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新能源汽车电池包轻量化设计探究

2021-02-24 11:56 来源:汽车设计论文 人参与在线咨询

摘要:电池包是电动汽车的动力源,其中下箱体及模组安装板是电池包的主要承载部件,采用碳纤维复合材料代替原不锈钢材料对下箱体及模组安装板进行轻量化设计。上箱体兼顾到制造成本问题,使用原不锈钢材料。结果表明,采用碳纤维复合材料的电池包在满足力学性能的同时,相比于原不锈钢材料,电池包重量指标得到了较大的改善。

关键词:电动汽车;电池包;不锈钢;碳纤维复合材料;轻量化设计

1引言

近几年,我国电动汽车市场经历了快速增长,2014-2015年间增长率达100%-300%,2019年上半年国内电动汽车保有量达到了344万辆[1],但其续航里程却一直饱受诟病,在此背景下,利用轻量化技术提高电动汽车续航里程是行之有效的关键技术方法。汽车轻量化主要从结构优化、新材料应用及先进制造工艺3方面来实现,其中新材料技术对轻量化的发展具有极大潜力,而这之中碳纤维材料以其强度大、密度低、刚度大等优点,在车身上已大量应用[2-3]。本文通过结构设计过程中的优化和CAE分析针对某车型复合材料电池包的振动和挤压进行说明,并与原金属电池包进行质量对比,有较大的减重效果,同时满足国家相关技术标准。

2模型说明

2.1结构说明。本文所研究的电池包尺寸参数来自某车型的实物测绘结果,原箱体材料为DC01,其结构主要包括上箱体、模组安装板、下箱体,共计20个模组,电池包整体模型如图1所示。

2.2有限元模型建立。2.2.1有限元网格划分。为了方便有限元模型的建立,在建模时不考虑电池单元的线束以及次要零部件。在电池箱的仿真计算中,为了提高仿真的准确性,需要确保电池单元的质量分布以及受力时载荷传递路径与实际情况相符,电池单元采用六面体网格划分,平均单元尺寸为15mm。上下箱体与模组安装板采用壳单元,平均单元尺寸为5mm。2.2.2材料的选定。在电池包结构中,下箱体和模组安装板属于主要承载部件,为对其进行轻量化设计和探索复合材料优化技术,采用碳纤维复合材料替换原不锈钢材料,其类型为300gsm,T700级碳纤维布,此类型碳纤维的抗拉强度能够超过3.5GPa。而上箱体的主要起密封作用,考虑到实际情况下的成本问题,故其依旧使用DC01。碳纤维复合材料属于正交各向异性材料,将其应用在汽车结构上可极大降低汽车质量,但其力学参数受多种因素影响,例如加工工艺、丝束规格等。为探究碳纤维复合材料的力学性能,在室温干态的试验环境下对碳纤维层压板的0°拉伸、90°拉伸、0°压缩、90°压缩、面内剪切、三点弯曲、层间剪切强度等7个项目进行检测,试验结果汇总表如表1所示。2.2.3铺层设计由于碳纤维复合材料属于正交各向异性材料,所以在进行铺层设计时,要注意铺层的顺序以及方向,借助于复合材料优良的可设计性,对结构进行合理的设计,不仅能够把复合材料优异的力学性能体现出来,而且能够将轻量化设计的优势最大化。为提高碳纤维结构的可制造性,设计方案如下:第一,+45°和-45°层成对出现;第二,相同角度铺层连续出现的次数不超过2次。2.2.4连接方式。在连接方式上,传统电池壳在上下底壳连接部位和与汽车底盘连接的部位均采用螺栓连接。在采用碳纤维复合材料之后,为保证复合材料的完整性和异质材料连接的问题,在连接方式上选择胶接的方法。胶接能够提高粘接部位的密封性和耐腐蚀性,并且相对于传统的连接方式,在胶层面上的应力分布比较平均,也提高了连接位置的抗疲劳性能。

3仿真工况的确定

综合电动汽车电池箱研究现状、电池箱实际工作载荷、企业要求及国家标准,确定模态、挤压以及随机振动3种典型工况。模态分析中,需要根据电池包与车架之间的连接关系进行约束,为了避开振动比较剧烈的高能量区,电池包的1阶模态频率应大于30Hz。随机振动仿真分析中,要求三个方向的3倍应力均方根值水平不大于材料的安全强度值。电池包模型中两侧各有4个约束点,后部2个约束点,在进行挤压工况的仿真时,对电池包两侧施加6个方向的全约束,对后侧施加2至6方向共计5个方向的自由度。准静态载荷下,为了权衡计算效率以及计算准确度,在合理考虑质量缩放以及加载速度的前提下,加载速度0.2m/s,方向由电池包前部指向后部(-X方向),沿水平加载,-Y方向加载操作过程类似。在进行试验时,依照GB/T31467.3—2015的要求,挤压速度不大于2mm/s,挤压力达到100kN或挤压变形量达到挤压方向的整体尺寸的30%时停止挤压,试验设备如图2所示。

4计算结果

4.1模态分析计算结果。对于电池包,重点关注的是其1阶模态频率,因此在进行仿真时只针对前10阶模态进行计算。电池包1阶模态频率为31Hz,满足大于30Hz的设计要求。

4.2随机振动仿真结果。根据国标GB31467.3—20158.2.1进行随机振动试验仿真,如表2所示:3个方向的最大1σ应力分别为530.4、53和23MPa,对应的3σ值均小于碳纤维的抗拉强度,满足设计要求。

4.3挤压工况仿真结果。在纵向挤压仿真中,对电池包左右8个安装点进行全约束,后部的两个安装点释放X方向的约束,在横向挤压中,前后安装点进行全约束,左右其中一侧释放Y方向的约束,分别以0.2m/s的速度进行挤压。在挤压达到8mm左右时,最大支反力约为110KN,大于标准要求的100KN,结果满足要求。在横向挤压下,当位移达到22mm时,最大支反力约为130KN。试验结果与仿真结果接近,满足设计标准。

5结语

本文通过仿真与试验的方法对碳纤维电池包进行研究,得到如下结论:(1)根据模态和随机振动结果,第一阶频率和均方根应力均满足要求,碳纤维电池包抗振性能较好。(2)碳纤维复合材料电池包的承载能力满足国标要求和设计要求,同时质量减轻35.4%,减重效果明显。

作者:朱增余 江晶晶 陈志豪 王卯升 单位:广东亚太新材料科技有限公司

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