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碳纖維復(fù)合材料動(dòng)力電池箱體擠壓性能研究

2020-06-03 23:50:34·  來(lái)源：《碳纖維復(fù)合材料動(dòng)力電池箱體擠壓性能研究》  作者：浙江眾泰汽車(chē)研究院  
　
1 引 言據(jù)統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)重降低10%，其續(xù)駛里程可增加5.5%。動(dòng)力電池的輕量化，可以提高動(dòng)力電池能量密度，對(duì)改善電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能及續(xù)航里程有著至關(guān)重要的
1 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)重降低10%，其續(xù)駛里程可增加5.5%。動(dòng)力電池的輕量化，可以提高動(dòng)力電池能量密度，對(duì)改善電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能及續(xù)航里程有著至關(guān)重要的作用。

現(xiàn)階段提升電池能量密度的可行方法包括削減對(duì)電量?jī)?chǔ)能無(wú)貢獻(xiàn)的電池系統(tǒng)配件、線(xiàn)束、系統(tǒng)附件等重量，或者可以結(jié)合動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)選用當(dāng)下的先進(jìn)材料，如碳纖維復(fù)合材料。

盡管碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于整車(chē)會(huì)使得車(chē)輛的成本大大提高，但若小部分應(yīng)用于動(dòng)力電池上，則在一定程度上可降低電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)重量，提高續(xù)駛里程，成本也不會(huì)提高太多。

電池箱體是新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的承載件，一般安裝在車(chē)體下部，主要用于保護(hù)鋰電池在受到外界碰撞、擠壓時(shí)不會(huì)損壞。傳統(tǒng)的車(chē)用電池箱體采用鋼材、鋁合金等材料鑄造，然后對(duì)表面進(jìn)行防腐蝕性噴涂處理。碳纖維材料具有優(yōu)良的耐蝕性和阻燃性，便于在動(dòng)力電池碳纖維材料箱體上應(yīng)用。

本文采用有限元軟件LS-DYNA，建立動(dòng)力電池箱體有限元模型及碳纖維復(fù)合材料、鋪層設(shè)置及厚度積分定義，對(duì)其準(zhǔn)靜態(tài)擠壓過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，分析碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料擠壓力學(xué)性能及碳纖維復(fù)合材料鋪層角度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。最后通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與有限元仿真分析結(jié)果，驗(yàn)證材料模型及有限元模型的準(zhǔn)確性。

2 數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)方法

2.1 碳纖維箱體材料及鋪層參數(shù)
 
 
金屬電池箱外形如圖1 所示， 外輪廓長(zhǎng)1230mm，寬1100mm，高120mm，箱體質(zhì)量為35kg。用碳纖維復(fù)合材料替代鈑金材料電池包箱體，結(jié)構(gòu)采用蜂窩鋁夾芯結(jié)構(gòu)承載，其中面板采用T700 碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂，芯層采用正六邊形鋁蜂窩，如圖2、圖3 所示。該碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料動(dòng)力電池箱體的質(zhì)量約為8.5kg，相對(duì)于傳統(tǒng)的鋼材或者鋁合金電池箱體能減重50%以上。
 
 
 
 
 
碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂T700 單層板材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。其樹(shù)脂體積含量占比37.06%，纖維體積含量占比52.18%。芯層材料性能參數(shù)見(jiàn)表2。蜂窩鋁材料力學(xué)測(cè)試三個(gè)方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，其中aa、bb、cc 分別為材料坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的法向、橫向、縱向三個(gè)方向。
 
 
 
碳纖維復(fù)合材料箱體結(jié)構(gòu)由底板、側(cè)板、加強(qiáng)筋三部分構(gòu)成，如圖5 所示。其中碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料涉及材料鋪層，在碳纖維鋪層設(shè)置中的鋪層角度方面與實(shí)際的工藝狀態(tài)保持一致。

夾層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料面板在LS-DYNA材料卡片采用MAT54 號(hào)材料Shell 單元類(lèi)型定義，復(fù)合材料卡片關(guān)鍵字為*Mat_Enhanced_Composite_Damage，其中需要在卡片里根據(jù)材料力學(xué)試驗(yàn)工況設(shè)置材料力學(xué)矢量方向，卡片參數(shù)參照表1 進(jìn)行設(shè)置。MAT54 號(hào)材料采用Chang-Chang 準(zhǔn)則來(lái)判定鋪第2 期 洪求才，等：碳纖維復(fù)合材料動(dòng)力電池箱體擠壓性能研究 903層的失效行為，當(dāng)材料超出彈性變形進(jìn)入塑性變形階段時(shí)，其失效行為如下。
1)纖維拉伸行為模式(σ aa＞0 )
 
 
2)纖維壓縮行為模式(σ aa＜0)
 
 
3)基體拉伸行為模式(σ bb＞0)
 
 
4)基體壓縮行為模式(σ bb＜0)
 
 
基體壓縮失效后，Vab=Vba=0→Gab=0。

式中：a為纖維方向；b 為垂直于纖維方向；c 為厚度方向；β為纖維拉伸模式下剪切項(xiàng)的加權(quán)因子；σ aa為纖維斷裂應(yīng)力；σ bb為基體開(kāi)裂應(yīng)力；e2f、e2c、e2m、e2d為各自對(duì)應(yīng)模式下的失效判據(jù)。夾層結(jié)構(gòu)的正六邊形蜂窩鋁芯層采用MAT126號(hào)材料SOLID單元定義，材料卡片關(guān)鍵字為*Mat_Modified_Honeycomb，卡片參數(shù)參照表2 設(shè)置。

2.2 碳纖維材料特性仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)
 
 
試驗(yàn)采用手動(dòng)楔形夾具進(jìn)行試樣裝夾；采用GBT 1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》規(guī)定的Ⅱ型試樣形式尺寸，試件鋪層角度為[90°，0°，90°，0°]，共四層，厚度為0.8mm；試驗(yàn)加載速度為5mm/min，直至試件破壞，如圖6 所示。對(duì)材料力學(xué)特性應(yīng)用仿真分析，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)、單元積分形式等參數(shù)進(jìn)行多輪迭代修正，選擇更為穩(wěn)健的數(shù)值分析擬合試驗(yàn)與仿真結(jié)果。通過(guò)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線(xiàn)可知，仿真與試驗(yàn)的一致性能得到了較好擬合。基于現(xiàn)有的材料參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果綜合評(píng)估，可以進(jìn)一步應(yīng)用后續(xù)工程開(kāi)發(fā)動(dòng)力電池箱體性能開(kāi)發(fā)。

2.3 碳纖維材料動(dòng)力電池箱體有限元模型設(shè)置及仿真分析結(jié)果

根據(jù)GB/T 31467.3-2015《電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3 部分：安全性要求與測(cè)試方法》要求，用半徑為75mm 的半圓柱(半圓柱體的長(zhǎng)度大于測(cè)試對(duì)象的高度，但不超過(guò)1m)沿著汽車(chē)行駛方向x 軸和垂直汽車(chē)行駛方向的y 軸擠壓電池包。基于LS-DYNA 有限元方法模擬擠壓工況(本文以擠壓x 向進(jìn)行闡述)。以最大擠壓力、平均擠壓力、內(nèi)能、比吸能性能指標(biāo)評(píng)判電池包系統(tǒng)的安全性能。最大壓潰力Fmax 為擠壓過(guò)程中擠壓力的峰值，平均作用力Fmean 為整個(gè)擠壓歷程中的平均擠壓力，內(nèi)能Einternal 則由壓潰力F 與壓潰距離s 曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的積分面積得出。比吸能Es 為結(jié)構(gòu)在擠壓破壞長(zhǎng)度范圍內(nèi)單位質(zhì)量所吸收的內(nèi)能。
 
 
式中：ρ為材料密度；E 為內(nèi)能；F 為壓潰力載荷；A 為結(jié)構(gòu)橫截面積；m 為結(jié)構(gòu)質(zhì)量；s 為壓潰距離。
 
 
碳纖維復(fù)合材料箱體電池包系統(tǒng)擠壓工況有限元模型(本文以x 向擠壓工況闡述)，有限元模型碳纖維復(fù)合材料采用三角形殼單元、夾芯層SOLID單元模擬，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為609530 個(gè)，單元數(shù)量為1021080 個(gè)，箱體結(jié)構(gòu)件之間采用節(jié)點(diǎn)耦合。電池模組及BMS 系統(tǒng)、熱管理、線(xiàn)束及集成蓋板等附件重量采用集中質(zhì)量點(diǎn)，根據(jù)質(zhì)量分布形式通過(guò)REB2 單元與箱體螺栓孔位置連接。整個(gè)有限元仿真模型由電池包系統(tǒng)、剛性墻、地面及擠壓剛性半圓柱組成，如圖7 所示。剛性半圓柱材料MAT20僅釋放x 向材料流動(dòng)，其他方向自由度約束，按照恒定速度施加強(qiáng)迫位移， 加載卡片關(guān)鍵字*Boundary_Prescribed_Motion_Rigid。剛性半圓柱與箱體接觸卡片定義節(jié)點(diǎn)與面接觸， 即*Contact_Automatic_Nodes_to_Surface。由于箱體與剛體材料剛度差異較大，設(shè)置SOFT=1 保證合理的接觸剛度計(jì)算節(jié)點(diǎn)不穿透剛性半圓柱。為了增加計(jì)算模型仿真精度及響應(yīng)的穩(wěn)定性，控制卡片中*Control_Shell ISTUPD=0，*Control_Bulk_ViscosityTYPE=-2 及*Control_Accuracy INN=2 進(jìn)行設(shè)置，其中ISTUPD 提升殼單元收斂及計(jì)算穩(wěn)定性；TYPE 應(yīng)用黏性殼單元能量穩(wěn)定；INN 應(yīng)用于殼及厚殼單元。

碳纖維復(fù)合材料屬性卡片定義*Section_Shell，正交各向異性復(fù)合材料分層ICOMP=1 設(shè)置鋪層角度，通過(guò)IRID 關(guān)聯(lián)Shell 單元厚度方向自定義積分形式*Integration_Shell，示例如下。
 
 
其中：NIP 為厚度方向積分點(diǎn)數(shù)量；S 為積分點(diǎn)范圍[-1，1]；WF 為單元厚度方向劃分積分點(diǎn)重量系數(shù)，即WF=△ t / t ，t為積分點(diǎn)總厚度。WF加權(quán)等于1，如圖8 所示。
 
 
 
 
 
 
以箱體底板夾芯上下面板碳纖維鋪層角度共6 個(gè)鋪層為例，如圖9 所示，鋪層角度示意分別為[0°，-60°，0°，-60°，0°，-60°]、[0°，-30°，0°，-30°，0°，-30°]、[0°，30°，0°，30°，0°，30°]、[0°，60°，0°，60°，0°，60°]、[0°，90°，0°，90°，0°，90°]。鋪層角度仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表如表3 所示，[0°，-60°，0°，-60°，0°，-60°]鋪層擠壓峰值力最大值為121.59kN，但[0°，60°，0°，60°，0°，60°]鋪層平均擠壓力最大值為48.2kN，對(duì)應(yīng)的內(nèi)能(Einternal=289.9kJ)與比吸能(Es=30.35kJ·kg-1)也最大。不同纖維鋪層角度擠壓力曲線(xiàn)對(duì)比與內(nèi)能對(duì)比曲線(xiàn)分別如圖10、圖11 所示。由圖12 擠壓力曲線(xiàn)圖可知，[0°，90°，0°，90°，0°，90°]鋪層對(duì)應(yīng)的擠壓力曲線(xiàn)出現(xiàn)“W”型波動(dòng)，主要原因在于擠壓過(guò)程中局部出現(xiàn)壓潰失效現(xiàn)象，導(dǎo)致擠壓力不能維持上升通道，在結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)中盡可能要避免這種現(xiàn)象。一般地，擠壓力峰值和平均擠壓力越大表明結(jié)構(gòu)抗破壞性能越好，內(nèi)能和比吸能越大表明結(jié)構(gòu)吸能或者壓潰性能越好，在結(jié)構(gòu)抗壓潰性能評(píng)價(jià)時(shí)要綜合考慮。
 
 
 
 
 
3 結(jié) 論

本文分析了碳纖維復(fù)合材料不同鋪層角度對(duì)擠壓工況下結(jié)構(gòu)性能的影響，得出結(jié)論如下。

1)在x 向動(dòng)力電池包擠壓工況下，[0°，-60°，0°，-60°，0°，-60°]鋪層擠壓力峰值最大，F(xiàn)max=121.59kN。

2)從平均擠壓力Fmean、內(nèi)能Einternal、比吸能Es來(lái)看，[0°，60°，0°，60°，0°，60°]鋪層角度擠壓性能最佳，并且最大擠壓力Fmax=110.59kN滿(mǎn)足GB/T 31467.3-2015 標(biāo)準(zhǔn)中擠壓力大于100kN要求。

3)[0°，90°，0°，90°，0°，90°]鋪層擠壓力波形出現(xiàn)“W”型波動(dòng)，在結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)中應(yīng)避免這種形式。綜合評(píng)估[0°，60°，0°，60°，0°，60°]鋪層角度在x 向擠壓性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。同樣需在動(dòng)力電池y 向擠壓工況下研究碳纖維鋪層角度對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響，全面評(píng)估電池包x 向和y 向擠壓綜合力學(xué)性能，滿(mǎn)足電池包最佳的擠壓性能碳纖維鋪層角度。

采用LS-DYNA 仿真方法能夠?qū)?fù)合材料結(jié)構(gòu)在擠壓工況下的載荷峰值、平均載荷、吸能效能等進(jìn)行數(shù)值模擬，可以達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù)、縮短開(kāi)發(fā)周期和節(jié)約開(kāi)發(fā)成本等目的。碳纖維復(fù)合材料仿真與試驗(yàn)擬合曲線(xiàn)一致性較好，可以有效利用仿真技術(shù)進(jìn)行工程應(yīng)用。
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