動力電池碳纖維上蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)

周站福 徐偉賀

（中國第一汽車解放公司商用車開發(fā)院，長春 130011）

1 前言

隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)今社會對汽車能源消耗需求日益緊迫，各大汽車廠商全力開展新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)的開發(fā)工作，滿足汽車輕量化需求。鋁、鎂合金等材料在底盤副車架、擺臂、輪轂、車門等零部件上已應(yīng)用廣泛，而碳纖維作為輕質(zhì)材料新寵，也逐漸從航天轉(zhuǎn)入汽車工業(yè)中來，成為汽車輕量化生力軍。

碳纖維作為一種性能優(yōu)異的新型材料，密度為1 500～1 600 kg/m3，是普通碳鋼的1/4～1/5，比常用的鋁合金還要輕1/3左右[1]，強(qiáng)度是高強(qiáng)鋼的2～3倍，具有很高的比強(qiáng)度和比模量，其機(jī)械性能優(yōu)于金屬材料。本研究重點(diǎn)探討動力電池碳纖維上蓋結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

2 動力電池上蓋設(shè)計(jì)原則

碳纖維材料基體分為聚丙烯腈基、瀝青基、粘膠基碳纖維，其中聚丙烯腈基（PAN基）是發(fā)展主流，占市場90%以上，表1所示為3種纖維參數(shù)對比。

表1 碳纖維材料參數(shù)表

通過上述對比分析，以PAN基碳纖維作為動力電池上蓋主要材料，對其進(jìn)行技術(shù)研究，滿足產(chǎn)品開發(fā)目標(biāo)。

動力電池上蓋是電池殼體的重要組成部分，對其安全和防護(hù)起著關(guān)鍵作用。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，既要滿足動力電池強(qiáng)度、剛度及防護(hù)IP67等級要求，又要兼顧整車碰撞需求，故采用以下技術(shù)開發(fā)路徑。

a.采用碳纖維復(fù)合材料滿足輕量化需求；

b.減少零部件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)整體一次成型；

c.局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，保證零件的剛度、強(qiáng)度；

d.通過鋪層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不等厚結(jié)構(gòu)，使應(yīng)力分布更合理。

3 動力電池上蓋結(jié)構(gòu)開發(fā)

3.1 動力電池上蓋方案設(shè)計(jì)

3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素

動力電池上蓋在開發(fā)過程中，應(yīng)考慮造型、鋪層及特殊區(qū)域設(shè)計(jì)方法。造型設(shè)計(jì)要依托電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行構(gòu)思；鋪層設(shè)計(jì)要考慮鋪層數(shù)量、厚度、方向、層間結(jié)合；對于特殊區(qū)域，要進(jìn)行連接、加強(qiáng)、過渡區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

動力電池碳纖維上蓋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，通過下述方案及手段，滿足質(zhì)量、強(qiáng)度、應(yīng)力、密封等工程需求。

a.利用“厚度漸變”方案，使上蓋主體結(jié)構(gòu)厚度由3 mm逐漸過渡到2 mm，滿足等應(yīng)力設(shè)計(jì)需求；具體結(jié)構(gòu)見圖1；

b.上蓋邊緣采用均布式“三角筋”加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，提升壓邊強(qiáng)度，提高整體密封效果，詳見圖2；

c.通過“局部加強(qiáng)”、“矩形方筋”等手段，提高蓋板剛度，防止受力變形；

d.在應(yīng)力突變或較大處，利用圓角R≥10 mm設(shè)計(jì)降低應(yīng)力；

e.由于復(fù)合材料強(qiáng)度和剛度的各向異性，以及復(fù)合材料層間強(qiáng)度較低、延展性小等特點(diǎn)，致使復(fù)合材料連接部位的設(shè)計(jì)與分析要比金屬連接復(fù)雜，因而，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是連接強(qiáng)度[4]。為保證動力電池系統(tǒng)密封性，電池上蓋與電池下箱體采用螺接方案，見圖3、圖4所示。

f.碳纖維材料不能像金屬材料可沿自由長度方向拉延，為避免在厚度變化區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中和分層結(jié)構(gòu)缺陷，采用圖5方式進(jìn)行過渡設(shè)計(jì)。

3.2 工藝鋪層設(shè)計(jì)

3.2.1 材料的選擇

動力電池上蓋選用T300碳纖維作為主體材料，5208樹脂為基體材料進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，二者特點(diǎn)如下。

a.碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和遠(yuǎn)紅外輻射等諸多優(yōu)異性能。

b.環(huán)氧樹脂固化收縮率一般為1%～2%，是固化收縮率最小的品種之一、電絕緣性、抗化學(xué)藥品性能優(yōu)良。環(huán)氧固化物耐熱性一般為80～100℃，環(huán)氧樹脂耐熱品種可達(dá)200℃，符合動力電池安全及防護(hù)需求。

3.2.2 工藝設(shè)計(jì)

動力電池碳纖維上蓋采用高壓模壓工藝（HPRTM）,具有預(yù)成型、真空輔助排氣、高壓注射、高壓下完成樹脂浸漬和固化工藝等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)低成本、短周期、高質(zhì)量生產(chǎn)。其成型工藝流程見圖6。

根據(jù)制造廠商現(xiàn)有設(shè)備及能力，從涂布到脫模，動力電池碳纖維上蓋生產(chǎn)工藝見表2。

表2 工藝時間表 min

3.2.3 鋪層原則

動力電池碳纖維上蓋在實(shí)際使用過程中，扭轉(zhuǎn)、彎曲應(yīng)力較大，其鋪層設(shè)計(jì)要遵循以下原則。

a.鋪層定向原則。鋪層設(shè)計(jì)主要是通過調(diào)整鋪層方向、鋪層數(shù)目、鋪層順序來提升產(chǎn)品強(qiáng)度及剛度。碳纖維復(fù)合材料為正交各向異性材料，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體性能隨其鋪層順序的變化而變化，在滿足受力要求的情況下，一般選擇0°、90°和±45°四種鋪層方向,鋪層方向數(shù)應(yīng)盡量少，以簡化設(shè)計(jì)。

碳纖維鋪層方向不同，其力學(xué)性能也有所差異，通過試驗(yàn)，得出動力電池碳纖維上蓋材料性能參數(shù)見表3。

表3 材料性能參數(shù)

b.均衡對稱鋪設(shè)原則。動力電池上蓋鋪層一般采取對稱均衡形式布置，以避免拉-剪、拉-彎耦合而引起上蓋發(fā)生翹曲變形。隨著鋪層厚度的增加，零件的抗扭轉(zhuǎn)性能提高，但是鋪層數(shù)目增多，其扭轉(zhuǎn)剛度并不會線性增長，考慮到加工成本，應(yīng)合理選擇鋪層厚度。

3.2.4 鋪層數(shù)據(jù)導(dǎo)入

根據(jù)鋪層定向及對稱原則，考慮動力電池PACK布置位置，受其垂直、彎曲、扭轉(zhuǎn)3種力學(xué)工況，碳纖維上蓋采用7～10層鋪層方案，實(shí)現(xiàn)變截面變厚度輕量化設(shè)計(jì)手段，具體方案見圖7。

a.動力電池總成尾部采用雙層模組方案，質(zhì)量大、質(zhì)心高，彎、扭工況復(fù)雜，動力電池上蓋在此區(qū)域鋪層厚度3 mm；上蓋邊緣起連接、密封作用，剛度要求高，其整體外邊緣鋪層厚度達(dá)到3 mm，其它區(qū)域受力較小，采用過渡設(shè)計(jì)方案，鋪層厚度逐漸由3 mm過渡到2 mm，進(jìn)而降低總成質(zhì)量，發(fā)揮鋪層設(shè)計(jì)優(yōu)勢，見圖8。

b.動力電池上蓋所受拉伸應(yīng)力小、抗扭應(yīng)力大，因此在鋪層設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量避免0°方向，以減少碳纖維的浪費(fèi)，0°優(yōu)勢是相對于軸向來說拉伸是最強(qiáng)的；

c.在上蓋鋪層過程中，±45°（±90°）鋪層方向?yàn)樽詈茫蓪_擊力均勻地向四周傳遞，且±90°方向放在最內(nèi)和最外層可以顯著降低蔡-吳失效指數(shù)，提高電池上蓋扭矩承受能力；同時盡量增加±45°方向的鋪層的比例，有利于提高抗扭性能；為降低扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，±45°鋪層應(yīng)成對出現(xiàn)。

根據(jù)上述鋪層特點(diǎn)，確定碳纖維上蓋鋪層數(shù)據(jù)，見表4。

表4 鋪層數(shù)據(jù)

d.動力電池碳纖維上蓋工藝設(shè)計(jì)時，固化溫度要控制在70℃左右，這樣利于節(jié)省能量。溫度越高，固化時間越短，但模具升/降溫時間越長，因此固化溫度不能太高。

e.為保證動力電池上蓋尺寸精度，上蓋模具精度及熱漲誤差也是重要考衡因素。

4 碳纖維復(fù)合材料力學(xué)測試試驗(yàn)

為提升CAE分析準(zhǔn)確性，利用萬能試驗(yàn)機(jī)、應(yīng)變儀、電阻應(yīng)變片等設(shè)備，進(jìn)行碳纖維樣片性能參數(shù)分析，見圖9。

對高壓RTM工藝制做的碳纖維試片，進(jìn)行拉伸、壓縮、面內(nèi)剪切試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)

5 動力電池CAE結(jié)果分析

動力電池PACK位于乘員艙下部，對汽車性能、振動及強(qiáng)度影響很大，因此對PACK進(jìn)行模態(tài)和隨機(jī)振動二種狀態(tài)分析。動力電池上蓋作為PACK總成的一部分，與總成一起進(jìn)行CAE分析。

5.1 電池PACK模態(tài)振型分析

動力電池上蓋主要起密封防塵、絕緣保護(hù)、耐腐蝕及安全防護(hù)作用，為非承載件。把一階約束模態(tài)作為考察其剛度特性指標(biāo)及優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)，保證動力電池上蓋低階模態(tài)頻率盡可能避開整車高振能量區(qū)。依據(jù)GB/T 31486—2015《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法》，35～40 Hz以下頻率段屬于高頻振動能量區(qū)。模態(tài)分析工況及邊界輸入見表6。

表6 模態(tài)分析工況及邊界輸入

通過對動力電池PACK總成一階約束模態(tài)分析,仿真結(jié)果≥35～40 Hz（目標(biāo)值）,滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)（表7）。模態(tài)分布見圖10。

表7 一階模態(tài)分析結(jié)果

5.2 電池PACK隨機(jī)振動分析

通過對整車路譜采集分析，得出表8、表9動力電池隨機(jī)振動數(shù)據(jù)譜，其均方根值在6.27 m/s2、4.41 m/s2、4.9 m/s2時，振動時間均為12 h。

表8 隨機(jī)振動

表9 正弦定頻振動

通過對動力電池上蓋隨機(jī)振動分析，最大應(yīng)力≤650 MPa（目標(biāo)值），滿足設(shè)計(jì)要求（表10）。

表10 隨機(jī)振動分析結(jié)果

6 結(jié)束語

動力電池上蓋采用碳纖維材料降重效果明顯，在模態(tài)、強(qiáng)度及剛度滿足設(shè)計(jì)要求情況下，比DP590方案質(zhì)量降低59%，同時通過鋪層技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，降低模具成本。由于碳纖維原材料價格不菲，零件制造成本居高不下，也可采用碳纖維與玻纖維結(jié)合方案，降低成本。隨著產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，碳纖維樹脂基復(fù)合材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，期待實(shí)現(xiàn)其在汽車領(lǐng)域?qū)I(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用。