某新能源汽车复合材料电池包轻量化设计

朱增余　江晶晶　陈志豪　王卯升

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

Lightweight Design of a New Energy Vehicle Composite Battery Pack

Zhu Zengyu，Jiang Jingjing，Chen Zhihao，Wang Maosheng

Abstract：The battery pack is the power source of electric vehicles. The lower box body and module mounting plate are the main load-bearing parts of the battery pack. Carbon fiber composite materials are used to replace the original stainless steel to make the lower box body and module mounting plate lightweight. The upper box body takes into account the manufacturing cost and uses the original stainless-steel material. The results show that， while satisfying the mechanical properties of the battery pack using carbon fiber composite materials， the weight index of the battery pack has been greatly improved compared with the original stainless-steel material.

Key words：electric vehicle， battery pack， stainless steel， carbon fiber composite material， lightweight design

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15 mm。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，傳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