新能源汽車電池包箱體結(jié)構(gòu)的輕量化研究現(xiàn)狀

崔欣瑤 梁廣振

摘 要：在發(fā)電和充電技術(shù)支持下，新能源電動汽車應(yīng)運(yùn)而生，新能源電動汽車不僅具備傳統(tǒng)汽車功能，同時也可以保證綠色的生態(tài)環(huán)境，新能源汽車只需借助電能，即可驅(qū)動汽車。相較于傳統(tǒng)燃油汽車新能源汽車有很大的不同，其主要是由電力驅(qū)動以及控制系統(tǒng)所構(gòu)成，以車載電源作為行車動力，具有無污染無噪音、能源效率高、結(jié)構(gòu)簡單易于維修等優(yōu)勢，因而，開展新能源電動汽車充電模式和設(shè)施建設(shè)研究勢在必行。

關(guān)鍵詞：電池包箱體;下殼體;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);輕量化

引言

鋰電池因其具有能量密度高、循環(huán)的壽命高、沒有記憶效應(yīng)、能快速充電優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用在新能源汽車上。為了能夠保證電池的安全性和汽車運(yùn)行過程的高效可靠性，故障診斷技術(shù)對于防止電池出現(xiàn)重大性的故障具有十分重要的作用。

1新能源汽車的分類

新能源汽車與傳統(tǒng)汽車的主要差別在于動力源。傳統(tǒng)汽車主要依靠燃燒化石燃料提供動力。新能源汽車可分為純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車。純電動汽車（BEV）不需要其他動力裝置，可以完全由可充電電池提供動力的，沒有尾氣排放，對于環(huán)境保護(hù)較好;混合動力汽車（HEV）是擁有2個或2個以上動力源的汽車，不完全依靠可充電池提供動力，會對環(huán)境有一定的影響，但相比于傳統(tǒng)汽車節(jié)能效果更好，排放較小;燃料電池汽車（FCEV）主要依靠燃料電池提供動力，對環(huán)境污染較小。

2電池包箱體材料輕量化研究進(jìn)展

2.1 材料的選定

在電池殼結(jié)構(gòu)中，模塊的箱體下部和安裝板是主要載體，對于復(fù)合材料的輕量化設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)探索，原不銹鋼材料被300gsm型碳纖維復(fù)合材料取代，T700級碳纖維布， 并且此類碳纖維的抗拉強(qiáng)度可大于3.5GPa，上部箱體主要起到密封作用，考慮到實(shí)際成本問題，仍使用DC01。 碳纖維復(fù)合材料是正交形的，應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)可能會大大降低汽車的質(zhì)量，但其機(jī)械參數(shù)受到許多因素的影響，如加工工藝、絲束規(guī)格等。為了研究碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，在干燥的環(huán)境溫度試驗(yàn)環(huán)境中檢測到了拉伸0、拉伸90、壓縮0、壓縮90、面內(nèi)剪切、三點(diǎn)彎曲和層間剪切強(qiáng)度等7種元素.

2.2電池盒體復(fù)合材料

電池箱體中使用的復(fù)合材料主要是輕材料，如碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和SMC復(fù)合材料。例如，baummer等人成功地用泡沫鋁質(zhì)復(fù)合三明治制造了一個能夠重現(xiàn)20 kbit的低容量電池片，從而使低容量電池片的質(zhì)量降低了10%至20 %。Choi等人[9]通過改變碳纖維和玻璃纖維的含量（摻雜纖維總量不超過40%）并滿足強(qiáng)度、沖擊等條件，成功地研制出了比普通鋼低31%的強(qiáng)化塑料外殼。，從尼龍6（PA6）開始。毛澤東等人與一汽汽車共同開發(fā)碳纖維電池盒體，成功地將盒體質(zhì)量從110公斤降至19公斤。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有密度低、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于電池盒體[11-13]。德國信通技術(shù)化學(xué)研究所開發(fā)了一個聚氨酯熱硬化塑料電池盒，其質(zhì)量為35公斤，可運(yùn)載340公斤電池，比同等重量的鋼減少35%以上。邵明屋頂?shù)萚15]以玻璃纖維連續(xù)織物為基材料，以環(huán)氧乙烷樹脂玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為基材料，采用預(yù)浸料壓力成型工藝制造，定量效果也較輕.

3電池包箱體結(jié)構(gòu)輕量化研究

3.1氣壓平衡部件與電池箱體的安裝界面密封性設(shè)計(jì)

在長期使用過程中，由于溫度、海拔等的變化，可能會出現(xiàn)室內(nèi)和室外壓力的差異。并且防水辦公表面能承受的壓力是肯定的。當(dāng)內(nèi)外壓力差超過限值時，密封接口會惡化，導(dǎo)致IP67保護(hù)失敗。為了解決這一問題，通常需要在電池包裝上安裝壓力平衡元件，例如氣霧閥或防爆閥。如果壓力平衡零件和電池盒體之間的密封設(shè)計(jì)不當(dāng)，也容易成為整個電池盒的密封失效位置。蓄電池箱上箱體空氣閥的緊固螺母采用凸平臺點(diǎn)焊螺母的方法。將氣閥固定螺母焊接到蓄電池箱體上后，螺母的焊接面與蓄電池箱上的箱體包租，有效保證閥固定螺母與上部箱體壁對接，保證.

3.2鋪層設(shè)計(jì)

由于碳纖維復(fù)合材料是正交各向異性的，因此在設(shè)計(jì)涂層時，必須注意涂層的順序和方向，而且由于復(fù)合材料的設(shè)計(jì)良好，結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)不僅能反映復(fù)合材料的優(yōu)良力學(xué)性能，而且能達(dá)到最大限度為了提高碳纖維結(jié)構(gòu)的制造能力，設(shè)計(jì)如下：首先出現(xiàn)+45層和-45層對;其次，同一角度的鋪裝層不會連續(xù)出現(xiàn)兩次以上。

3.3高低壓連接器與電池盒體之間安裝接口的密封設(shè)計(jì)

在蓄電池組密封設(shè)計(jì)中，大多數(shù)蓄電池車輛采用普通點(diǎn)焊螺母為蓄電池組高壓連接器和蓄電池組體安裝螺母，安裝接口的密封效率損失也很高， 因此要注重高壓連接器與蓄電池箱體固定之間的密封性，蓄電池箱體壁面平整度要求很高。為了保證低壓連接器與蓄電池箱體固定位置之間的密封性， 緊固點(diǎn)螺母可使用盲接觸焊接螺母，并將法蘭表面直接焊接到電池盒體壁上，以確保插卡接觸焊接螺母和電池盒下的盒體壁孔完全融合在一起， 從而有效保證此處的密封性，提高插卡固定螺母與下部箱體生產(chǎn)之間的一致性。

3.4連接模式

在連接模式下，傳統(tǒng)電池盒在上部電池盒的連接部分和汽車底盤的連接部分上安裝了螺釘組件。介紹了碳纖維復(fù)合材料后，為了保證復(fù)合材料的完整性和異質(zhì)材料的連接問題，選擇了粘接方法。橡膠接頭可以提高粘接部分的密封性和耐蝕性，粘接層上的應(yīng)力分布與傳統(tǒng)連接方法相比比較均勻，連接位置的疲勞強(qiáng)度也有所提高。

3.5電池包箱體成型技術(shù)

電池包箱體的成型技術(shù)主要根據(jù)其選用的材料決定，目前多以鋁板和纖維增強(qiáng)材料作為電池包箱體用材料，不同企業(yè)采用的成型技術(shù)也有所不同。鋁板主要的成型技術(shù)為沖壓鋁焊接、擠出鋁攪拌摩擦和鑄造等。在不改變箱體強(qiáng)度的條件下，特斯拉Model系列和寶馬i3利用沖壓鋁焊接工藝，使箱體質(zhì)量減輕了40%;大眾GolfGTE插電混動版和寶馬X5電池包箱體都利用鑄造成型工藝制造而成。還有一些新的鋁合金成型技術(shù)，如上海交通大學(xué)開發(fā)的鋁合金大部件真空壓鑄技術(shù)、北京有色金屬研究院的鋁合金半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)[44]，后者的成本只稍高于常規(guī)壓鑄，并能實(shí)現(xiàn)35%～48%的輕量化效果，在汽車零部件中的應(yīng)用十分廣泛，預(yù)計(jì)未來會成為電池包箱體的主要制造工藝。

3.6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋰電池需要采集的數(shù)據(jù)有：電壓（V/V）、電流（I/A）、溫度（T/℃）。本文測量單節(jié)電池的放電電壓，電壓從3.9V左右經(jīng)過100min的時間降到3.2V左右。利用ACS71205B電流傳感器模塊進(jìn)行電流的測量，可以測量5A的電流，他所對應(yīng)的模擬量的輸出時185mv/A。

結(jié)束語

綜上所述，在現(xiàn)代能源緊缺的情況下，新能源電動汽車的高速發(fā)展在這種情況下是必然的情況，新能源電動汽車的推動不僅有利于構(gòu)建我國綠色生態(tài)環(huán)境，同時也可以減少不可再生資源的浪費(fèi)。同樣想要加速對新能源汽車的研究與推廣，就必須要對新能源汽車的充電樁進(jìn)行大力的推廣，避免出現(xiàn)無處充電現(xiàn)象的發(fā)生，達(dá)成雙方共贏的局面，實(shí)現(xiàn)我國新能源汽車推進(jìn)的最終目的。

參考文獻(xiàn)：

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