碳纤维复合材料对动力电池箱体进行轻量化设计的方法

本文以某款纯电动车为研究对象，结合碳纤维复合材料设计的特点，设计碳纤维动力电池箱体以满足动力电池轻量化的需求。提高传感器供电或者增加前段放大器来实现。

引言

发展新能源汽车，是有效缓解能源和环境压力，推动汽车产业可持续发展的重要途径。动力电池作为新能源汽车能量供给的核心零部件，其性能直接影响了新能源汽车的性能表现。

其中动力电池箱体作为动力电池的载体，在动力电池安全工作和防护方面起着关键作用。传统电动汽车动力电池箱体大多采用金属材料制造，随着制造材料的发展，为了提高新能源汽车经济性，实现动力电池轻量化，复合材料被逐渐应用到动力箱体设计中。

本文以某款纯电动车为研究对象，结合碳纤维复合材料设计的特点，设计碳纤维动力电池箱体以满足动力电池轻量化的需求。提高传感器供电或者增加前段放大器来实现。

1、碳纤维电池箱体的设计

1.1电池箱体对产品的功能需求

电池箱体作为电动汽车用动力电池的防护零件，对结构设计、重量等方面的要求都很高，在电池模块的重量和尺寸确定后，设计电池箱体时考虑的因素比较多。首先电池箱体是电池模块的承载件，电池模块需要通过它连接到车身上。其次，动力电池一般安装在车体下部，考虑到电池模块的工作环境，电池箱体需要具有对模块的防护功能，需要考虑模块的防水防尘以及道路环境对电池箱体的腐蚀，电池箱体还需要考虑承受车辆运行过程中的振动和冲击等。

1.2碳纤维材料的优势分析

动力电池箱体对材料的要求有:高强度;轻量化;优良的耐腐蚀性?碳纤维在这3方面具有极大的优势?首先碳纤维复合材料具有较高的比强度(材料的拉伸强度和密度之比)和比模量(材料的弹性模量与密度之比)，其比强度是钢材的5倍?碳纤维和环氧树脂复合后的密度为1.4kg/m3?该材料还具有优良的耐蚀性和阻燃性?

1.3车用碳纤维电池箱体的工艺设计

碳纤维复合材料产品的成型方式有很多种，其中适用于碳纤维电池箱体的加工工艺有模压?真空辅助成型工艺(VARI)?RTM等?模压?RTM工艺适用于零件批量大的情况?VARI工艺所需模具成本较低，成型产品的纤维含量较高，但成型的整个过程耗时长，适用于批量要求小?成本低的零件生产?根据零件的产量及成本等要求，结合国内现有复合材料厂家的工艺能力，比较这3种工艺，本产品选择了VARI工艺?

VARI是一种将干织物通过真空辅助导入成型的工艺方式?其工艺原理是在单面刚性模具上以柔性真空袋膜包覆?密封纤维增强材料，利用真空负压排除模腔中的气体，并通过真空负压驱动树脂流动而实现树脂对纤维及其织物的浸渍?电池箱体的工艺方案为:阴模成型模具，表面进行高光或者亚光处理，在模具上铺设一定层数的碳纤维布料后，通过导流网?导流管?密封条的辅助，由真空泵将混合好的树脂材料抽吸在纤维布中，最后进行固化。固化成型后脱模，并对边界及需要开孔的部位进行切割加工?

1.4碳纤维电池箱体的结构设计

动力电池在车体上的位置断面如图1所示。

1.4.1总体结构设计

根据电池模块的形状和布置方式，结合动力电池在车身上的位置，本着尽量利用空间的原则，此电池箱体的外包络设计为接近方形的箱体结构。

主体结构层由碳纤维布铺附而成，并且辅以树脂，在连接处使用了金属接头，金属接头和主体结构层之间用结构胶连接。电池模块组和箱体之间采用金属紧固件进行连接。

为了增加零件的强度和模态，在一些大面积的结构面上，加强筋是提高结构稳定性的典型形式，而帽形筋条相对来说承载效率高、重量低，本电池箱体采用了类似帽形筋条凸筋和凹筋对结构进行了加强。鉴于连续纤维复合材料的特性，碳纤维加强结构凸筋和凹筋处做等厚设计。

1.4.2铺层设计

电池箱体的碳纤维编织布采用了T300-3K和T300-12K，两种织布混合的方式，共10层碳纤维平纹织布加树脂的设计。铺层时主要考虑了以下注意事项:铺层角的均衡性、同一铺层方向的数量要求、铺层的对称性、铺层层间角度的偏差、限制最大连续铺层数。电池箱体零件采用了10层平纹织布交叉平铺的方式，铺层方式为［0 /45 /0 /45 /0 /0 /45 /0 /45 /0］。

1.4.3连接设计

电池模块需要通过电池箱体连接在车体上，电池箱体在连接处采用了金属紧固件进行连接，这些紧固件部分采用埋入方式，通过控制埋入的深度使连接处能够承受较高的拉伸强度；部分紧固件和碳纤维本体之间采用结构胶粘结在一起。

2、碳纤维动力电池箱体仿真结果分析

碳纤维动力电池箱体从G-Load、模态分析、振动及冲击4个方面对动力电池箱体结构进行仿真分析，从而为动力电池系统的耐久性研究和结构优化提供参考。

2.1 G-Load分析

按照表1中数值，分4个工况对动力电池进行加载，主要是考察电池系统在车辆正常行驶过程中，由于刹车、转弯、跳跃等因素，电池系统承受来自不同方向载荷下的结构强度。

表1 G-Load 分析载荷工况表

分析结果显示，恶劣工况下的最大应力小于材料的许用应力，见表2。

2.2模态分析

模态是机械结构的固有振动特性，模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和振型。对于动力电池箱体来说，模态分析主要是考察蓄电池系统结构的前六阶固有频率及振型。

由于随机振动标准J2380在Z向振动要求中，35～40Hz以下频率段属于高振动能量区，故要求电池包Z向低阶模态应尽可能高于35～40Hz。对模型进行模态分析后，结果显示电池壳体结构的一阶模态为61Hz，符合对低阶模态的要求(见图2)。

            

2.3机械冲击

采用ISO16750中规定的方法对动力电池箱结构的抗机械冲击能力进行分析。冲击脉冲采用半正弦形脉冲波形，峰值加速度为500m/s2，持续时间为6ms。冲击的加速度在所用6个方向上进行。分析结果显示，电池托盘和壳体的最大应力为76.5MPa远小于材料的许用应力(图3)。

2.4振动分析

动力电池箱体的振动分析选用SAEJ2380中的标准。按SAEJ2380中规定的方法对动力电池箱结构的抗机械振动能力进行分析。分析结果显示，电池托盘和壳体的最大应力远小于材料的许用应力。碳纤维电池壳体满足设计要求。

3、结语

本文研究了使用碳纤维复合材料对动力电池箱体进行轻量化设计的方法，并通过有限元仿真分析对设计进行了验证。从分析结果看碳纤维复合材料电池箱体在结构模态、机械冲击和结构疲劳方面完全满足要求。碳纤维复合材料动力电池箱体的设计重量为12kg，而采用SMC复合材料制作的动力电池箱体的重量为15.5kg，整体减重3.5kg，相比减重达22%实现了减重指标。