纯电动汽车碳纤维复合材料电池箱体轻量化设计铺层问题分析

纯电动汽车碳纤维复合材料电池箱体轻量化设计铺层问题分析

沈斌 宋佳

杭州西湖比亚迪新能源汽车有限公司 浙江杭州 311107

【摘要】随着能源危机日益突出，世界各国大力发展电动汽车。电动汽车续航里程饱受诟病，通过轻量化设计提高续航里程是高效的技术手段，复合材料应用于汽车轻量化设计可有效提高轻量化水平。电池箱对整车安全性，舒适性等直接影响。为解决碳纤维复合材料电池箱体轻量化铺层设计问题，采用T300/5244复合材料，利用OPtiStruct通过尺寸优化得到最佳铺层分布方案。采用对称式布置形式减少面内力影响。得到最佳铺层顺序，满足相关工况要求下，提高汽车刚度减轻重量。充分发挥复合材料比强度高等优点。

【关键词】电动汽车；碳纤维复合材料；电池箱体铺层；轻量化设计

当前我国汽车保有量处于世界前列，促进人们生活水平的提高，同时带来能源消耗等系列问题。随着人们环保意识增强，很多国家法公布禁售燃油汽车时间节点。政府对我国汽车发展方向进行政策引导，鼓励企业公关新能源技术。传统汽车排放与系统效率低等密切相关，提高汽车燃油排放水平有效方式是进行结构轻量化设计。汽车车身重量导致燃油消耗占总量的70%，整车质量减少100kg百公里燃油量可减少0.3-0.6L。对电动箱进行轻量化设计对提高动力系统比能量具有重要意义。碳纤维增强复合材料具有刚度大等优点，本文对碳纤维结构电池箱进行铺层设计，实现轻量化目标。

1.电动汽车电池箱体轻量化设计研究

电动汽车主要动力源是配置动力电池包，电机得到电能运转带动汽车行驶，当前石油能源匮乏，电动汽车等清洁能源汽车快速发展。我国成为全球电动汽车销量最大的国家。近年来我国电动汽车产业迅速发展，由于政府加大对电动汽车行业投资，汽车领域新材料迅速发展。如树脂基纤维增强复合材料应用于制造相关汽车零部件，实现汽车轻量化。汽车轻量化是通过合理结构设计，改变制造工艺方式等减轻汽车重量，提高整体性能。

电动汽车电池包是汽车的动力心脏，由电池箱体、BMS控制器等关联构成，电池箱体装载电池模组。目前市场上多数电池箱体首选材料为钣金，金属钣金电池箱体重量大，加工工艺复杂。塑料制电池箱体需要增加凹凸结构，导致电池箱体内部空间缩小。塑料材料导热系数低，电池模组放电电流增加，加大电池箱体内部压力^【1】。电动汽车动力电池箱体安装环境复杂，必须考虑满足耐振动抗冲击性，绝缘性等多方面性能。金属材料不能兼顾电池箱体达到的性能指标。碳纤维复合材料具有较高比强度，碳纤维为增强体的复合材料密度为1.7g/cm³，目前国内纤维复合材料批量生产。电动汽车动力电池箱箱体采用纤维复合材料，可以解决金属材料电池箱体存在的问题。

复合材料是由理化性能不同的组分材料构成的多相材料，在航空航天结构中用量最大的是碳纤维增强树脂复合材料碳纤维复合材料具有密度小等优点，应用于汽车零部件设计可以降低车重。1953年首辆复合材料车厢跑车雪佛兰诞生于美国，保时捷PorscheAG采用碳纤维制动盘，蔚来开发智能纯电动跑车EP9采用碳纤维车身。北汽2018年推出纯电动汽车ARCFOX-1车体上半部为碳纤维复合材料^【2】。随着汽车轻量化技术的发展，汽车碳纤维材料用量逐渐增加，应用范围逐渐拓展到承载件等。

2.电动汽车电池箱体结构模型

目前轻量化是电动汽车提高续航里程的必然选择，碳纤维复合材料具有比模量大，耐疲劳性能耗等特点，应用于汽车具有抗冲击性强等优点。国内外对电池箱体研究主要是分析复合材料电池箱体承载情况^【3】。电池箱体是电动汽车唯一能量来源，电池箱是电池系统的重要组件。复合材料电池箱体设计要满足刚强度要求，设计难度较大。本文以某款电动汽车电池箱体为研究对象，提供自由尺寸优化，层叠次序优化方法，缩短设计周期。

表1 工况荷载分布表

工况	X/mm·s-²	Y/mm·s-²	Z/mm·s-²
正常	—	—	-1 g
制动	-1 g	—	-1 g
转弯	—	1 g	-1 g
垂向颠簸	—	—	3 g

采用18650柱形电池为电池单体，电池箱体中间安装14个电池模组。16个电池模组质量为437.2kg，利用电池箱两侧支架进行悬置安装。需要对电池箱体分析，基本尺寸为2577×1546×100mm，单元数为75518.汽车行驶时会遇到制动等情况，对电池箱体施加垂向颠簸与急转弯工况荷载综合分析。传统设计方法利用复合材料力学分析计算，仅适用于铺层单一结构，铺层复杂结构需通过CAE软件仿真技术完成。采用Q235钢制电池箱体材料，总质量达到266.5kg，应用Optistruct模块复合材料零件结构铺层厚度分布，层叠次序等设计方法，考虑之咋奥等约束完成铺层结构设计。

3. 电动汽车电池箱体铺层复合材料轻量化设计

采用MAT8定义碳纤维复合材料相关参数，应用霍尔曼强度准则校核。优化时注意遵循复合材料层合板设计原则，包括铺层定向原则，均衡对称铺设原则等。满足受力下减少铺层方向数量设计，层合板多选择0°，±45°等铺层方向承受面内荷载。尽量设计为均衡对称形式，避免层合板固化后发生翘曲变形。要求平衡±45°成对铺设；避免集中放置同方向铺层，层合板外部铺设±45°层。铺层方向与内力拉压力方向一致。

自由尺寸优化为概念设计，对层合板不同方向铺层近似处理。采用0°，±45°方向铺层。各方向铺层厚度约束大于0.1mm，防止任意方向基体受载。目标函数以颠簸等工况柔度加权最小，柔度是结构应变能，可建立数学模型表达式为Min= =Wi×C(i)，s.t.M≤140kg。Wi为加权系数1，M为箱体质量；WC为加权柔度；C(i)为各工况柔度值。优化得到箱体厚度分析结果。箱体质量下降到137.1kg，优化经过迭代后柔度值下降到275.2mm/N。各初始层自动分解为不同形状铺层块，需要对各初始铺层解析，裁剪后箱体质量变化，增加到200.6kg.尺寸优化需要确定解百纳铺层结构，增加应力响应约束，各铺层块加入制造性约束，通过改变设计变量上限值确定箱体结构铺层数，得到尺寸优化后0°，±45°分布结果。

首次迭代时柔度值增至最大644.5199mm/N。二三次迭代柔度值下降到598.1947mm/N。箱体质量下降到9.089×10^-2，减重109.71kg。层叠次序优化为详细设计阶段，需要对铺层层叠次序优化，考虑增加更多制造约束，增加层合板外部铺层设置为±45°。铺层层叠次序优化经迭代后得到最佳次序，每层厚度均为0.125mm。基于Hoffman强度准则对优化后铺层校核，根据研究电池箱静态特性评价标准，3g下结构变形不超过3mm。优化后得到最大失效引资为0.2038，满足Hoffman强度校核准则，可得到最大位移变形为0.3521mm。

参考文献

1. 彭博. 电动汽车碳纤维复合材料电池箱轻量化设计[D].吉林大学,2019.

2. 段端祥,赵晓昱.纯电动汽车碳纤维复合材料电池箱体的铺层设计研究[J].玻璃钢/复合材料,2018(06):83-88.

[3]胡贺宾. 电动汽车动力电池纤维复合材料箱体结构设计与分析研究[D].河北工业大学,2018.