輕量化動力電池箱

邵明頂　楊明

摘 要：新能源電動汽車想要取代燃油車，急迫要解決的是續航里程短的問題。動力電池系統作為電動車的“心臟”，提高系統能量密度成為各企業著手研究的重點。本文對使用新材料的電池箱設計方案體進行研究驗證。使用連續玻璃纖維編織布作為基材，環氧乙烯基樹脂作為基體的玻璃纖維增強復合材料（GFRP）通過預浸料模壓成型工藝（PCM）制作的電池箱體，具有質量輕、耐腐蝕、絕緣、強度高等優點。

關鍵詞：輕量化電池箱體 復合材料 預浸料模壓

Lightweight Power Battery Box

Shao Mingding Yang Ming

Abstract：For the new energy electric vehicles to replace fuel vehicles， the urgent need is to solve the problem of short cruising range. As the "heart" of electric vehicles， improving the energy density of power battery system has become the focus of various enterprises. In this paper， the design scheme of battery box using new material is studied and verified. The battery box is made of glass fiber reinforced plastic （GFRP） with continuous glass fiber braided cloth as the substrate and epoxy vinyl resin as the matrix through Prepreg Compression Molding process （PCM）. It has the advantages of light weight， corrosion resistance， insulation and high strength.

Key words：lightweight battery box， composite material， prepreg molding

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的工藝或不合理的結構設計，導致大多產品無法通過嚴酷的國標測試。鑒于本行業對輕量化復合材料研究不足，本人針對新能源客車動力電池系統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，達到動力電池系統輕量化的目的。本次研究產品通過國檢登入工信部目錄后批量的使用對行業輕量化技術的發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。

2 箱體結構設計

2.1 下箱體設計

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。

2.2 零件預處理

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，

2.3 箱體成型過程

下殼體材料：連續玻璃纖維垂直交叉網格布作為基材，環氧乙烯基樹脂作為基體，同時添加阻燃劑、交聯劑、反應促進劑等添加劑。

首先對玻璃纖維網格布預涂帶添加劑的基體形成預浸料片材。根據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，經過上下模具高壓高溫成型，然后脫膜，箱體主體成型。

2.4 箱體后處理

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。

3 箱體仿真分析

3.1 靜態仿真分析

通過ANSYS仿真軟件對結構設計進行驗證[2]。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實驗測試應力-應變曲線后得出，如表1。

根據國標和業內對電池系統的要求，一般評價電池系統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。

3.2 模態分析

模態分析對于動力電池系統來說尤為重要，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。對電池系統結構進行模態分析，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生疲勞失效。因此電池系統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的一階固有頻率和一階共振頻率。電池箱固有頻率和模態振型如圖2所示。結論：電池箱固有頻率約76且1-6階模態振型規則，初步說明電池箱強度滿足要求。