某新能源汽车复合材料电池包轻量化设计_汽车零部件_

近几年，我国电动汽车市场经历了快速增长， 2014-2015年间增长率达100%-300%，2019年上半年国内电动汽车保有量达到了344万辆，但其续航里程却一直饱受诟病，在此背景下，利用轻量化技术提高电动汽车续航里程是行之有效的关键技术方法。汽车轻量化主要从结构优化、新材料应用及先进制造工艺3方面来实现，其中新材料技术对轻量化的发展具有极大潜力，而这之中碳纤维材料以其强度大、密度低、刚度大等优点，在车身上已大量应用。本文通过结构设计过程中的优化和CAE分析针对某车型复合材料电池包的振动和挤压进行说明，并与原金属电池包进行质量对比，有较大的减重效果，同时满足国家相关技术标准。

2模型说明

2.1结构说明

本文所研究的电池包尺寸参数来自某车型的实物测绘结果，原箱体材料为 DC01，其结构主要包括上箱体、模组安装板、下箱体，共计20个模组，电池包整体模型如图1所示。

2.2有限元模型建立

2.2.1有限元网格划分

为了方便有限元模型的建立，在建模时不考虑电池单元的线束以及次要零部件。在电池箱的仿真计算中，为了提高仿真的准确性，需要确保电池单元的质量分布以及受力时载荷传递路径与实际情况相符，电池单元采用六面体网格划分，平均单元尺寸为 15mm。上下箱体与模组安装板采用壳单元，平均单元尺寸为5mm。

2.2.2材料的选定

在电池包结构中，下箱体和模组安装板属于主要承载部件，为对其进行轻量化设计和探索复合材料优化技术，采用碳纤维复合材料替换原不锈钢材料，其类型为 300gsm，T700级碳纤维布，此类型碳纤维的抗拉强度能够超过3.5GPa。而上箱体的主要起密封作用，考虑到实际情况下的成本问题，故其依旧使用DC01。

碳纤维复合材料属于正交各向异性材料，将其应用在汽车结构上可极大降低汽车质量，但其力学参数受多种因素影响，例如加工工艺、丝束规格等。为探究碳纤维复合材料的力学性能，在室温干态的试验环境下对碳纤维层压板的0°拉伸、90°拉伸、0°压缩、90°压缩、面内剪切、三点弯曲、层间剪切强度等7个项目进行检测，试验结果汇总表如表 1所示。

2.2.3铺层设计

由于碳纤维复合材料属于正交各向异性材料，所以在进行铺层设计时，要注意铺层的顺序以及方向，借助于复合材料优良的可设计性，对结构进行合理的设计，不仅能够把复合材料优异的力学性能体现出来，而且能够将轻量化设计的优势最大化。为提高碳纤维结构的可制造性，设计方案如下：第一， +45°和-45°层成对出现；第二，相同角度铺层连续出现的次数不超过 2次。

2.2.4连接方式

在连接方式上，传统电池壳在上下底壳连接部位和与汽车底盘连接的部位均采用螺栓连接。在采用碳纤维复合材料之后，为保证复合材料的完整性和异质材料连接的问题，在连接方式上选择胶接的方法。胶接能够提高粘接部位的密封性和耐腐蚀性，并且相对于传统的连接方式，在胶层面上的应力分布比较平均，也提高了连接位置的抗疲劳性能。

3仿真工况的确定

综合电动汽车电池箱研究现状、电池箱实际工作载荷、企业要求及国家标准，确定模态、挤压以及随机振动 3种典型工况。

模态分析中，需要根据电池包与车架之间的连接关系进行约束，为了避开振动比较剧烈的高能量区，电池包的 1阶模态频率应大于30Hz。

随机振动仿真分析中，要求三个方向的 3倍应力均方根值水平不大于材料的安全强度值。电池包模型中两侧各有4个约束点，后部 2个约束点，在进行挤压工况的仿真时，对电池包两侧施加 6个方向的全约束，对后侧施加 2至6方向共计5个方向的自由度。准静态载荷下，为了权衡计算效率以及计算准确度，在合理考虑质量缩放以及加载速度的前提下，加载速度0.2m/s，方向由电池包前部指向后部（-X方向），沿水平加载，-Y方向加载操作过程类似。在进行试验时，依照GB/T31467.3—2015的要求，挤压速度不大于2mm/s，挤压力达到100kN或挤压变形量达到挤压方向的整体尺寸的30%时停止挤压，试验设备如图 2所示。

4计算结果

4.1模态分析计算结果

对于电池包，重点关注的是其 1阶模态频率，因此在进行仿真时只针对前 10阶模态进行计算。电池包1阶模态频率为31Hz，满足大于30Hz的设计要求。

4.2随机振动仿真结果

根据国标 GB31467.3—20158.2.1进行随机振动试验仿真，如表 2所示：3个方向的最大1σ应力分别为530.4、53和23MPa，对应的3σ值均小于碳纤维的抗拉强度，满足设计要求。

4.3挤压工况仿真结果

在纵向挤压仿真中，对电池包左右 8个安装点进行全约束，后部的两个安装点释放X方向的约束，在横向挤压中，前后安装点进行全约束，左右其中一侧释放Y方向的约束，分别以0.2m/s的速度进行挤压。在挤压达到8mm左右时，最大支反力约为110KN，大于标准要求的100KN，结果满足要求。

在横向挤压下，当位移达到 22mm时，最大支反力约为130KN。试验结果与仿真结果接近，满足设计标准。

5结语

本文通过仿真与试验的方法对碳纤维电池包进行研究，得到如下结论：

（ 1）根据模态和随机振动结果，第一阶频率和均方根应力均满足要求，碳纤维电池包抗振性能较好。（2）碳纤维复合材料电池包的承载能力满足国标要求和设计要求，同时质量减轻35.4%，减重效果明显。

文章来源：广东亚太新材料科技有限公司

来源：Battery Insight view

作者：battery 风清扬