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車用動力電池碳纖維箱體的設計研究

關鍵詞:車用動力電池碳纖維箱體的設計研究 來源:車用動力電池碳纖維箱體的設計研究 發布時間:2018-02-23

【摘要】 以某款電動汽車動力電池箱體為研究對象,探討了碳纖維應用于動力電池箱體以實現輕量化的設計思路,闡述了其具體設計過程,并采用有限元法對電池箱體的性能進行了評估,結果表明碳纖維電池箱體的各項機械性能均滿足設計要求。在此基礎上,對碳纖維電池箱體的設計進行了總結。

引言


發展新能源汽車,是有效緩解能源和環境壓力,推動汽車產業可持續發展的重要途徑。動力電池作為新能源汽車能量供給的核心零部件,其性能直接影響了新能源汽車的性能表現。


其中動力電池箱體作為動力電池的載體,在動力電池安全工作和防護方面起著關鍵作用。傳統電動汽車動力電池箱體大多采用金屬材料制造,隨著制造材料的發展,為了提高新能源汽車經濟性,實現動力電池輕量化,復合材料被逐漸應用到動力箱體設計中。


本文以某款純電動車為研究對象,結合碳纖維復合材料設計的特點,設計碳纖維動力電池箱體以滿足動力電池輕量化的需求。提高傳感器供電或者增加前段放大器來實現。


1、碳纖維電池箱體的設計

1.1電池箱體對產品的功能需求

電池箱體作為電動汽車用動力電池的防護零件,對結構設計、重量等方面的要求都很高,在電池模塊的重量和尺寸確定后,設計電池箱體時考慮的因素比較多。首先電池箱體是電池模塊的承載件,電池模塊需要通過它連接到車身上。其次,動力電池一般安裝在車體下部,考慮到電池模塊的工作環境,電池箱體需要具有對模塊的防護功能,需要考慮模塊的防水防塵以及道路環境對電池箱體的腐蝕,電池箱體還需要考慮承受車輛運行過程中的振動和沖擊等。


1.2碳纖維材料的優勢分析

動力電池箱體對材料的要求有:高強度;輕量化;優良的耐腐蝕性。碳纖維在這3方面具有極大的優勢。首先碳纖維復合材料具有較高的比強度(材料的拉伸強度和密度之比)和比模量(材料的彈性模量與密度之比),其比強度是鋼材的5倍。碳纖維和環氧樹脂復合后的密度為1.4kg/m3。該材料還具有優良的耐蝕性和阻燃性。


1.3車用碳纖維電池箱體的工藝設計

碳纖維復合材料產品的成型方式有很多種,其中適用于碳纖維電池箱體的加工工藝有模壓、真空輔助成型工藝(VARI)、RTM等。模壓、RTM工藝適用于零件批量大的情況。VARI工藝所需模具成本較低,成型產品的纖維含量較高,但成型的整個過程耗時長,適用于批量要求小、成本低的零件生產。根據零件的產量及成本等要求,結合國內現有復合材料廠家的工藝能力,比較這3種工藝,本產品選擇了VARI工藝。


VARI是一種將干織物通過真空輔助導入成型的工藝方式。其工藝原理是在單面剛性模具上以柔性真空袋膜包覆、密封纖維增強材料,利用真空負壓排除模腔中的氣體,并通過真空負壓驅動樹脂流動而實現樹脂對纖維及其織物的浸漬。電池箱體的工藝方案為:陰模成型模具,表面進行高光或者亞光處理,在模具上鋪設一定層數的碳纖維布料后,通過導流網、導流管、密封條的輔助,由真空泵將混合好的樹脂材料抽吸在纖維布中,最后進行固化。固化成型后脫模,并對邊界及需要開孔的部位進行切割加工。


1.4碳纖維電池箱體的結構設計

動力電池在車體上的位置斷面如圖1所示。  

               


1.4.1總體結構設計

根據電池模塊的形狀和布置方式,結合動力電池在車身上的位置,本著盡量利用空間的原則,此電池箱體的外包絡設計為接近方形的箱體結構。


主體結構層由碳纖維布鋪附而成,并且輔以樹脂,在連接處使用了金屬接頭,金屬接頭和主體結構層之間用結構膠連接。電池模塊組和箱體之間采用金屬緊固件進行連接。


為了增加零件的強度和模態,在一些大面積的結構面上,加強筋是提高結構穩定性的典型形式,而帽形筋條相對來說承載效率高、重量低,本電池箱體采用了類似帽形筋條凸筋和凹筋對結構進行了加強。鑒于連續纖維復合材料的特性,碳纖維加強結構凸筋和凹筋處做等厚設計。


1.4.2鋪層設計

電池箱體的碳纖維編織布采用了T300-3K和T300-12K,兩種織布混合的方式,共10層碳纖維平紋織布加樹脂的設計。鋪層時主要考慮了以下注意事項:鋪層角的均衡性、同一鋪層方向的數量要求、鋪層的對稱性、鋪層層間角度的偏差、限制最大連續鋪層數。電池箱體零件采用了10層平紋織布交叉平鋪的方式,鋪層方式為[0 /45 /0 /45 /0 /0 /45 /0 /45 /0]。


1.4.3連接設計

電池模塊需要通過電池箱體連接在車體上,電池箱體在連接處采用了金屬緊固件進行連接,這些緊固件部分采用埋入方式,通過控制埋入的深度使連接處能夠承受較高的拉伸強度;部分緊固件和碳纖維本體之間采用結構膠粘結在一起。


2、碳纖維動力電池箱體仿真結果分析


碳纖維動力電池箱體從G-Load、模態分析、振動及沖擊4個方面對動力電池箱體結構進行仿真分析,從而為動力電池系統的耐久性研究和結構優化提供參考。


2.1 G-Load分析

按照表1中數值,分4個工況對動力電池進行加載,主要是考察電池系統在車輛正常行駛過程中,由于剎車、轉彎、跳躍等因素,電池系統承受來自不同方向載荷下的結構強度。


                  表1 G-Load 分析載荷工況表


分析結果顯示,惡劣工況下的最大應力小于材料的許用應力,見表2。



2.2模態分析

模態是機械結構的固有振動特性,模態分析用于確定設計結構或機器部件的振動特性,即結構的固有頻率和振型。對于動力電池箱體來說,模態分析主要是考察蓄電池系統結構的前六階固有頻率及振型。


由于隨機振動標準J2380在Z向振動要求中,35~40Hz以下頻率段屬于高振動能量區,故要求電池包Z向低階模態應盡可能高于35~40Hz。對模型進行模態分析后,結果顯示電池殼體結構的一階模態為61Hz,符合對低階模態的要求(見圖2)。


       

2.3機械沖擊

采用ISO16750中規定的方法對動力電池箱結構的抗機械沖擊能力進行分析。沖擊脈沖采用半正弦形脈沖波形,峰值加速度為500m/s2,持續時間為6ms。沖擊的加速度在所用6個方向上進行。分析結果顯示,電池托盤和殼體的最大應力為76.5MPa遠小于材料的許用應力(圖3)。


2.4振動分析

動力電池箱體的振動分析選用SAEJ2380中的標準。按SAEJ2380中規定的方法對動力電池箱結構的抗機械振動能力進行分析。分析結果顯示,電池托盤和殼體的最大應力遠小于材料的許用應力。碳纖維電池殼體滿足設計要求。


3、結語


本文研究了使用碳纖維復合材料對動力電池箱體進行輕量化設計的方法,并通過有限元仿真分析對設計進行了驗證。從分析結果看碳纖維復合材料電池箱體在結構模態、機械沖擊和結構疲勞方面完全滿足要求。碳纖維復合材料動力電池箱體的設計重量為12kg,而采用SMC復合材料制作的動力電池箱體的重量為15.5kg,整體減重3.5kg,相比減重達22%實現了減重指標。

信息來源:汽車材料網

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