文章來源:萬向一二三股份公司 1緒論 目前關于復合材料的研究較多，但因使用不合適的材料或不恰當?shù)墓に嚮虿缓侠淼慕Y構設計，導致大多產(chǎn)品無法通過嚴酷的國標測試。鑒于本行業(yè)對輕量化復合材料研究不足，本文針對新能源客車動力電池系統(tǒng)標準箱使用合適的復合材
目前關于復合材料的研究較多，但因使用不合適的材料或不恰當?shù)墓に嚮虿缓侠淼慕Y構設計，導致大多產(chǎn)品無法通過嚴酷的國標測試。鑒于本行業(yè)對輕量化復合材料研究不足，本文針對新能源客車動力電池系統(tǒng)標準箱使用合適的復合材料進行方案設計、結構仿真和樣件驗證，達到動力電池系統(tǒng)輕量化的目的。本次研究產(chǎn)品通過國檢登入工信部目錄后批量的使用對行業(yè)輕量化技術的發(fā)展和探索起到引領作用。因下箱體為主要承重件且結構復雜，本文把下箱體作為重點研究對象。下箱體包括復合材料下殼體、夾層鋁合金管加強筋、夾層蜂窩鋁填充物、固定點和吊裝點等結構組成，如圖 1所示。鋁合金骨架：焊接鋁方管，把預埋螺母嵌入鋁方管設計位置。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 是在電池包火燒測試時仍能保持原狀且支撐強度大于泡沫。螺母、鋼套嵌件等使用標準件，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， 同時添加阻燃劑、交聯(lián)劑、反應促進劑等添加劑。首先對玻璃纖維網(wǎng)格布預涂帶添加劑的基體形成預浸料片材。根據(jù)下殼體外形剪裁預浸料片材，并鋪設在模具上，其中鋁合金骨架和蜂窩鋁板在鋪設過程中放入，使箱體底部形成夾層三明治結構，利用工裝夾具使整個下殼體大致成型后，經(jīng)過上下模具高壓高溫成型，然后脫膜，箱體主體成型。對成型后的箱體進行開功能孔，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是電池箱內部模組固定孔，螺桿穿過模組及該孔與鋁合金骨架上的預埋螺母連接；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計，可以避免單獨的固定支架與箱體側壁相連帶來的開裂、密封失效、固定失效等風險，同時箱體上方密 封翻邊和下方吊耳、固定翻邊同一寬度空間內，減少了額外的空間占用。通過 ANSYS仿真軟件對結構設計進行 驗證 。首先對電池箱結構進行必要的簡化和處理，其次GFRP的應力狀態(tài)比較復雜且為非線性材料，本文研究的復合材料力學性能根據(jù)實驗測試應力-應變曲線后得出，如表1。根據(jù)國標和業(yè)內對電池系統(tǒng)的要求，一般評價電池系統(tǒng)結構剛度時會采用靜載荷分析，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。電池箱分析結果：Z向3g加速度結構仿真總變形量0.037mm，遠小于3mm，滿足靜載荷要求。模態(tài)分析對于動力電池系統(tǒng)來說尤為重要，作為電動汽車較大的組件，其振動性能在很大程度上會影響整車的 NVH和疲勞性能。對電池系統(tǒng)結構進行模態(tài)分析，就能知道每個軸向對應的共振主頻，就可以與振動功率譜密度PSD對比，從而大致判斷結構在該振動PSD下的振動響應是否會導致結構發(fā)生疲勞失效。因此電池系統(tǒng)在設計時需要避開功率譜載荷里面的共振頻率點，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，初步說明電池箱強度滿足要求。按照 GB/T31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全 性要求與測試方法》中 7.1振動測試要求，本文重點分析電池箱最易產(chǎn)生問題的Z向隨 機振動 。仿真結果：Z向3σ隨機振動集中應力最高為222MPa，遠小于材料的拉伸強度和彎曲強度，滿足振動載荷要求，如圖３所示。吊裝靜止狀態(tài)下，對下箱體配重 3倍的電池系統(tǒng)重量，進行變形量測量，結果下箱體Z向變形量為2mm，不大于3mm，滿足要求。振動測試參照上述 GB/T31467.3-2015標準，測試過程如圖４所示。測試結果：按照7.1.3要求檢測系統(tǒng)電壓正常，拆箱后檢測結構件均完好無松動，測試滿足要求。根據(jù)國標 GB/T31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法》要求，在國檢中心對動力電池系統(tǒng)進行安全性測試和能量密度檢驗并順利通過測試，報告編號分別為：QD18E11PB1431和QD18EP1PB1431。其中 安全性測試包含振動、機械沖擊、模擬碰撞、擠壓、外部火燒、鹽霧浸泡等等。動力電池系統(tǒng)能量密度高達 140.93wh/kg，達到市場領先水平。本文所研究的采用連續(xù)玻璃纖維增強復合材料制作的下箱體 ,鋁合金骨架嵌入底部形成立體三明治結構，通過鋁蜂窩板填充，結構強度滿足使用要求；整個下箱體一體成型，無需在箱體壁上開孔連接固定支架等，密封性有保證；密度低、重量輕，綜合成本有明顯的優(yōu)勢。產(chǎn)品通過國檢登入工信部目錄后批量的使用對行業(yè)輕量化技術的發(fā)展和探索起到引領作用。
當然本次研究的客車標準箱形狀比較規(guī)則，內部結構復雜程度不高，成型比較容易， 對于較復雜的乘用車電池箱使用復合材料的研究還需要行業(yè)同仁們共同研究和探索。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和國家對汽車排碳量的逐步降低，汽車輕量化會加速進行，將來連續(xù)玻璃纖維復合材料也會越來越多的應用到汽車的各個部分。
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