversale rectangulaire dont l'épaisseur uniforme est comprise entre 0,20 mm et 6 mm. La montre un exemple non limitatif de bac batteries pour véhicules à moteur électrique ou hybride comprenant un fond 21, un cadre périphérique extérieur 22 formé de manière à être positionné sur une portion extérieure d’arête périphérique du fond 21 et une tôle forte supérieure ou coiffe 23 placée sur le cadre périphérique par le haut. Le cadre périphérique extérieur 22 est couramment relié au fond 21 par des moyens d’assemblage tels que soudage ou collage afin de garantir la résistance de l’assemblage et le colmatage des arêtes entre la partie basse et le cadre périphérique. Le cadre périphérique extérieur a une forme principalement polygonale. La coiffe supérieure est assemblée sur le cadre périphérique par des moyens d’assemblage tels que, par exemple non limitatif, des rivets, du collage, du soudage ou des vis. Elle peut également être fixée hermétiquement. L’ensemble du cadre périphérique 22 et du fond 21 peut aussi être constitué d’une pièce obtenue à partir de la déformation d’une tôle, par exemple non limitatif par emboutissage. La fonction structurelle principale de la plaque inférieure est la protection contre les intrusions des objets projetés de la route sur le bac batteries. Le principe est donc de protéger les batteries du bac batteries contre les dommages. Les inventeurs ont cherché à identifier les matériaux en acier les plus adaptés pour un bac batteries. Le critère de choix typique pour définir les meilleurs matériaux est d’obtenir la plus grande absorption d’énergie pour une déformation du fond de bac batteries sous l’effet d’un impacteur ou la plus grande force d’intrusion d’un impacteur pour la même déformation du fond de bac batteries. Ils ont procédé en plusieurs étapes : la première a consisté à réaliser des simulations numériques avec différents matériaux virtuels. Un matériau virtuel est un matériau uniquement défini par ses propriétés mécaniques sans se préoccuper a priori s’il peut exister. Ces propriétés mécaniques sont le module d’élasticité, la limite d’élasticité Rp0,2 et les courbes de contraintes et de déformations. La seconde étape consistait à définir les matériaux virtuels retenus en cherchant la composition et le procédé de fabrication qui permettent d’obtenir les propriétés retenues. Ces étapes furent naturellement répétées un certain nombre de fois pour obtenir les matériaux réels les plus performants pour l’allègement du fond de bac batteries. Usuellement, l’augmentation de la limite d’élasticité Rp0,2 d’un matériau est un moyen conventionnel pour pouvoir amincir une pièce faite avec ledit matériau. De façon surprenante, les inventeurs ont montré qu’il est également pertinent d’augmenter le module d’élasticité pour améliorer les propriétés des fonds de bac batteries. Pour une tôle mince en acier, usuellement, le module d’élasticité est typiquement de 210 GPa. Un fond de bac batteries selon l’invention utilise donc une tôle mince en acier dont le module d’élasticité est d’au moins 220GPa. Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, la tôle mince en acier utilisée pour le fond de bac batteries a un module d’élasticité d’au moins 225GPa, plus préférentiellement au moins 230GPa, plus préférentiellement au moins 235GPa, plus préférentiellement au moins 239GPa. Dans un mode de réalisation préféré, la tôle mince en acier utilisée pour le fond de bac batteries a une limite d’élasticité Rp0.2 supérieure à 350MPa, préférentiellement supérieure à 400MPa, plus préférentiellement supérieure à 800MPa, plus préférentiellement supérieure à 1000MPa, plus préférentiellement supérieure à 1200MPa. Exemples Un essai de pénétration spécifique a été conçu pour évaluer la résistance à la pénétration du fond 21. Pour évaluer la résistance à la pénétration du matériau en tôle, il est possible de recourir à deux configurations critiques sur la tôle du fond 21, qui forment une pénétration proche et une pénétration éloignée du cadre périphérique extérieur. À proximité du cadre, le système mécanique est rigide et n’autorise qu’une faible déformation de la tôle pendant la pénétration. De cette manière, la fracture du matériau est le mécanisme de dommage qui domine. En position centrale, loin du cadre, le système se comporte de façon élastique. Il peut être le siège de déformations élastiques et plastiques, conduisant à un risque élevé de contact de la tôle avec les modules de batteries. L’essai peut être effectué sur une machine d’essai de charge statique Zwick 400. Comme le montre la , la tôle 13 est serrée entre un cadre en acier supérieur et un cadre en acier inférieur 11 d’une largeur de 30 mm et fixé au moyen de plusieurs vis 12. Un mandrin cylindrique de 19,6 mm de diamètre avec des bords arrondis (r = 1,5 mm) est fixé sur la machine pour effectuer une pénétration dans la tôle. La force appliquée sur le mandrin ainsi que son déplacement sont mesurés. Le cadre peut se déplacer de manière à contrôler deux positions sur les mêmes positions de référence centrale 1 et de référence angulaire 4 de la tôle. Le déplacement total du mandrin pendant l’essai est réglé sur une distance de 15 mm choisie pour représenter un espace type entre le fond 21 et les batteries. L’essai est effectué en conditions quasi-statiques. Le test d’intrusion ci-dessus décrit nécessite de détenir un matériau à tester. Les inventeurs ont donc cherché à identifier les matériaux en acier les plus prometteurs pour alléger un fond de bac batteries. Les inventeurs ont donc défini des propriétés de matériaux virtuels dans l’objectif d’identifier les plus prometteurs dans le but d’alléger la masse d’un fond de bac batteries. Les propriétés des matériaux virtuels sont le module d’élasticité, la limite d’élasticité et les courbes de contraintes et de déformations. Ces données sont synthétisées sur les tableaux 1 et 2. Ces différentes propriétés des matériaux ont été utilisées en simulation numérique pour étudier leur résistance à l’intrusion en utilisant un fond de bac batteries simplifié. Le logiciel de simulation numérique est LS-Dyna. Le fond de bac batteries simplifié est une tôle de 350 * 600 mm. Le maillage pour la simulation utilise des éléments de longueur 2,5mm, « fully integrated shell element » avec 5 points d’intégration dans l’épaisseur. Les conditions aux limites pour la simulation numérique ont deux caractéristiques. La première est une bande de 30mm de large à 20mm à l’intérieur de la tôle à partir du bord, où on autorise seulement les translations dans le plan de la tôle et la rotation autour de l’axe verticale. Une seconde caractéristique est la présence de 16 zones de 10mm en diamètre reparties autour de la tôle pour représenter les zones de vis, où toutes les translations et toutes les rotations bloquées sur les nœuds. Le plan de la montre cette bande et ces 16 zones. La fonction structurelle principale de la plaque inférieure est la protection contre les intrusions contre les objets projetés de la route sur le bac batteries. Le principe est donc de protéger les batteries du boîtier des batteries contre les dommages. L’approche numérique est la simulation du test d'intrusion quasi-statique, avec un impacteur sphérique d'un diamètre de 150mm. Les inventeurs ont utilisé un diamètre d’impacteur sphérique de 150mm plutôt qu’un mandrin cylindrique de 19,6 mm de diamètre avec des bords arrondis car il est plus proche d’un objet réel pouvant impacter le bac batteries en réalité. La simulation est effectuée jusqu'à un déplacement du poinçon de 15 mm au centre de la tôle à vitesse constante et la force de réaction sur le poinçon est calculée. Les courbes entre les différentes options de matériaux sont comparées. La comparaison sur le tableau 2 entre l’acier 1 et l’acier 2 montre qu’augmenter le module d’élasticité de 30 GPa permet d’amincir la tôle en acier de 5,6%. La comparaison sur le tableau 2 entre l’acier 3 et l’acier 4 montre qu’augmenter le module d’élasticité de 30 GPa permet d’amincir la tôle en acier de 9,1%. Augmenter la limite d’élasticité d’un acier à haute limite d’élasticité comme l’acier 3 est bien plus intéressant que sur un acier comme l’acier 2. La tôle mince en acier du brevet JP4867257 est un exemple de tôle mince en acier qui convient pour l’invention. La tôle mince en acier du brevet EP2064360 est un exemple de tôle mince en acier qui convient pour l’invention. Acier 3 et 4 Acier 1 et 2 déformation [-] contrainte [MPa] déformation [-] contrainte [MPa] 0.000 1200 0.000 300 0.001 1269 0.001 369 0.002 1285 0.002 385 0.002 1294 0.002 394 0.003 1304 0.003 404 0.004 1327 0.004 427 0.006 1354 0.006 454 0.010 1386 0.010 486 0.016 1423 0.016 523 0.025 1465 0.025 565 0.040 1512 0.040 612 0.063 1564 0.063 664 0.100 1619 0.100 719 0.150 1668 0.150 768 0.200 1702 0.200 802 0.250 1728 0.250 828 0.300 1749 0.300 849 0.400 1779 0.400 879 0.500 1800 0.500 900 0.600 1816 0.600 916 0.700 1829 0.700 929 0.800 1838 0.800 938 0.900 1846 0.900 946 1.000 1853 1.000 953 E (GPa) Rp0,2 (MPa) Rm (MPa) Epaisseur (mm) Gain en épaisseur Acier 1 210 400 650 1.8 Invention Acier 2 240 400 650 1.7 5.6% Acier 3 210 1300 1450 1.1 Invention Acier 4 240 1300 1450 1.0 9.1% Utilisation d’une tôle mince en acier dont le module d’élasticité est au moins 220GPa pour réaliser un fond de bac batteries. Utilisation d’une tôle mince en acier selon la revendication 1 caractérisée en ce que le module d’élasticité de ladite tôle mince en acier est au moins 225GPa, préférentiellement 230GPa, plus préférentiellement 235GPa. Utilisation d’une tôle mince en acier selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisée en ce que la limite d’élasticité Rp0,2 de ladite tôle mince en acier est supérieure à 350MPa, préférentiellement supérieure à 400MPa, plus préférentiellement supérieure à 800MPa, plus préférentiellement supérieure à 1000MPa, plus préférentiellement supérieure à 1200MPa.