輕量化動(dòng)力電池箱

邵明頂　楊明

摘 要：新能源電動(dòng)汽車想要取代燃油車，急迫要解決的是續(xù)航里程短的問題。動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)車的“心臟”，提高系統(tǒng)能量密度成為各企業(yè)著手研究的重點(diǎn)。本文對(duì)使用新材料的電池箱設(shè)計(jì)方案體進(jìn)行研究驗(yàn)證。使用連續(xù)玻璃纖維編織布作為基材，環(huán)氧乙烯基樹脂作為基體的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）通過預(yù)浸料模壓成型工藝（PCM）制作的電池箱體，具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、絕緣、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：輕量化電池箱體 復(fù)合材料 預(yù)浸料模壓

Lightweight Power Battery Box

Shao Mingding Yang Ming

Abstract：For the new energy electric vehicles to replace fuel vehicles， the urgent need is to solve the problem of short cruising range. As the "heart" of electric vehicles， improving the energy density of power battery system has become the focus of various enterprises. In this paper， the design scheme of battery box using new material is studied and verified. The battery box is made of glass fiber reinforced plastic （GFRP） with continuous glass fiber braided cloth as the substrate and epoxy vinyl resin as the matrix through Prepreg Compression Molding process （PCM）. It has the advantages of light weight， corrosion resistance， insulation and high strength.

Key words：lightweight battery box， composite material， prepreg molding

1 緒論

目前關(guān)于復(fù)合材料的研究較多，但因使用不合適的材料或不恰當(dāng)?shù)墓に嚮虿缓侠淼慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致大多產(chǎn)品無法通過嚴(yán)酷的國(guó)標(biāo)測(cè)試。鑒于本行業(yè)對(duì)輕量化復(fù)合材料研究不足，本人針對(duì)新能源客車動(dòng)力電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)箱使用合適的復(fù)合材料進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)仿真和樣件驗(yàn)證，達(dá)到動(dòng)力電池系統(tǒng)輕量化的目的。本次研究產(chǎn)品通過國(guó)檢登入工信部目錄后批量的使用對(duì)行業(yè)輕量化技術(shù)的發(fā)展和探索起到引領(lǐng)作用。因下箱體為主要承重件且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文把下箱體作為重點(diǎn)研究對(duì)象。

2 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 下箱體設(shè)計(jì)

下箱體包括復(fù)合材料下殼體、夾層鋁合金管加強(qiáng)筋、夾層蜂窩鋁填充物、固定點(diǎn)和吊裝點(diǎn)等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

2.2 零件預(yù)處理

鋁合金骨架：焊接鋁方管，把預(yù)埋螺母嵌入鋁方管設(shè)計(jì)位置。箱體吊耳為金屬件，通過沉頭螺栓或鉚釘固定在箱體上。鋁蜂窩板：切割成方塊作為填充料。蜂窩鋁的優(yōu)點(diǎn)是在電池包火燒測(cè)試時(shí)仍能保持原狀且支撐強(qiáng)度大于泡沫。螺母、鋼套嵌件等使用標(biāo)準(zhǔn)件，

2.3 箱體成型過程

下殼體材料：連續(xù)玻璃纖維垂直交叉網(wǎng)格布作為基材，環(huán)氧乙烯基樹脂作為基體，同時(shí)添加阻燃劑、交聯(lián)劑、反應(yīng)促進(jìn)劑等添加劑。

首先對(duì)玻璃纖維網(wǎng)格布預(yù)涂帶添加劑的基體形成預(yù)浸料片材。根據(jù)下殼體外形剪裁預(yù)浸料片材，并鋪設(shè)在模具上，其中鋁合金骨架和蜂窩鋁板在鋪設(shè)過程中放入，使箱體底部形成夾層三明治結(jié)構(gòu)，利用工裝夾具使整個(gè)下殼體大致成型后，經(jīng)過上下模具高壓高溫成型，然后脫膜，箱體主體成型。

2.4 箱體后處理

對(duì)成型后的箱體進(jìn)行開功能孔，如圖1所示。2-1是開孔嵌入的定位銷，起到上蓋定位作用;2-2是固定上蓋穿螺栓的孔，嵌入件1螺母;2-4是安裝連接器開孔;2-5是電池箱內(nèi)部模組固定孔，螺桿穿過模組及該孔與鋁合金骨架上的預(yù)埋螺母連接;2-6是箱體固定孔，嵌入件3和件5;2-3是下箱體和上蓋配合的密封翻邊，密封翻邊上貼密封條能夠保證箱體密封;2-7是固定箱體的翻邊，巧妙之處是此翻邊和箱體為一體式設(shè)計(jì)，可以避免單獨(dú)的固定支架與箱體側(cè)壁相連帶來的開裂、密封失效、固定失效等風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)箱體上方密封翻邊和下方吊耳、固定翻邊同一寬度空間內(nèi)，減少了額外的空間占用。

3 箱體仿真分析

3.1 靜態(tài)仿真分析

通過ANSYS仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證[2]。首先對(duì)電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化和處理，其次GFRP的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜且為非線性材料，本文研究的復(fù)合材料力學(xué)性能根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試應(yīng)力-應(yīng)變曲線后得出，如表1。

根據(jù)國(guó)標(biāo)和業(yè)內(nèi)對(duì)電池系統(tǒng)的要求，一般評(píng)價(jià)電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度時(shí)會(huì)采用靜載荷分析，主要要求在Z向3g加速度工況下，電池系統(tǒng)的最大變形量分別不能超過3mm。電池箱分析結(jié)果：Z向3g加速度結(jié)構(gòu)仿真總變形量0.037mm，遠(yuǎn)小于3mm，滿足靜載荷要求。

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)來說尤為重要，作為電動(dòng)汽車較大的組件，其振動(dòng)性能在很大程度上會(huì)影響整車的NVH和疲勞性能。對(duì)電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，就能知道每個(gè)軸向?qū)?yīng)的共振主頻，就可以與振動(dòng)功率譜密度PSD對(duì)比，從而大致判斷結(jié)構(gòu)在該振動(dòng)PSD下的振動(dòng)響應(yīng)是否會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效。因此電池系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要避開功率譜載荷里面的共振頻率點(diǎn)，盡可能提高電池系統(tǒng)的一階固有頻率和一階共振頻率。電池箱固有頻率和模態(tài)振型如圖2所示。結(jié)論：電池箱固有頻率約76且1-6階模態(tài)振型規(guī)則，初步說明電池箱強(qiáng)度滿足要求。