基于復合材料的電池盒輕量化設計

李師

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基于復合材料的電池盒輕量化設計

李師

（鄭州深瀾動力科技有限公司，河南 鄭州 450000）

為實現對電動汽車車體實際重量的有效減輕，可對其電池盒實施輕量化設計。基于對電池盒具備的承載特點的深入分析，結合剛度等效原理，對復合材料進行采用，實現對金屬材料的有效替代。文章簡述了電池盒結構，探究了基于復合材料的電池盒輕量化設計以及設計效果，以期為電池盒輕量化設計提供借鑒。

復合材料；電池盒；輕量化設計

前言

復合材料質量較輕，且具有較高的強度和較強的耐腐蝕性，在汽車領域得到了日漸廣泛的應用。電池盒負責對動力電池進行承載，具有較大的尺寸，質量相對較大，導致汽車自重和能耗增加，不利于實現節能減排，且對汽車的續航里程具有不良影響。對此，有必要基于復合材料對電池盒實施輕量化設計，并增強其結構安全。

1 電池盒結構概述

電池盒具有較大體積，為避免汽車車身內的電池盒占據過多的內部空間，通常在汽車地板上對電池盒進行固定連接，并通過兩側縱邊梁對電池盒進行防護。為最大化提高結構效率，并實現對制造成本的有效降低，可將電池盒具備的承載特點作為依據，基于復合材料對電池盒實施輕量化設計，其盒體采用一體化成形設計，其盒蓋采用可拆卸設計[1]。盒蓋負責對電池進行覆蓋保護，盒體對結構強度具有較高要求，對此，要對盒體加強剛度設計。

本文論述的復合材料一體化成形盒體與金屬盒體具有相同的凈空間，主要包括三個組成部分，即懸掛翻邊、底部以及側壁。其中，懸掛翻邊與側壁負責對盒底部相應荷載進行傳遞，采用復合材料疊層結構，與盒體相應的各組成平面保持平行，能實現對增強纖維具備的剛度優勢的充分發揮。盒底部負責對電池重量進行承受，其厚度相對于長度、寬度較小，可將其視為對均布荷載進行承受的薄板，可參照薄板彎曲對其變形和應力進行處理[2]。因此，基于復合材料，對電池盒實施輕量化設計，關鍵在于復合材料疊層結構相應的面內剛度設計以及彎曲剛度設計。

2 復合材料疊板剛度的確定

2.1 構建疊層體系

增強纖維樹脂的力學特性呈現出各向異性，其疊層結構，要將受力特點作為根據，對單層材料相應的增強纖維以及基體材料進行選擇，并確定其體積含量以及疊層層數，并對疊層相應的各單層鋪層順序以及纖維方向進行設計，實現對疊層體系的科學構建[3]。分析電池以及相關輔助設備對電池盒盒體產生的作用力，可知電池盒對均布荷載進行承受，為確保電池盒盒體具備相同于各向同性材料的承載能力，可對對稱準各向同性鋪層[0/±45/90]ms設計進行采用，其中s是指對稱鋪層，m是指鋪層組數。在該設計中，0°方向角相應的鋪層負責對疊層板平面中作用于X軸的載荷進行承受，±45°方向角相應的鋪層負責對平面內存在的剪切應力進行承受；90°方向角相應的鋪層負責對平面內作用于y軸的載荷進行承受。在上述鋪層方式中，面內剛度分布相同于各向同性擦料，且不存在拉彎狀態下的耦合效應。上述設計能減少電池盒整體的最大應力值、應變值以及變形撓度。對鋪層層數進行確定，要減少材料用量，并采用易于實現的工藝。鋪層總層數n=8m。

2.2 復合材料疊層板剛度設計

2.2.1 面內剛度計算公式

依據相關力學理論，對[0/±45/90]ms鋪層方案進行推導，可知在xy平面內，面內平均應力N*與中面應變(0)二者呈現出如下式所示的關系：

根據上述鋪層方案，可推導出面內剛度系數A*與正軸剛度系數Q二者具有如下式所示的關系：

在上式中，1表示材料相應的縱向彈性模量；2表示材料相應的橫向彈性模量；12表示材料相應的剪切模量；1表示材料相應的縱向泊松比，2表示材料相應的橫向泊松比。

2.2.2 彎曲剛度的計算公式

本文論述的鋪層方案屬于對稱鋪層，其彎矩*與曲率具有如下式所示的關系：

為方便工藝制作，各單層對相同厚度進行采用，且單層以偶數為總數。上式（6）中的彎曲剛度系數可采用如下式子表示：

在上式中，*表示疊層板相應的彎曲剛度系數，表示各單層板相應的厚度。

在上式中，表示第單層纖維相應的方向角。

存在于彎曲剛度中的彎扭耦合系數為*16和*26。應合理對鋪層層數進行選擇，在允許范圍內對彎扭耦合產生的變形進行有效控制。

2.2.3 復合材料疊層層數優化

對上述公式進行推導，完成對各鋪層相應角度設計，將復合材料相應的力學工程參數1、2、、1，并結合總層數，可完成對疊層板相應的面內剛度系數A*以及彎曲剛度系數*的計算。為實現對電池盒實際質量的有效減小，并符合剛度要求，需對鋪層總數進行合理確定，對此，以質量最小構建優化目標函數，其約束條件為彎曲剛度，優化方程如下所示：

在上式中，表示電池盒展開的實際面積；表示材料密度。

借助上述方程，能實現對鋪層總數的初步確定。電池盒在層合板相應的面內剛度、彎曲剛度以及邊界約束等因素共同影響下，產生變形。對此，在確保符合彎曲剛度相關要求的基礎上，要確保復合材料制作的電池盒產生的總體變形小于金屬制作的電池盒產生的總體變形。可通過直觀性較強的有限元數值分析法獲取其變形云圖。對于過大變形，可增加如下約束條件：使復合材料相應的面內剛度相對大于金屬材料相應的面內剛度，據此對鋪層總數進行確定。

2.2.4 復合材料疊層板的強度校核

將單層板蔡-吳張量理論作為準則，對復合材料相應的強度失效進行判斷。材料表面相應的破壞具有如下準則：

在上式中，F、F(,=1,2,6)表示所選復合材料相應的強度參數；σ表示各單層相應的主軸應力，可借助設計相應的鋪層方案以及選用的復合材料所確定的疊層板相應的載荷及剛度系數對σ進行計算。還能通過有限元數值分析對σ進行確定。表示強度比，即極限應力與施加應力二者之比，基于對材料誤差的考慮，可將取值控制在4以上。

3 復合材料輕量化設計效果

表1 鋁鎂合金5083材料性能參數

為對復合材料輕量化設計實際效果進行分析，可對鋁鎂合金5083進行選用，對兩者進行對比分析。材料各項性能參數如表1所示。將設計目標確定為復合材料相應的彎曲變形與Q235鋼的彎曲變形相同，三種材料制作的電池盒各自的材料厚度以及質量對比如表2所示。

表2 三種材料制作的電池盒的厚度與質量對比

觀察表2可知，采用鋁鎂合金制作電池盒，其實際質量比鋼板制作的電池盒質量相對減輕了49.3%；復合材料T300/5208制作的電池盒，其實際質量相對于鋼板制作的電池盒質量減輕了67.6%，且相對于鋁鎂合金制作的電池盒質量減輕了36%。因此，通過剛度等效設計，基于復合材料制作電池盒能有效減輕電池盒質量，能實現對汽車整體質量的有效減小。

4 結語

綜上所述，基于對電池盒實施輕量化設計的具體要求，通過剛度等效法，可快速實現對復合材料相應的結構設計。樹脂基一體化成形的復合材料結構，無需實施焊接、沖壓，且無需防腐涂裝處理，能實現對制造成本的有效降低。對結構一體化進行設計，要對電池特殊的使用要求諸如電磁屏蔽以及溫度等進行考慮，增強設計合理性。基于復合材料對電池盒實施輕量化設計，剛度需求越大，則復合材料呈現出的輕量化優勢越明顯。

[1] 趙曉昱,張樹仁.電動車復合材料電池盒輕量化設計方法[J].中國機械工程,2018, 29(9):1044-1049.

[2] 汪佳農,趙曉昱.碳纖維環氧樹脂復合材料電池箱的輕量化研究[J]. 玻璃鋼/復合材料,2016(12):99-102.

[3] 段端祥,趙曉昱.純電動汽車碳纖維復合材料電池箱體的鋪層設計研究[J].玻璃鋼/復合材料,2018(6).

Lightweight design of battery box based on composite materials

Li Shi

( Zhengzhou shenlan power technology co. LTD, Henan Zhengzhou 450000 )

In order to effectively reduce the actual weight of the electric vehicle body, the battery box can be designed in a lightweight way. Based on the in-depth analysis of the bearing characteristics of the battery box, combined with the principle of stiffness equivalence, the composite material is adopted to realize the effective replacement of metal materials. This paper briefly describes the structure of battery box, explores the lightweight design of battery box based on composite materials and its design effect, so as to provide reference for the lightweight design of battery box.

Composite materials; A battery pack; Lightweight design

U465

A

1671-7988(2019)09-54-03

U465

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1671-7988(2019)09-54-03

李師，工程師，就職于鄭州深瀾動力科技有限公司，研究方向：化工、新能源。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.016