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摘要：電池包是電動汽車的動力源，其中下箱體及模組安裝板是電池包的主要承載部件，采用碳纖維復合材料代替原不銹鋼材料對下箱體及模組安裝板進行輕量化設計。上箱體兼顧到制造成本問題，使用原不銹鋼材料。結果表明，采用碳纖維復合材料的電池包在滿足力學性能的同時，相比于原不銹鋼材料，電池包重量指標得到了較大的改善。
關鍵詞：電動汽車；電池包；不銹鋼；碳纖維復合材料；輕量化設計
1引言
近幾年，我國電動汽車市場經歷了快速增長，2014-2015年間增長率達100%-300%，2019年上半年國內電動汽車保有量達到了344萬輛[1]，但其續航里程卻一直飽受詬病，在此背景下，利用輕量化技術提高電動汽車續航里程是行之有效的關鍵技術方法。汽車輕量化主要從結構優化、新材料應用及先進制造工藝3方面來實現，其中新材料技術對輕量化的發展具有極大潛力，而這之中碳纖維材料以其強度大、密度低、剛度大等優點，在車身上已大量應用[2-3]。本文通過結構設計過程中的優化和CAE分析針對某車型復合材料電池包的振動和擠壓進行說明，并與原金屬電池包進行質量對比，有較大的減重效果，同時滿足國家相關技術標準。
2模型說明
2.1結構說明。本文所研究的電池包尺寸參數來自某車型的實物測繪結果，原箱體材料為DC01，其結構主要包括上箱體、模組安裝板、下箱體，共計20個模組，電池包整體模型如圖1所示。
2.2有限元模型建立。2.2.1有限元網格劃分。為了方便有限元模型的建立，在建模時不考慮電池單元的線束以及次要零部件。在電池箱的仿真計算中，為了提高仿真的準確性，需要確保電池單元的質量分布以及受力時載荷傳遞路徑與實際情況相符，電池單元采用六面體網格劃分，平均單元尺寸為15mm。上下箱體與模組安裝板采用殼單元，平均單元尺寸為5mm。2.2.2材料的選定。在電池包結構中，下箱體和模組安裝板屬于主要承載部件，為對其進行輕量化設計和探索復合材料優化技術，采用碳纖維復合材料替換原不銹鋼材料，其類型為300gsm，T700級碳纖維布，此類型碳纖維的抗拉強度能夠超過3.5GPa。而上箱體的主要起密封作用，考慮到實際情況下的成本問題，故其依舊使用DC01。碳纖維復合材料屬于正交各向異性材料，將其應用在汽車結構上可極大降低汽車質量，但其力學參數受多種因素影響，例如加工工藝、絲束規格等。為探究碳纖維復合材料的力學性能，在室溫干態的試驗環境下對碳纖維層壓板的0°拉伸、90°拉伸、0°壓縮、90°壓縮、面內剪切、三點彎曲、層間剪切強度等7個項目進行檢測，試驗結果匯總表如表1所示。2.2.3鋪層設計由于碳纖維復合材料屬于正交各向異性材料，所以在進行鋪層設計時，要注意鋪層的順序以及方向，借助于復合材料優良的可設計性，對結構進行合理的設計，不僅能夠把復合材料優異的力學性能體現出來，而且能夠將輕量化設計的優勢最大化。為提高碳纖維結構的可制造性，設計方案如下：第一，+45°和-45°層成對出現；第二，相同角度鋪層連續出現的次數不超過2次。2.2.4連接方式。在連接方式上，傳統電池殼在上下底殼連接部位和與汽車底盤連接的部位均采用螺栓連接。在采用碳纖維復合材料之后，為保證復合材料的完整性和異質材料連接的問題，在連接方式上選擇膠接的方法。膠接能夠提高粘接部位的密封性和耐腐蝕性，并且相對于傳統的連接方式，在膠層面上的應力分布比較平均，也提高了連接位置的抗疲勞性能。
3仿真工況的確定
綜合電動汽車電池箱研究現狀、電池箱實際工作載荷、企業要求及國家標準，確定模態、擠壓以及隨機振動3種典型工況。模態分析中，需要根據電池包與車架之間的連接關系進行約束，為了避開振動比較劇烈的高能量區，電池包的1階模態頻率應大于30Hz。隨機振動仿真分析中，要求三個方向的3倍應力均方根值水平不大于材料的安全強度值。電池包模型中兩側各有4個約束點，后部2個約束點，在進行擠壓工況的仿真時，對電池包兩側施加6個方向的全約束，對后側施加2至6方向共計5個方向的自由度。準靜態載荷下，為了權衡計算效率以及計算準確度，在合理考慮質量縮放以及加載速度的前提下，加載速度0.2m/s，方向由電池包前部指向后部（-X方向），沿水平加載，-Y方向加載操作過程類似。在進行試驗時，依照GB/T31467.3—2015的要求，擠壓速度不大于2mm/s，擠壓力達到100kN或擠壓變形量達到擠壓方向的整體尺寸的30%時停止擠壓，試驗設備如圖2所示。
4計算結果
4.1模態分析計算結果。對于電池包，重點關注的是其1階模態頻率，因此在進行仿真時只針對前10階模態進行計算。電池包1階模態頻率為31Hz，滿足大于30Hz的設計要求。
4.2隨機振動仿真結果。根據國標GB31467.3—20158.2.1進行隨機振動試驗仿真，如表2所示：3個方向的最大1σ應力分別為530.4、53和23MPa，對應的3σ值均小于碳纖維的抗拉強度，滿足設計要求。
4.3擠壓工況仿真結果。在縱向擠壓仿真中，對電池包左右8個安裝點進行全約束，后部的兩個安裝點釋放X方向的約束，在橫向擠壓中，前后安裝點進行全約束，左右其中一側釋放Y方向的約束，分別以0.2m/s的速度進行擠壓。在擠壓達到8mm左右時，最大支反力約為110KN，大于標準要求的100KN，結果滿足要求。在橫向擠壓下，當位移達到22mm時，最大支反力約為130KN。試驗結果與仿真結果接近，滿足設計標準。
5結語
本文通過仿真與試驗的方法對碳纖維電池包進行研究，得到如下結論：（1）根據模態和隨機振動結果，第一階頻率和均方根應力均滿足要求，碳纖維電池包抗振性能較好。（2）碳纖維復合材料電池包的承載能力滿足國標要求和設計要求，同時質量減輕35.4%，減重效果明顯。
作者:朱增余 江晶晶 陳志豪 王卯升 單位:廣東亞太新材料科技有限公司
