本文以某款純電動車為研究對象，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料設(shè)計的特點，設(shè)計碳纖維動力電池箱體以滿足動力電池輕量化的需求。提高傳感器供電或者增加前段放大器來實現(xiàn)。

引言

發(fā)展新能源汽車，是有效緩解能源和環(huán)境壓力，推動汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。動力電池作為新能源汽車能量供給的核心零部件，其性能直接影響了新能源汽車的性能表現(xiàn)。

其中動力電池箱體作為動力電池的載體，在動力電池安全工作和防護方面起著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)電動汽車動力電池箱體大多采用金屬材料制造，隨著制造材料的發(fā)展，為了提高新能源汽車經(jīng)濟性，實現(xiàn)動力電池輕量化，復(fù)合材料被逐漸應(yīng)用到動力箱體設(shè)計中。

本文以某款純電動車為研究對象，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料設(shè)計的特點，設(shè)計碳纖維動力電池箱體以滿足動力電池輕量化的需求。提高傳感器供電或者增加前段放大器來實現(xiàn)。

1、碳纖維電池箱體的設(shè)計

1.1電池箱體對產(chǎn)品的功能需求

電池箱體作為電動汽車用動力電池的防護零件，對結(jié)構(gòu)設(shè)計、重量等方面的要求都很高，在電池模塊的重量和尺寸確定后，設(shè)計電池箱體時考慮的因素比較多。首先電池箱體是電池模塊的承載件，電池模塊需要通過它連接到車身上。其次，動力電池一般安裝在車體下部，考慮到電池模塊的工作環(huán)境，電池箱體需要具有對模塊的防護功能，需要考慮模塊的防水防塵以及道路環(huán)境對電池箱體的腐蝕，電池箱體還需要考慮承受車輛運行過程中的振動和沖擊等。

1.2碳纖維材料的優(yōu)勢分析

動力電池箱體對材料的要求有:高強度;輕量化;優(yōu)良的耐腐蝕性?碳纖維在這3方面具有極大的優(yōu)勢?首先碳纖維復(fù)合材料具有較高的比強度(材料的拉伸強度和密度之比)和比模量(材料的彈性模量與密度之比)，其比強度是鋼材的5倍?碳纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合后的密度為1.4kg/m3?該材料還具有優(yōu)良的耐蝕性和阻燃性?

1.3車用碳纖維電池箱體的工藝設(shè)計

碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的成型方式有很多種，其中適用于碳纖維電池箱體的加工工藝有模壓?真空輔助成型工藝(VARI)?RTM等?模壓?RTM工藝適用于零件批量大的情況?VARI工藝所需模具成本較低，成型產(chǎn)品的纖維含量較高，但成型的整個過程耗時長，適用于批量要求小?成本低的零件生產(chǎn)?根據(jù)零件的產(chǎn)量及成本等要求，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有復(fù)合材料廠家的工藝能力，比較這3種工藝，本產(chǎn)品選擇了VARI工藝?

VARI是一種將干織物通過真空輔助導(dǎo)入成型的工藝方式?其工藝原理是在單面剛性模具上以柔性真空袋膜包覆?密封纖維增強材料，利用真空負壓排除模腔中的氣體，并通過真空負壓驅(qū)動樹脂流動而實現(xiàn)樹脂對纖維及其織物的浸漬?電池箱體的工藝方案為:陰模成型模具，表面進行高光或者亞光處理，在模具上鋪設(shè)一定層數(shù)的碳纖維布料后，通過導(dǎo)流網(wǎng)?導(dǎo)流管?密封條的輔助，由真空泵將混合好的樹脂材料抽吸在纖維布中，最后進行固化。固化成型后脫模，并對邊界及需要開孔的部位進行切割加工?

1.4碳纖維電池箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

動力電池在車體上的位置斷面如圖1所示。

1.4.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)電池模塊的形狀和布置方式，結(jié)合動力電池在車身上的位置，本著盡量利用空間的原則，此電池箱體的外包絡(luò)設(shè)計為接近方形的箱體結(jié)構(gòu)。

主體結(jié)構(gòu)層由碳纖維布鋪附而成，并且輔以樹脂，在連接處使用了金屬接頭，金屬接頭和主體結(jié)構(gòu)層之間用結(jié)構(gòu)膠連接。電池模塊組和箱體之間采用金屬緊固件進行連接。

為了增加零件的強度和模態(tài)，在一些大面積的結(jié)構(gòu)面上，加強筋是提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的典型形式，而帽形筋條相對來說承載效率高、重量低，本電池箱體采用了類似帽形筋條凸筋和凹筋對結(jié)構(gòu)進行了加強。鑒于連續(xù)纖維復(fù)合材料的特性，碳纖維加強結(jié)構(gòu)凸筋和凹筋處做等厚設(shè)計。

1.4.2鋪層設(shè)計

電池箱體的碳纖維編織布采用了T300-3K和T300-12K，兩種織布混合的方式，共10層碳纖維平紋織布加樹脂的設(shè)計。鋪層時主要考慮了以下注意事項:鋪層角的均衡性、同一鋪層方向的數(shù)量要求、鋪層的對稱性、鋪層層間角度的偏差、限制最大連續(xù)鋪層數(shù)。電池箱體零件采用了10層平紋織布交叉平鋪的方式，鋪層方式為［0 /45 /0 /45 /0 /0 /45 /0 /45 /0］。

1.4.3連接設(shè)計

電池模塊需要通過電池箱體連接在車體上，電池箱體在連接處采用了金屬緊固件進行連接，這些緊固件部分采用埋入方式，通過控制埋入的深度使連接處能夠承受較高的拉伸強度；部分緊固件和碳纖維本體之間采用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)在一起。

2、碳纖維動力電池箱體仿真結(jié)果分析

碳纖維動力電池箱體從G-Load、模態(tài)分析、振動及沖擊4個方面對動力電池箱體結(jié)構(gòu)進行仿真分析，從而為動力電池系統(tǒng)的耐久性研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

2.1 G-Load分析

按照表1中數(shù)值，分4個工況對動力電池進行加載，主要是考察電池系統(tǒng)在車輛正常行駛過程中，由于剎車、轉(zhuǎn)彎、跳躍等因素，電池系統(tǒng)承受來自不同方向載荷下的結(jié)構(gòu)強度。

表1 G-Load 分析載荷工況表

分析結(jié)果顯示，惡劣工況下的最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，見表2。

2.2模態(tài)分析

模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機器部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。對于動力電池箱體來說，模態(tài)分析主要是考察蓄電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前六階固有頻率及振型。

由于隨機振動標(biāo)準(zhǔn)J2380在Z向振動要求中，35～40Hz以下頻率段屬于高振動能量區(qū)，故要求電池包Z向低階模態(tài)應(yīng)盡可能高于35～40Hz。對模型進行模態(tài)分析后，結(jié)果顯示電池殼體結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)為61Hz，符合對低階模態(tài)的要求(見圖2)。

2.3機械沖擊

采用ISO16750中規(guī)定的方法對動力電池箱結(jié)構(gòu)的抗機械沖擊能力進行分析。沖擊脈沖采用半正弦形脈沖波形，峰值加速度為500m/s2，持續(xù)時間為6ms。沖擊的加速度在所用6個方向上進行。分析結(jié)果顯示，電池托盤和殼體的最大應(yīng)力為76.5MPa遠小于材料的許用應(yīng)力(圖3)。

2.4振動分析

動力電池箱體的振動分析選用SAEJ2380中的標(biāo)準(zhǔn)。按SAEJ2380中規(guī)定的方法對動力電池箱結(jié)構(gòu)的抗機械振動能力進行分析。分析結(jié)果顯示，電池托盤和殼體的最大應(yīng)力遠小于材料的許用應(yīng)力。碳纖維電池殼體滿足設(shè)計要求。

3、結(jié)語

本文研究了使用碳纖維復(fù)合材料對動力電池箱體進行輕量化設(shè)計的方法，并通過有限元仿真分析對設(shè)計進行了驗證。從分析結(jié)果看碳纖維復(fù)合材料電池箱體在結(jié)構(gòu)模態(tài)、機械沖擊和結(jié)構(gòu)疲勞方面完全滿足要求。碳纖維復(fù)合材料動力電池箱體的設(shè)計重量為12kg，而采用SMC復(fù)合材料制作的動力電池箱體的重量為15.5kg，整體減重3.5kg，相比減重達22%實現(xiàn)了減重指標(biāo)。