本文以某款純電動(dòng)車為研究對(duì)象，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)碳纖維動(dòng)力電池箱體以滿足動(dòng)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(lái)實(shí)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(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。動(dòng)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(dòng)力電池箱體作為動(dòng)力電池的載體，在動(dòng)力電池安全工作和防護(hù)方面起著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)電動(dòng)汽車動(dòng)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(jì)性，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池輕量化，復(fù)合材料被逐漸應(yīng)用到動(dòng)力箱體設(shè)計(jì)中。

本文以某款純電動(dòng)車為研究對(duì)象，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)碳纖維動(dòng)力電池箱體以滿足動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

1、碳纖維電池箱體的設(shè)計(jì)

1.1電池箱體對(duì)產(chǎn)品的功能需求

電池箱體作為電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的防護(hù)零件，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jì)電池箱體時(shí)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(guò)它連接到車身上。其次，動(dòng)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(duì)模塊的防護(hù)功能，需要考慮模塊的防水防塵以及道路環(huán)境對(duì)電池箱體的腐蝕，電池箱體還需要考慮承受車輛運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)和沖擊等。

1.2碳纖維材料的優(yōu)勢(shì)分析

動(dòng)力電池箱體對(duì)材料的要求有:高強(qiáng)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(shì)?首先碳纖維復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度(材料的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度是鋼材的5倍?碳纖維和環(huán)氧樹(shù)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(jì)

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(gè)過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，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(guó)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(guò)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(qiáng)材料，利用真空負(fù)壓排除模腔中的氣體，并通過(guò)真空負(fù)壓驅(qū)動(dòng)樹(shù)脂流動(dòng)而實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂對(duì)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(jìn)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(guò)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(shù)脂材料抽吸在纖維布中，最后進(jìn)行固化。固化成型后脫模，并對(duì)邊界及需要開(kāi)孔的部位進(jìn)行切割加工?

1.4碳纖維電池箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)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(jì)

根據(jù)電池模塊的形狀和布置方式，結(jié)合動(dòng)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(jì)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(shù)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(jìn)行連接。

為了增加零件的強(qiáng)度和模態(tài)，在一些大面積的結(jié)構(gòu)面上，加強(qiáng)筋是提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的典型形式，而帽形筋條相對(duì)來(lái)說(shuō)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)。鑒于連續(xù)纖維復(fù)合材料的特性，碳纖維加強(qiáng)結(jié)構(gòu)凸筋和凹筋處做等厚設(shè)計(jì)。

1.4.2鋪層設(shè)計(jì)

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(shù)脂的設(shè)計(jì)。鋪層時(shí)主要考慮了以下注意事項(xiàng):鋪層角的均衡性、同一鋪層方向的數(shù)量要求、鋪層的對(duì)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(jì)

電池模塊需要通過(guò)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(jìn)行連接，這些緊固件部分采用埋入方式，通過(guò)控制埋入的深度使連接處能夠承受較高的拉伸強(qiáng)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(dòng)力電池箱體仿真結(jié)果分析

碳纖維動(dòng)力電池箱體從G-Load、模態(tài)分析、振動(dòng)及沖擊4個(gè)方面對(duì)動(dòng)力電池箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，從而為動(dòng)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(gè)工況對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行加載，主要是考察電池系統(tǒng)在車輛正常行駛過(guò)程中，由于剎車、轉(zhuǎn)彎、跳躍等因素，電池系統(tǒng)承受來(lái)自不同方向載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jiàn)表2。

2.2模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。對(duì)于動(dòng)力電池箱體來(lái)說(shuō)，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(jī)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)J2380在Z向振動(dòng)要求中，35～40Hz以下頻率段屬于高振動(dòng)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(duì)模型進(jìn)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(duì)低階模態(tài)的要求(見(jiàn)圖2)。

2.3機(jī)械沖擊

采用ISO16750中規(guī)定的方法對(duì)動(dòng)力電池箱結(jié)構(gòu)的抗機(jī)械沖擊能力進(jìn)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(shí)間為6ms。沖擊的加速度在所用6個(gè)方向上進(jìn)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(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力(圖3)。

2.4振動(dòng)分析

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

3、結(jié)語(yǔ)

本文研究了使用碳纖維復(fù)合材料對(duì)動(dòng)力電池箱體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的方法，并通過(guò)有限元仿真分析對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)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(jī)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(dòng)力電池箱體的設(shè)計(jì)重量為12kg，而采用SMC復(fù)合材料制作的動(dòng)力電池箱體的重量為15.5kg，整體減重3.5kg，相比減重達(dá)22%實(shí)現(xiàn)了減重指標(biāo)。