碳纖維復(fù)合材料用于新能源電池箱的研究

趙宜陽， 葛良玉， 鄭江文

（連云港市鷹游工程技術(shù)研究院有限公司， 江蘇 連云港 222000）

0 引言

碳纖維因具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、高疲勞強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造、航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域。近幾年，隨著我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)化的蓬勃發(fā)展，高性能碳纖維技術(shù)的不斷攻克，越來越多的碳纖維制品從高端產(chǎn)業(yè)走進(jìn)我們的日常生活。眾多的領(lǐng)域因這一復(fù)合材料的普及有了更進(jìn)一步的發(fā)展，如何將碳纖維有效應(yīng)用到生活中是當(dāng)前面臨主要問題。作為新能源汽車領(lǐng)域最重要的電池模組，如何將碳纖維的優(yōu)點(diǎn)科學(xué)化用在電池模組的箱體上是汽車領(lǐng)域亟須解決的問題。

1 新能源電池組箱體的研究進(jìn)展

1.1 金屬材料電池組箱體的研究進(jìn)展

金屬電池組材料因其成本低、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被各大車企廣泛應(yīng)用于電池組箱體的材料，因?yàn)榻饘俨牧系馁|(zhì)量較大，所以目前主流的研究方向是輕量化設(shè)計(jì)以及框架式設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)車企吉利研究發(fā)現(xiàn)，使用框架式的結(jié)構(gòu)在滿足電池組箱體強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上比較容易實(shí)現(xiàn)電池組箱體的強(qiáng)量化設(shè)計(jì)，經(jīng)設(shè)計(jì)研究，較早采用了鋁板+Sheet Molding Compound[1]的結(jié)合式箱體設(shè)計(jì)。較目前來說，新材料的應(yīng)用成本及制造難度均較高，所以金屬電池組箱體的輕量化設(shè)計(jì)依舊是今后幾年的主流設(shè)計(jì)研究方向。

1.2 復(fù)合材料電池組箱體的研究進(jìn)展

通過對(duì)復(fù)合材料對(duì)電池組箱體的研究一直在推進(jìn)，以Sheet Molding Compound、泡沫鋁、PA6 為基礎(chǔ)材料，通過對(duì)其不同含量的配比，改變其中的纖維的含量等方式，在滿足電池組箱體的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，最高研究出質(zhì)量減輕了有31%的復(fù)合材料[2]電池組箱體。國(guó)內(nèi)研究多以玻璃纖維為主要研究方向，通過玻璃纖維于環(huán)氧乙烯基樹脂的預(yù)浸配比，在模壓的成型工藝下，也較為明顯地實(shí)現(xiàn)了電池組箱體的輕量化目標(biāo)。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究成果總結(jié)，可以看出如何促使電池組盒體變得越來越輕的研究一直在推進(jìn)，但是新材料的稀缺性以及新材料所需要應(yīng)用到的新工藝都是需要進(jìn)行同步研究綜合考慮的。在輕量化的基礎(chǔ)上，如何做到滿足其他的安全性問題是需要不斷去研究發(fā)現(xiàn)。

2 主流金屬材料電池組箱體結(jié)構(gòu)分析

電池組箱體的結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)直接影響到了電池的使用壽命，箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及內(nèi)部的布局一直是研究的方向。在電池組箱體相關(guān)專利中發(fā)現(xiàn)，Rawlinson 提出防護(hù)板中間的夾層中采用泡沫板來提高整體抗撞擊的強(qiáng)度[3]。在經(jīng)過有限元分析發(fā)現(xiàn)，這一設(shè)計(jì)理論在提升電池組在碰撞中的安全性方面效果顯著。

框架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因其在輕量化有較明顯的優(yōu)勢(shì)存在，針對(duì)性的研究也越來越受到關(guān)注。市場(chǎng)上主流車企較多采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋，使得框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度顯著提升，通過對(duì)電池組箱體結(jié)構(gòu)不同位置的加強(qiáng)筋不斷實(shí)驗(yàn)，得到了公認(rèn)的目前金屬材料方面加強(qiáng)筋最優(yōu)布局方案。在箱體受到外力作用時(shí)能夠避免產(chǎn)生較大的形變，通過采用多梁設(shè)計(jì)，通過橫梁于縱梁的分布設(shè)計(jì)，將電池分布區(qū)域分散成多個(gè)區(qū)域，以達(dá)到固定電池組，受外力不易變形的特點(diǎn)，在進(jìn)一步保證箱體強(qiáng)度的條件下，優(yōu)化電池組的分散排布，使得箱體內(nèi)部電池組的空間利用率大大提升[4]。當(dāng)前主流車企電池組箱體結(jié)構(gòu)：比亞迪- 秦，箱體由金屬邊框高強(qiáng)鋁及Sheet Molding Compound 組合而成，在輕量化方面優(yōu)勢(shì)明顯；特斯拉Model S，箱體采用鋁合金框架，整體質(zhì)量一般約為120 kg；寧德時(shí)代811，采用全鋁箱體設(shè)計(jì)，配合部分緊固件進(jìn)行連接固定。

3 碳纖維復(fù)合材料電池組箱體制作分析

選擇實(shí)驗(yàn)用單層厚度為0.150 mm 和0.200 mm厚度的碳纖維快速預(yù)浸料進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，如表1 所示。在極短時(shí)間內(nèi)固化是此預(yù)浸料最具鮮明的特點(diǎn)，對(duì)于較大尺寸的加工件具有較大的優(yōu)勢(shì)。此預(yù)浸料在高溫環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)快速固化，以及低溫環(huán)境下有效固化的效果，對(duì)于成本控制方面效果顯著，廣泛應(yīng)用于船舶、汽車、風(fēng)電、方艙等領(lǐng)域[5-6]。

表1 碳纖維快速預(yù)浸料尺寸

初步對(duì)電池組箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成進(jìn)行碳布鋪貼流程設(shè)計(jì)，鋪貼過程中注重交錯(cuò)鋪貼，同一方向的碳布鋪貼層數(shù)不能超過三層，針對(duì)箱體的加強(qiáng)筋部分，采用一體式鋪貼方式，以保證箱體的整體性，整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。整體結(jié)構(gòu)完成后進(jìn)行成型處理，成型工藝溫度及時(shí)間的成型條件見表2。

表2 成型條件

對(duì)成品進(jìn)行建模仿真實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行進(jìn)一步的鋪層的層數(shù)及方向優(yōu)化處理，見表3，通過仿真數(shù)據(jù)分析，碳纖維復(fù)合材料電池箱體在發(fā)生碰撞時(shí)滿足安全性能的要求，同時(shí)在測(cè)量點(diǎn)的數(shù)值下，箱體在滿足輕量化的前提下，箱體部分的扛撞性也有一定的提升。

表3 箱體對(duì)照測(cè)試

最終成型后的測(cè)試結(jié)果受多方面因素影響，低溫環(huán)境下的有效固化雖然加工成本較低，但是并不能夠充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的特性，為了保證輕量化及強(qiáng)度，后續(xù)還需要對(duì)整體進(jìn)行鋪貼，后續(xù)處理工藝以目前主流充氣加壓加熱成型為主。優(yōu)化后的碳纖維電池組箱體，在顛簸測(cè)試中，箱體剛度較金屬箱體有所提高，強(qiáng)度性能皆滿足需求，經(jīng)稱重后對(duì)比，較同款金屬箱體質(zhì)量減少20.2%，效果顯著[7-8]。

4 其他復(fù)合材料電池組制作分析

像玻璃纖維與環(huán)乙烯基樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，Sheet Molding Compound，在考慮到材質(zhì)特性的基礎(chǔ)上，在復(fù)合材料電池組的結(jié)構(gòu)上充分發(fā)揮材質(zhì)的特點(diǎn)[9]。不同的復(fù)合材料的加工工藝多有不同，但在兼顧電池安全性的基礎(chǔ)上，輕量化效果好的材質(zhì)大面積應(yīng)用在工藝上仍舊需要不斷改進(jìn)，目前工藝來說，復(fù)合材料成型實(shí)驗(yàn)也是不同材料的配比實(shí)驗(yàn)，以期能達(dá)到預(yù)期的效果。

5 結(jié)語

綜合分析當(dāng)前主流新能源汽車的電池組箱體，分析以結(jié)構(gòu)和材料為主。當(dāng)前主流車企采用的制作工藝為沖壓成型方式，后續(xù)采用焊接、拼接等方式進(jìn)行加固處理，這一系列的流程，對(duì)電池組箱體的強(qiáng)度及質(zhì)量方面造成了可量化的影響。在對(duì)當(dāng)前主流電池組箱體進(jìn)行掃描建立模型，以碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行模型鋪層處理，保證電池盒受力點(diǎn)的加強(qiáng)筋強(qiáng)度滿足汽車的生產(chǎn)使用需求。通過對(duì)不同碳纖維的鋪設(shè)角度，以0°、45°、90°三種角度為主，相互結(jié)合鋪貼。結(jié)合掃描后的數(shù)據(jù)及受力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步優(yōu)化碳纖維的鋪設(shè)方式，最終在滿足電池組結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，使得整個(gè)電池組箱體質(zhì)量相較于原箱體減少了20%，超過預(yù)期。此外，碳纖維制品的機(jī)構(gòu)，鋪貼順序，加工方式，材料的選擇等都與最后的測(cè)試結(jié)果息息相關(guān)，考慮到制造成本以及加工可行性等方面的因素，相較于諸多的不可控因素，科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化的鋪貼方式應(yīng)得到進(jìn)一步的研究及探討，將來，在其他外界因素都達(dá)到理想化的時(shí)候，鋪貼方式的改變將帶來更加直觀的效果改變。同時(shí)整個(gè)電池組箱體需要考慮的因素不止輕量化，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等因素都需要去進(jìn)行更進(jìn)一步的探討及研究。