碳纤维复合材料对动力电池箱体进行轻量化设计的方法

本文以一款纯电动汽车为研究对象，结合碳纤维复合材料设计的特点，设计了一款碳纤维动力电池箱，以满足动力电池轻量化的需求。改善传感器电源或增加前置放大器。

介绍

发展新能源汽车是有效缓解能源和环境压力，促进汽车工业可持续发展的重要途径。作为新能源汽车能源供应的核心部件，动力电池的性能直接影响着新能源汽车的性能。

其中，动力电池箱作为动力电池的载体，对动力电池的安全工作和保护起着关键作用。传统的电动汽车动力电池箱多采用金属材料。随着制造材料的发展，为了提高新能源汽车的经济性，实现动力电池的轻量化，复合材料逐渐应用到动力箱的设计中。

本文以一款纯电动汽车为研究对象，结合碳纤维复合材料设计的特点，设计了一款碳纤维动力电池箱，以满足动力电池轻量化的需求。改善传感器电源或增加前置放大器。

1、碳纤维电池盒的设计

1.1产品电池盒的功能要求

电池盒作为电动汽车动力电池的保护部件，对结构设计和重量要求很高。电池模块的重量和尺寸确定后，在设计电池盒时要考虑很多因素。首先，电池盒是电池模块的载体，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身下部。考虑到电池模块的工作环境，电池箱需要具备对模块的保护功能，模块的防水防尘以及道路环境对电池箱的腐蚀，电池箱还需要承受车辆行驶过程中的震动和冲击。

1.2碳纤维材料的优势分析

动力电池箱的材料要求是：高强度；轻量级；优异的耐腐蚀性？碳纤维在这三个方面有很大优势？首先，碳纤维复合材料具有较高的比强度(抗拉强度与密度之比)和比模量(弹性模量与密度之比)，其比强度是钢的5倍？碳纤维与环氧树脂的复合密度为1.4kg/m3？该材料还具有优异的耐腐蚀性和阻燃性？

1.3车用碳纤维电池盒的工艺设计

碳纤维复合材料制品的成型方法有很多种，其中适合碳纤维电池盒的加工工艺是成型？真空辅助成型(VARI)？RTM等成型？RTM工艺适合大批量零件？VARI工艺要求模具成本低，成型制品纤维含量高，但整个成型过程耗时长，适合小批量要求。低成本零件生产？根据零件产量和成本的要求，结合国内现有复合材料生产厂家的工艺能力，对这三种工艺进行比较，本产品选用VARI工艺。

VARI是干燥织物的真空辅助引入和成型的过程。它的工艺原理是在单面刚性模具上包覆一层柔性真空袋膜？将纤维增强材料密封，用真空负压排除模腔内的气体，用真空负压驱动树脂流动，浸渍纤维及其织物。电池盒的技术方案是：在阴模中成型模具，表面进行高光或亚光处理，在模具上铺设一定层数的碳纤维布，通过导流网？导管？在密封条的帮助下，混合树脂材料被真空泵吸入纤维布中，最后固化。固化成型后，脱模，切割边界和需要打孔的部位？

1.4碳纤维电池盒的结构设计

动力电池在车身上的位置截面如图1所示。

1.4.1总体结构设计

根据电池模块的形状和布置，结合动力电池在车身上的位置，本着尽可能利用空间的原则，对外壳进行了设计

主体结构层铺设碳纤维布，辅以树脂，接缝处采用金属接头，金属接头通过结构胶与主体结构层连接。电池模组和箱体通过金属紧固件连接。

为了增加零件的强度和模态，在一些大面积的结构表面上，加强筋是提高结构稳定性的典型形式，而帽形筋的承载效率相对较高，重量较轻。电池盒采用类似帽形筋的凸筋和凹筋加强结构。针对连续纤维复合材料的特点，碳纤维增强结构的凸筋和凹筋采用等厚设计。

铺路设计

电池盒的碳纤维机织物采用T300-3K和T300-12K，两种机织物混合使用，共10层碳纤维平纹机织物，树脂设计。摊铺时主要考虑以下注意事项：摊铺角度的平衡、同一摊铺方向上的数量要求、摊铺的对称性、摊铺层间角度的偏差、连续摊铺最大层数的限制。电池盒部分铺设10层平纹织物，铺设方式为【0/45/0/45/0/0/45/0】。

连接设计

电池模块需要通过电池盒连接到车身上，电池盒在接头处用金属紧固件连接，这些紧固件是嵌入式的，通过控制嵌入的深度使接头能承受更高的抗拉强度；一些紧固件和碳纤维主体通过结构胶粘合在一起。

2、碳纤维动力电池箱仿真结果分析

从G载荷、模态分析、振动和冲击四个方面对碳纤维动力电池箱进行仿真分析，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负载分析

根据表1中的数值，对动力电池进行四种工况加载，主要考察车辆正常行驶过程中，由于制动、转弯、跳跃等因素，在来自不同方向的载荷作用下，电池系统的结构强度。

表1g-载荷分析载荷条件表

分析结果表明，恶劣工况下的最大应力小于材料的许用应力，如表2所示。

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零件的振动特性，即结构的固有频率和振型。对于动力电池箱，模态分析主要是考察电池系统结构的前六阶固有频率和振型。

因为在随机振动标准J2380的Z向振动要求中，35 ~ 40 Hz以下的频段属于高振动能量区，所以要求电池组的Z向低阶模态尽可能高于35 ~ 40 Hz。经过对模型的模态分析，结果表明电池盒结构的一阶模态为61Hz，满足低阶模态的要求(见图2)。

2.3机械冲击

采用ISO16750规定的方法对动力电池箱结构的机械抗冲击性能进行了分析。冲击脉冲采用半正弦脉冲波形，峰值加速度为500m/s2，持续时间为6 ms.冲击的加速在所使用的六个方向上进行。分析结果表明，电池托盘和外壳的最大应力为76.5MPa，远小于材料的许用应力(图3)。

2.4振动分析

动力电池箱的振动分析采用SAEJ2380标准。根据SAEJ2380中规定的方法，对动力电池箱结构的抗机械振动性能进行了分析。分析结果表明，电池托盘和壳体的最大应力远小于材料的许用应力。碳纤维电池外壳符合设计要求。

结论

本文研究了采用碳纤维复合材料的动力电池箱轻量化设计方法，并通过有限元仿真分析对设计进行了验证。从分析结果可以看出，碳纤维复合材料电池盒在结构模态、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的设计重量为12公斤，SMC复合材料动力电池箱的设计重量为15.5公斤