某新能源汽車復合材料電池包輕量化設計

朱增余　江晶晶　陳志豪　王卯升

摘 要：電池包是電動汽車的動力源，其中下箱體及模組安裝板是電池包的主要承載部件，采用碳纖維復合材料代替原不銹鋼材料對下箱體及模組安裝板進行輕量化設計。上箱體兼顧到制造成本問題，使用原不銹鋼材料。結果表明，采用碳纖維復合材料的電池包在滿足力學性能的同時，相比于原不銹鋼材料，電池包重量指標得到了較大的改善。

關鍵詞：電動汽車 電池包 不銹鋼 碳纖維復合材料 輕量化設計

Lightweight Design of a New Energy Vehicle Composite Battery Pack

Zhu Zengyu，Jiang Jingjing，Chen Zhihao，Wang Maosheng

Abstract：The battery pack is the power source of electric vehicles. The lower box body and module mounting plate are the main load-bearing parts of the battery pack. Carbon fiber composite materials are used to replace the original stainless steel to make the lower box body and module mounting plate lightweight. The upper box body takes into account the manufacturing cost and uses the original stainless-steel material. The results show that， while satisfying the mechanical properties of the battery pack using carbon fiber composite materials， the weight index of the battery pack has been greatly improved compared with the original stainless-steel material.

Key words：electric vehicle， battery pack， stainless steel， carbon fiber composite material， lightweight design

1 引言

近幾年，我國電動汽車市場經歷了快速增長，2014-2015年間增長率達100%-300%，2019年上半年國內電動汽車保有量達到了344萬輛[1]，但其續航里程卻一直飽受詬病，在此背景下，利用輕量化技術提高電動汽車續航里程是行之有效的關鍵技術方法。汽車輕量化主要從結構優化、新材料應用及先進制造工藝3方面來實現，其中新材料技術對輕量化的發展具有極大潛力，而這之中碳纖維材料以其強度大、密度低、剛度大等優點，在車身上已大量應用[2-3]。本文通過結構設計過程中的優化和CAE分析針對某車型復合材料電池包的振動和擠壓進行說明，并與原金屬電池包進行質量對比，有較大的減重效果，同時滿足國家相關技術標準。

2 模型說明

2.1 結構說明

本文所研究的電池包尺寸參數來自某車型的實物測繪結果，原箱體材料為DC01，其結構主要包括上箱體、模組安裝板、下箱體，共計20個模組，電池包整體模型如圖1所示。

2.2 有限元模型建立

2.2.1 有限元網格劃分

為了方便有限元模型的建立，在建模時不考慮電池單元的線束以及次要零部件。在電池箱的仿真計算中，為了提高仿真的準確性，需要確保電池單元的質量分布以及受力時載荷傳遞路徑與實際情況相符，電池單元采用六面體網格劃分，平均單元尺寸為15 mm。上下箱體與模組安裝板采用殼單元，平均單元尺寸為5mm。

2.2.2 材料的選定

在電池包結構中，下箱體和模組安裝板屬于主要承載部件，為對其進行輕量化設計和探索復合材料優化技術，采用碳纖維復合材料替換原不銹鋼材料，其類型為300gsm，T700級碳纖維布，此類型碳纖維的抗拉強度能夠超過3.5GPa。而上箱體的主要起密封作用，考慮到實際情況下的成本問題，故其依舊使用DC01。

碳纖維復合材料屬于正交各向異性材料，將其應用在汽車結構上可極大降低汽車質量，但其力學參數受多種因素影響，例如加工工藝、絲束規格等。為探究碳纖維復合材料的力學性能，在室溫干態的試驗環境下對碳纖維層壓板的0°拉伸、90°拉伸、0°壓縮、90°壓縮、面內剪切、三點彎曲、層間剪切強度等7個項目進行檢測，試驗結果匯總表如表1所示。

2.2.3 鋪層設計

由于碳纖維復合材料屬于正交各向異性材料，所以在進行鋪層設計時，要注意鋪層的順序以及方向，借助于復合材料優良的可設計性，對結構進行合理的設計，不僅能夠把復合材料優異的力學性能體現出來，而且能夠將輕量化設計的優勢最大化。為提高碳纖維結構的可制造性，設計方案如下：第一，+45°和-45°層成對出現;第二，相同角度鋪層連續出現的次數不超過2次。

2.2.4 連接方式

在連接方式上，傳統電池殼在上下底殼連接部位和與汽車底盤連接的部位均采用螺栓連接。在采用碳纖維復合材料之后，為保證復合材料的完整性和異質材料連接的問題，在連接方式上選擇膠接的方法。膠接能夠提高粘接部位的密封性和耐腐蝕性，并且相對于傳統的連接方式，在膠層面上的應力分布比較平均，也提高了連接位置的抗疲勞性能。

3 仿真工況的確定