文章來(lái)源:萬(wàn)向一二三股份公司 1緒論 目前關(guān)于復(fù)合材料的研究較多，但因使用不合適的材料或不恰當(dāng)?shù)墓に嚮虿缓侠淼慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致大多產(chǎn)品無(wú)法通過(guò)嚴(yán)酷的國(guó)標(biāo)測(cè)試。鑒于本行業(yè)對(duì)輕量化復(fù)合材料研究不足，本文針對(duì)新能源客車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)箱使用合適的復(fù)合材
目前關(guān)于復(fù)合材料的研究較多，但因使用不合適的材料或不恰當(dāng)?shù)墓に嚮虿缓侠淼慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致大多產(chǎn)品無(wú)法通過(guò)嚴(yán)酷的國(guó)標(biāo)測(cè)試。鑒于本行業(yè)對(duì)輕量化復(fù)合材料研究不足，本文針對(duì)新能源客車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)箱使用合適的復(fù)合材料進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)仿真和樣件驗(yàn)證，達(dá)到動(dòng)力電池系統(tǒng)輕量化的目的。本次研究產(chǎn)品通過(guò)國(guó)檢登入工信部目錄后批量的使用對(duì)行業(yè)輕量化技術(shù)的發(fā)展和探索起到引領(lǐng)作用。因下箱體為主要承重件且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文把下箱體作為重點(diǎn)研究對(duì)象。2箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下箱體包括復(fù)合材料下殼體、夾層鋁合金管加強(qiáng)筋、夾層蜂窩鋁填充物、固定點(diǎn)和吊裝點(diǎn)等結(jié)構(gòu)組成，如圖 1所示。鋁合金骨架：焊接鋁方管，把預(yù)埋螺母嵌入鋁方管設(shè)計(jì)位置。箱體吊耳為金屬件， 通過(guò)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(diǎn) 是在電池包火燒測(cè)試時(shí)仍能保持原狀且支撐強(qiáng)度大于泡沫。螺母、鋼套嵌件等使用標(biāo)準(zhǔn)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(shù)脂作為基體， 同時(shí)添加阻燃劑、交聯(lián)劑、反應(yīng)促進(jìn)劑等添加劑。首先對(duì)玻璃纖維網(wǎng)格布預(yù)涂帶添加劑的基體形成預(yù)浸料片材。根據(jù)下殼體外形剪裁預(yù)浸料片材，并鋪設(shè)在模具上，其中鋁合金骨架和蜂窩鋁板在鋪設(shè)過(guò)程中放入，使箱體底部形成夾層三明治結(jié)構(gòu)，利用工裝夾具使整個(gè)下殼體大致成型后，經(jīng)過(guò)上下模具高壓高溫成型，然后脫膜，箱體主體成型。對(duì)成型后的箱體進(jìn)行開(kāi)功能孔，如圖 1所示。2-1是開(kāi)孔嵌入的定位銷(xiāo)，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(kāi)孔；2-5是電池箱內(nèi)部模組固定孔，螺桿穿過(guò)模組及該孔與鋁合金骨架上的預(yù)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(shè)計(jì)，可以避免單獨(dú)的固定支架與箱體側(cè)壁相連帶來(lái)的開(kāi)裂、密封失效、固定失效等風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)箱體上方密 封翻邊和下方吊耳、固定翻邊同一寬度空間內(nèi)，減少了額外的空間占用。通過(guò) ANSYS仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行 驗(yàn)證 。首先對(duì)電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化和處理，其次GFRP的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜且為非線性材料，本文研究的復(fù)合材料力學(xué)性能根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試應(yīng)力-應(yīng)變曲線后得出，如表1。根據(jù)國(guó)標(biāo)和業(yè)內(nèi)對(duì)電池系統(tǒng)的要求，一般評(píng)價(jià)電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度時(shí)會(huì)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(guò)3mm。電池箱分析結(jié)果：Z向3g加速度結(jié)構(gòu)仿真總變形量0.037mm，遠(yuǎn)小于3mm，滿(mǎn)足靜載荷要求。模態(tài)分析對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤為重要，作為電動(dòng)汽車(chē)較大的組件，其振動(dòng)性能在很大程度上會(huì)影響整車(chē)的 NVH和疲勞性能。對(duì)電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，就能知道每個(gè)軸向?qū)?yīng)的共振主頻，就可以與振動(dòng)功率譜密度PSD對(duì)比，從而大致判斷結(jié)構(gòu)在該振動(dòng)PSD下的振動(dòng)響應(yīng)是否會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效。因此電池系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要避開(kāi)功率譜載荷里面的共振頻率點(diǎn)，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(jié)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(shuō)明電池箱強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。按照 GB/T31467.3-2015《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》中 7.1振動(dòng)測(cè)試要求，本文重點(diǎn)分析電池箱最易產(chǎn)生問(wèn)題的Z向隨 機(jī)振動(dòng) 。仿真結(jié)果：Z向3σ隨機(jī)振動(dòng)集中應(yīng)力最高為222MPa，遠(yuǎn)小于材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，滿(mǎn)足振動(dòng)載荷要求，如圖３所示。吊裝靜止?fàn)顟B(tài)下，對(duì)下箱體配重 3倍的電池系統(tǒng)重量，進(jìn)行變形量測(cè)量，結(jié)果下箱體Z向變形量為2mm，不大于3mm，滿(mǎn)足要求。振動(dòng)測(cè)試參照上述 GB/T31467.3-2015標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試過(guò)程如圖４所示。測(cè)試結(jié)果：按照7.1.3要求檢測(cè)系統(tǒng)電壓正常，拆箱后檢測(cè)結(jié)構(gòu)件均完好無(wú)松動(dòng)，測(cè)試滿(mǎn)足要求。4.2國(guó)家強(qiáng)制性檢驗(yàn)根據(jù)國(guó)標(biāo) GB/T31467.3-2015《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，在國(guó)檢中心對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行安全性測(cè)試和能量密度檢驗(yàn)并順利通過(guò)測(cè)試，報(bào)告編號(hào)分別為：QD18E11PB1431和QD18EP1PB1431。其中 安全性測(cè)試包含振動(dòng)、機(jī)械沖擊、模擬碰撞、擠壓、外部火燒、鹽霧浸泡等等。動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度高達(dá) 140.93wh/kg，達(dá)到市場(chǎng)領(lǐng)先水平。本文所研究的采用連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)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(jié)構(gòu)，通過(guò)鋁蜂窩板填充，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求；整個(gè)下箱體一體成型，無(wú)需在箱體壁上開(kāi)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(shì)。產(chǎn)品通過(guò)國(guó)檢登入工信部目錄后批量的使用對(duì)行業(yè)輕量化技術(shù)的發(fā)展和探索起到引領(lǐng)作用。
當(dāng)然本次研究的客車(chē)標(biāo)準(zhǔn)箱形狀比較規(guī)則，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不高，成型比較容易， 對(duì)于較復(fù)雜的乘用車(chē)電池箱使用復(fù)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(chē)工業(yè)的發(fā)展和國(guó)家對(duì)汽車(chē)排碳量的逐步降低，汽車(chē)輕量化會(huì)加速進(jìn)行，將來(lái)連續(xù)玻璃纖維復(fù)合材料也會(huì)越來(lái)越多的應(yīng)用到汽車(chē)的各個(gè)部分。
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