近幾年，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)，2014-2015年間增長(zhǎng)率達(dá)100%-300%，2019年上半年國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)保有量達(dá)到了344萬(wàn)輛，但其續(xù)航里程卻一直飽受詬病，在此背景下，利用輕量化技術(shù)提高電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程是行之有效的關(guān)鍵技術(shù)方法。汽
近幾年，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)， 2014-2015年間增長(zhǎng)率達(dá)100%-300%，2019年上半年國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)保有量達(dá)到了344萬(wàn)輛，但其續(xù)航里程卻一直飽受詬病，在此背景下，利用輕量化技術(shù)提高電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程是行之有效的關(guān)鍵技術(shù)方法。汽車(chē)輕量化主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料應(yīng)用及先進(jìn)制造工藝3方面來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中新材料技術(shù)對(duì)輕量化的發(fā)展具有極大潛力，而這之中碳纖維材料以其強(qiáng)度大、密度低、剛度大等優(yōu)點(diǎn)，在車(chē)身上已大量應(yīng)用。本文通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的優(yōu)化和CAE分析針對(duì)某車(chē)型復(fù) 合材料電池包的振動(dòng)和擠壓進(jìn)行說(shuō)明，并與原金屬電池包進(jìn)行質(zhì)量對(duì)比，有較大的減重效果，同時(shí)滿足國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
本文所研究的電池包尺寸參數(shù)來(lái)自某車(chē)型的實(shí)物測(cè)繪結(jié)果，原箱體材料為 DC01，其結(jié)構(gòu)主要包括上箱體、模組安裝板、下箱體，共計(jì)20個(gè)模組，電池包整體模型如圖1所示。為了方便有限元模型的建立，在建模時(shí)不考慮電池單元的線束以及次要零部件。在電池箱的仿真計(jì)算中，為了提高仿真的準(zhǔn)確性，需要確保電池單元的質(zhì)量分布以及受力時(shí)載荷傳遞路徑與實(shí)際情況相符，電池單元采用六面體網(wǎng)格劃分，平均單元尺寸為 15mm。上下箱體與模組安裝板采用殼單元，平均單元尺寸為5mm。在電池包結(jié)構(gòu)中，下箱體和模組安裝板屬于主要承載部件，為對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)和探索復(fù)合材料優(yōu)化技術(shù)，采用碳纖維復(fù)合材料替換原不銹鋼材料，其類型為 300gsm，T700級(jí)碳纖維布，此類型碳纖維的抗拉強(qiáng)度能夠超過(guò)3.5GPa。而上箱體的主要起密封作用，考慮到實(shí)際情況下的成本問(wèn)題，故其依舊使用DC01。碳纖維復(fù)合材料屬于正交各向異性材料， 將其應(yīng)用在汽車(chē)結(jié)構(gòu)上可極大降低汽車(chē)質(zhì)量，但其力學(xué)參數(shù)受多種因素影響，例如加工工藝、絲束規(guī)格等。為探究碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，在室溫干態(tài)的試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)碳纖維層壓板的0°拉伸、90°拉伸、0°壓縮、90°壓縮、面內(nèi)剪切、三點(diǎn)彎曲、層間剪切強(qiáng)度等7個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果匯總表 如表 1所示。由于碳纖維復(fù)合材料屬于正交各向異性材料，所以在進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)時(shí)，要注意鋪層的順序以及方向，借助于復(fù)合材料優(yōu)良的可設(shè)計(jì)性，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，不僅能夠把復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能體現(xiàn)出來(lái)，而且能夠?qū)⑤p量化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)最大化。為提高碳纖維結(jié)構(gòu)的可制造性，設(shè)計(jì)方案如下：第一， +45°和-45°層成對(duì)出現(xiàn)；第二，相同角度 鋪層連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)不超過(guò) 2次。在連接方式上，傳統(tǒng)電池殼在上下底殼連接部位和與汽車(chē)底盤(pán)連接的部位均采用螺栓連接。在采用碳纖維復(fù)合材料之后，為保證復(fù)合材料的完整性和異質(zhì)材料連接的問(wèn)題， 在連接方式上選擇膠接的方法。膠接能夠提高粘接部位的密封性和耐腐蝕性，并且相對(duì)于傳統(tǒng)的連接方式，在膠層面上的應(yīng)力分布比較平均，也提高了連接位置的抗疲勞性能。綜合電動(dòng)汽車(chē)電池箱研究現(xiàn)狀、電池箱實(shí)際工作載荷、企業(yè)要求及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，確定模態(tài)、擠壓以及隨機(jī)振動(dòng) 3種典型工況。模態(tài)分析中，需要根據(jù)電池包與車(chē)架之間的連接關(guān)系進(jìn)行約束，為了避開(kāi)振動(dòng)比較劇烈的高能量區(qū)，電池包的 1階模態(tài)頻率應(yīng)大于30Hz。隨機(jī)振動(dòng)仿真分析中，要求三個(gè)方向的 3倍應(yīng)力均方根值水平不大于材料的安全強(qiáng)度值。電池包模型中兩側(cè)各有4個(gè)約束點(diǎn)，后 部 2個(gè)約束點(diǎn)，在進(jìn)行擠壓工況的仿真時(shí)， 對(duì)電池包兩側(cè)施加 6個(gè)方向的全約束，對(duì)后 側(cè)施加 2至6方向共計(jì)5個(gè)方向的自由度。準(zhǔn)靜態(tài)載荷下，為了權(quán)衡計(jì)算效率以及計(jì)算準(zhǔn)確度，在合理考慮質(zhì)量縮放以及加載速度的前提下，加載速度0.2m/s，方向由電池包前部指向后部（-X方向），沿水平加載，-Y方向加載操作過(guò)程類似。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，依照GB/T31467.3—2015的要求，擠壓速度不大于2mm/s，擠壓力達(dá)到100kN或擠壓變形量達(dá)到擠壓方向的整體尺寸的30%時(shí) 停止擠壓，試驗(yàn)設(shè)備如圖 2所示。4.1模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果對(duì)于電池包，重點(diǎn)關(guān)注的是其 1階模態(tài) 頻率，因此在進(jìn)行仿真時(shí)只針對(duì)前 10階模態(tài)進(jìn)行計(jì)算。電池包1階模態(tài)頻率為31Hz，滿足大于30Hz的設(shè)計(jì)要求。4.2隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果根據(jù)國(guó)標(biāo) GB31467.3—20158.2.1進(jìn)行 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)仿真，如表 2所示：3個(gè)方向的最大1σ應(yīng)力分別為530.4、53和23MPa，對(duì)應(yīng)的3σ值均小于碳纖維的抗拉強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。在縱向擠壓仿真中，對(duì)電池包左右 8個(gè)安裝點(diǎn)進(jìn)行全約束，后部的兩個(gè)安裝點(diǎn)釋放X方向的約束，在橫向擠壓中，前后安裝點(diǎn)進(jìn)行全約束，左右其中一側(cè)釋放Y方向的約束，分別以0.2m/s的速度進(jìn)行擠壓。在擠壓達(dá)到8mm左右時(shí)，最大支反力約為110KN，大于標(biāo)準(zhǔn)要求的100KN，結(jié)果滿足要求。在橫向擠壓下，當(dāng)位移達(dá)到 22mm時(shí)，最大支反力約為130KN。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果接近，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)仿真與試驗(yàn)的方法對(duì)碳纖維電池包進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：（ 1）根據(jù)模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)結(jié)果，第一階頻率和均方根應(yīng)力均滿足要求，碳纖維電池包抗振性能較好。（2）碳纖維復(fù)合材料電池包的承載能力滿足國(guó)標(biāo)要求和設(shè)計(jì)要求，同時(shí)質(zhì)量減輕35.4%，減重效果明顯。
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