Moldex 3D在模壓動力電池箱上的應用

胡貴　關安南　丁超　葉南飚

摘? ?要：借助Moldex 3D軟件，本研究針對壓縮成型長玻纖增強（LFT-D）電池箱進行模擬。對電池箱體的翹曲、玻纖取向和走膠困氣等進行了預測;并對比壁厚、預填料布置和工藝等對于變形的影響。本文對LFT-D電池箱的模壓成型進行模擬，對于LFT-D電池箱開發具有重要指導意義，希望通過本文提出的意見能夠為新能源行業作出貢獻。

關鍵詞：Moldex 3D;LFT-D長玻纖壓縮;電池箱輕量化;翹曲變形;玻纖取向;預填料

目前，電池包上蓋材料多采用金屬和SMC方案，SMC作為一種熱固性材料，具有密度低（約1.8 g/cm3）及高阻燃等特點，但是該類材料同時也存在硬而脆的特點，導致產品必須通過一定的結構和厚度來保證強度。即便如此，在實際生產、裝配過程中也偶爾會出現開裂的情況。同時，SMC材料在生產效率和環保上也存在明顯劣勢。圖1為市面上的一款SMC產品。

在現有設計下，模組級的集成效率（電芯占模組的重量百分比）只能達到80%左右，而到了整包級別集成效率只能達到70%左右[1]。以商用車為例，目前鐵鋰電芯能量密度最高僅為150 Wh/kg，而國家要求能量密度達到115 Wh/kg以上才能享受較高的補貼，簡單換算可知，即整包集成效率要達到80%以上才能享受國家新能源汽車較高補貼。顯而易見，提高整包級別集成效率至關重要。

電池包外殼是電池包整體最重要的外部結構，其對材料的技術要求非常嚴苛，除了要求強度高、電絕緣性好等常規性能外，還要求具備極佳阻燃性能、優異的可制造性和良好的環保性能等。

LFT-D工藝較傳統SMC相比，其技術性能具有如下優點。

（1）無毒、無味，可改善工作環境。（2）質輕，密度只有1～1.2 g/cm3。（密度與基材種類和玻纖含量相關）。（3）邊角料及廢品可循環使用，最大限度減少浪費。（4）強度比SMC高，抗沖擊韌性尤為突出。（5）耐腐蝕、電性能更優良。（6）產品壓制速度比SMC快數倍，生產效率大幅提高。

但是由于LFT-D成型不同于傳統的注塑成型，目前，在CAE模擬和實際生產經驗方面都沒有注塑成型成熟，導致開發周期長且成本高。CAE技術是根據流變學、傳熱學、結構力學等基本理論，建立塑料在流動過程中的填充、冷卻、變形的數學模型，利用數值計算，得到熔體的流動、應力情況。本項目利用Moldex 3D軟件模擬分析電池箱的壓縮成型過程，并對比結構，工藝和預填料對于翹曲的影響，為模壓的生產制造提供指導方案。

1? ? 制件概況

產品為電池箱上蓋，尺寸為1 330 mm×880 mm×150 mm，平均厚度為2 mm。產品成型邊緣需要轉孔，用于電池箱的密封，由于打螺絲受力，為了保證強度增加厚度到4 mm。為了便于計算簡化了模型，模型表面沒有加強結構，產品沒有對穿孔（實際生產中多采用后處理的方式進行機加工）。采用Moldex 3D軟件對該產品成型過程進行模擬分析，嘗試尋找一些外觀缺陷和翹曲的原因，并與實際情況進行對比。

2? ? 成型工藝參數設定

塑件材料為KingFa長玻纖增強阻燃聚丙烯材料。壓縮成型工藝：模具溫度50 ℃;熔體溫度240 ℃，壓縮間隙設為180 mm，采用兩段的壓縮工藝。其中，熔體壓縮速度為50 mm/s。最大壓縮力為3 000 tf（選用3 000 t的壓縮機臺）。

結合現實情況，預填料采用了3種放置方式。第一種采用常規的放置方法，第二種放置了兩塊膠，第三種方法是增加了產品的壁厚，壁厚由2.0 mm增加到2.5 mm。

3? ? 模壓分析主要結果解讀

3.1? 不同工藝對于產品填充結果的影響

根據3種工藝方案進行CAE模擬分析后，其填充末端的結果如圖2所示。

第二方案中，最后填充的位置出現熔體滯留的現象，這種滯留現象在實際生產過程中可能會產生圖下方的冷料缺陷，這種缺陷將影響外觀和產品強度。由于該位置會打螺絲，所以在生產中應該避免。另外電池箱產品由于邊緣較厚可能出現跑道效應，產生困氣現象，這些問題都應該在CAE階段避免。解決這類問題的方法就是改變預填料的方式。

3.2? 結合線和困氣

根據moldex 3D的分析結果，能夠直接輸出結合線和困氣的位置。這些困氣和結合線在實際產品上的表現是對外觀和強度造成影響。

以上變形結果是放大3倍時的效果圖，主要是為了便于觀察。moldex 3D能夠直接模擬出變形的大小和趨勢。從分析結果來看，方案一的翹曲變形最小，最大變形量為8.6 mm。3種方案的變形都是4個角翹，除了方案2外，其余都是中間下凹的變形結果。由之前所述，這可能和玻纖取向和體積收縮相關。

如果不考慮玻纖取向的變形，3種方案的變形結果相似，正是四角上翹，中間下凹的結果，而且變形的結果較大達到了12.8 mm。

4? ? 結語

（1）通過CAE成型軟件的模擬，能夠對模壓成型的一些缺陷進行預測。從而達到節約試模成本，縮短開發周期的目的。

（2）模壓產品的變形與預料布置有關，主要受玻纖取向和產品收縮不均的影響。

[參考文獻]

[1]王 芳，夏 軍.電動汽車動力電池系統—設計與制造技術[M].北京：科學出版社，2016.

[2]NIGEL C，PAULA D.Advanced industrial and engineering polymer research[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2018（1）：99-110.

Application of Moldex 3D in molded power battery box

Hu Gui， Guan Annan， Ding Chao， Ye Nanbiao

（Product R&D Center of Goldilocks Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China）

Abstract：With the aid of Moldex 3D software， the compression molding long glass fiber reinforced（LFT-D）battery box was simulated. The warping deformation， glass fiber orientation and trapping gas of the battery box are predicted in this research. The effects of wall thickness， pre-packing arrangement and process on deformation are compared. In this paper， the modeling of LFT-D battery box is simulated， which is of great significance for the development of LFT-D battery box. It is hoped that this paper can contribute to the new energy industry through the advice put forward in this paper.

Key words：Moldex 3D; LFT-D long glass fiber compression; battery box lightweight; warping deformation; glass fiber orientation; prefiller