新材料与工艺手册

轻量化动力电池箱

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发表于 2021-1-20 17:16:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】轻量化动力电池
邵明顶 杨明
万向一二三股份公司 浙江省杭州市 311215
摘 要: 新能源电动汽车想要取代燃油车,急迫要解决的是续航里程短的问题。动力电池系统作为电动车的“心脏”,提高系统能量密度成为各企业着手研究的重点。本文对使用新材料的电池箱设计方案体进行研究验证。使用连续玻璃纤维编织布作为基材,环氧乙烯基树脂作为基体的玻璃纤维增强复合材料(GFRP)通过预浸料模压成型工艺(PCM)制作的电池箱体,具有质量轻、耐腐蚀、绝缘、强度高等优点。
关键词:轻量化电池箱体 复合材料 预浸料模压
1 绪论
目前关于复合材料的研究较多,但因使用不合适的材料或不恰当的工艺或不合理的结构设计,导致大多产品无法通过严酷的国标测试。鉴于本行业对轻量化复合材料研究不足,本人针对新能源客车动力电池系统标准箱使用合适的复合材料进行方案设计、结构仿真和样件验证,达到动力电池系统轻量化的目的。本次研究产品通过国检登入工信部目录后批量的使用对行业轻量化技术的发展和探索起到引领作用。因下箱体为主要承重件且结构复杂,本文把下箱体作为重点研究对象。
2 箱体结构设计2.1 下箱体设计
下箱体包括复合材料下壳体、夹层铝合金管加强筋、夹层蜂窝铝填充物、固定点和吊装点等结构组成,如图1所示。
2.2 零件预处理
铝合金骨架:焊接铝方管,把预埋螺母嵌入铝方管设计位置。箱体吊耳为金属件,通过沉头螺栓或铆钉固定在箱体上。铝蜂窝板:切割成方块作为填充料。蜂窝铝的优点是在电池包火烧测试时仍能保持原状且支撑强度大于泡沫。螺母、钢套嵌件等使用标准件,
图1 电池箱下箱体总装爆炸图

2.3 箱体成型过程
下壳体材料:连续玻璃纤维垂直交叉网格布作为基材,环氧乙烯基树脂作为基体,同时添加阻燃剂、交联剂、反应促进剂等添加剂。
首先对玻璃纤维网格布预涂带添加剂的基体形成预浸料片材。根据下壳体外形剪裁预浸料片材,并铺设在模具上,其中铝合金骨架和蜂窝铝板在铺设过程中放入,使箱体底部形成夹层三明治结构,利用工装夹具使整个下壳体大致成型后,经过上下模具高压高温成型,然后脱膜,箱体主体成型。
2.4 箱体后处理
对成型后的箱体进行开功能孔,如图1所示。2-1是开孔嵌入的定位销,起到上盖定位作用;2-2是固定上盖穿螺栓的孔,嵌入件1螺母;2-4是安装连接器开孔;2-5是电池箱内部模组固定孔,螺杆穿过模组及该孔与铝合金骨架上的预埋螺母连接;2-6是箱体固定孔,嵌入件3和件5;2-3是下箱体和上盖配合的密封翻边,密封翻边上贴密封条能够保证箱体密封;2-7是固定箱体的翻边,巧妙之处是此翻边和箱体为一体式设计,可以避免单独的固定支架与箱体侧壁相连带来的开裂、密封失效、固定失效等风险,同时箱体上方密封翻边和下方吊耳、固定翻边同一宽度空间内,减少了额外的空间占用。
3 箱体仿真分析3.1 静态仿真分析
通过ANSYS仿真软件对结构设计进行验证[2]。首先对电池箱结构进行必要的简化和处理,其次GFRP的应力状态比较复杂且为非线性材料,本文研究的复合材料力学性能根据实验测试应力-应变曲线后得出,如表1。
表1 复合材料拉伸弯曲测试结果(取均值)

根据国标和业内对电池系统的要求,一般评价电池系统结构刚度时会采用静载荷分析,主要要求在Z向3g加速度工况下,电池系统的最大变形量分别不能超过3mm。电池箱分析结果:Z向3g加速度结构仿真总变形量0.037mm,远小于3mm,满足静载荷要求。
3.2 模态分析
模态分析对于动力电池系统来说尤为重要,作为电动汽车较大的组件,其振动性能在很大程度上会影响整车的NVH和疲劳性能。对电池系统结构进行模态分析,就能知道每个轴向对应的共振主频,就可以与振动功率谱密度PSD对比,从而大致判断结构在该振动PSD下的振动响应是否会导致结构发生疲劳失效。因此电池系统在设计时需要避开功率谱载荷里面的共振频率点,尽可能提高电池系统的一阶固有频率和一阶共振频率。电池箱固有频率和模态振型如图2所示。结论:电池箱固有频率约76且1-6阶模态振型规则,初步说明电池箱强度满足要求。
图2 电池箱固有频率和模态振型

3.3 随机振动分析
按照GB/T 31467.3-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测试方法》中7.1振动测试要求,本文重点分析电池箱最易产生问题的Z向随机振动[1]。仿真结果:Z向3σ随机振动集中应力最高为222MPa,远小于材料的拉伸强度和弯曲强度,满足振动载荷要求,如图3所示。
图3 电池箱Z向3sigma随机振动应力分布图

4 箱体测试验证4.1 样件摸底测试
吊装静止状态下,对下箱体配重3倍的电池系统重量,进行变形量测量,结果下箱体Z向变形量为2mm,不大于3mm,满足要求。
振动测试参照上述GB/T 31467.3-2015标准,测试过程如图4所示。测试结果:按照7.1.3要求检测系统电压正常,拆箱后检测结构件均完好无松动,测试满足要求。
图4 电池系统振动测试图

4.2 国家强制性检验
根据国标GB/T 31467.3-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测试方法》[1]要求,在国检中心对动力电池系统进行安全性测试和能量密度检验并顺利通过测试,报告编号分别为:QD18E11PB1431和QD18EP1PB1431。其中安全性测试包含振动、机械冲击、模拟碰撞、挤压、外部火烧、盐雾浸泡等等。动力电池系统能量密度高达140.93wh/kg,达到市场领先水平。
5 结论
本文所研究的采用连续玻璃纤维增强复合材料制作的下箱体,铝合金骨架嵌入底部形成立体三明治结构,通过铝蜂窝板填充,结构强度满足使用要求;整个下箱体一体成型,无需在箱体壁上开孔连接固定支架等,密封性有保证;密度低、重量轻,综合成本有明显的优势。产品通过国检登入工信部目录后批量的使用对行业轻量化技术的发展和探索起到引领作用。
当然本次研究的客车标准箱形状比较规则,内部结构复杂程度不高,成型比较容易,对于较复杂的乘用车电池箱使用复合材料的研究还需要行业同仁们共同研究和探索。随着汽车工业的发展和国家对汽车排碳量的逐步降低,汽车轻量化会加速进行,将来连续玻璃纤维复合材料也会越来越多的应用到汽车的各个部分。

 楼主| 发表于 2021-1-22 10:54:06 | 显示全部楼层
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