動力電池作為新能源汽車能量供給的核心零部件，其性能直接影響了新能源汽車的性能表現(xiàn)。

其中動力電池箱體作為動力電池的載體，在動力電池安全工作和防護方面起著關鍵作用。傳統(tǒng)電動汽車動力電池箱體大多采用金屬材料制造，隨著制造材料的發(fā)展，為了提高新能源汽車經(jīng)濟性，實現(xiàn)動力電池輕量化，復合材料被逐漸應用到動力箱體設計中。

本文以某款純電動車為研究對象，結(jié)合碳纖維復合材料設計的特點，設計碳纖維動力電池箱體以滿足動力電池輕量化的需求。提高傳感器供電或者增加前段放大器來實現(xiàn)。

1、碳纖維電池箱體的設計

1.1電池箱體對產(chǎn)品的功能需求

電池箱體作為電動汽車用動力電池的防護零件，對結(jié)構設計、重量等方面的要求都很高，在電池模塊的重量和尺寸確定后，設計電池箱體時考慮的因素比較多。首先電池箱體是電池模塊的承載件，電池模塊需要通過它連接到車身上。其次，動力電池一般安裝在車體下部，考慮到電池模塊的工作環(huán)境，電池箱體需要具有對模塊的防護功能，需要考慮模塊的防水防塵以及道路環(huán)境對電池箱體的腐蝕，電池箱體還需要考慮承受車輛運行過程中的振動和沖擊等。

1.2碳纖維材料的優(yōu)勢分析

動力電池箱體對材料的要求有:高強度;輕量化;優(yōu)良的耐腐蝕性?碳纖維在這3方面具有極大的優(yōu)勢?首先碳纖維復合材料具有較高的比強度(材料的拉伸強度和密度之比)和比模量(材料的彈性模量與密度之比)，其比強度是鋼材的5倍?碳纖維和環(huán)氧樹脂復合后的密度為1.4kg/m3?該材料還具有優(yōu)良的耐蝕性和阻燃性?

1.3車用碳纖維電池箱體的工藝設計

碳纖維復合材料產(chǎn)品的成型方式有很多種，其中適用于碳纖維電池箱體的加工工藝有模壓?真空輔助成型工藝(VARI)?RTM等?模壓?RTM工藝適用于零件批量大的情況?VARI工藝所需模具成本較低，成型產(chǎn)品的纖維含量較高，但成型的整個過程耗時長，適用于批量要求小?成本低的零件生產(chǎn)?根據(jù)零件的產(chǎn)量及成本等要求，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有復合材料廠家的工藝能力，比較這3種工藝，本產(chǎn)品選擇了VARI工藝?

VARI是一種將干織物通過真空輔助導入成型的工藝方式?其工藝原理是在單面剛性模具上以柔性真空袋膜包覆?密封纖維增強材料，利用真空負壓排除模腔中的氣體，并通過真空負壓驅(qū)動樹脂流動而實現(xiàn)樹脂對纖維及其織物的浸漬?電池箱體的工藝方案為:陰模成型模具，表面進行高光或者亞光處理，在模具上鋪設一定層數(shù)的碳纖維布料后，通過導流網(wǎng)?導流管?密封條的輔助，由真空泵將混合好的樹脂材料抽吸在纖維布中，最后進行固化。固化成型后脫模，并對邊界及需要開孔的部位進行切割加工?

1.4.1總體結(jié)構設計

根據(jù)電池模塊的形狀和布置方式，結(jié)合動力電池在車身上的位置，本著盡量利用空間的原則，此電池箱體的外包絡設計為接近方形的箱體結(jié)構。

主體結(jié)構層由碳纖維布鋪附而成，并且輔以樹脂，在連接處使用了金屬接頭，金屬接頭和主體結(jié)構層之間用結(jié)構膠連接。電池模塊組和箱體之間采用金屬緊固件進行連接。

為了增加零件的強度和模態(tài)，在一些大面積的結(jié)構面上，加強筋是提高結(jié)構穩(wěn)定性的典型形式，而帽形筋條相對來說承載效率高、重量低，本電池箱體采用了類似帽形筋條凸筋和凹筋對結(jié)構進行了加強。鑒于連續(xù)纖維復合材料的特性，碳纖維加強結(jié)構凸筋和凹筋處做等厚設計。

1.4.2鋪層設計

電池箱體的碳纖維編織布采用了T300-3K和T300-12K，兩種織布混合的方式，共10層碳纖維平紋織布加樹脂的設計。鋪層時主要考慮了以下注意事項:鋪層角的均衡性、同一鋪層方向的數(shù)量要求、鋪層的對稱性、鋪層層間角度的偏差、限制最大連續(xù)鋪層數(shù)。電池箱體零件采用了10層平紋織布交叉平鋪的方式，鋪層方式為[0/45/0/45/0/0/45/0/45/0]。

1.4.3連接設計

電池模塊需要通過電池箱體連接在車體上，電池箱體在連接處采用了金屬緊固件進行連接，這些緊固件部分采用埋入方式，通過控制埋入的深度使連接處能夠承受較高的拉伸強度;部分緊固件和碳纖維本體之間采用結(jié)構膠粘結(jié)在一起。

2、碳纖維動力電池箱體仿真結(jié)果分析

碳纖維動力電池箱體從G-Load、模態(tài)分析、振動及沖擊4個方面對動力電池箱體結(jié)構進行仿真分析，從而為動力電池系統(tǒng)的耐久性研究和結(jié)構優(yōu)化提供參考。

2.1G-Load分析

2.2模態(tài)分析

模態(tài)是機械結(jié)構的固有振動特性，模態(tài)分析用于確定設計結(jié)構或機器部件的振動特性，即結(jié)構的固有頻率和振型。對于動力電池箱體來說，模態(tài)分析主要是考察蓄電池系統(tǒng)結(jié)構的前六階固有頻率及振型。

由于隨機振動標準J2380在Z向振動要求中，35～40Hz以下頻率段屬于高振動能量區(qū)，故要求電池包Z向低階模態(tài)應盡可能高于35～40Hz。對模型進行模態(tài)分析后，結(jié)果顯示電池殼體結(jié)構的一階模態(tài)為61Hz，符合對低階模態(tài)的要求。

2.3機械沖擊

采用ISO16750中規(guī)定的方法對動力電池箱結(jié)構的抗機械沖擊能力進行分析。沖擊脈沖采用半正弦形脈沖波形，峰值加速度為500m/s2，持續(xù)時間為6ms。沖擊的加速度在所用6個方向上進行。分析結(jié)果顯示，電池托盤和殼體的最大應力為76.5MPa遠小于材料的許用應力。

2.4振動分析

動力電池箱體的振動分析選用SAEJ2380中的標準。按SAEJ2380中規(guī)定的方法對動力電池箱結(jié)構的抗機械振動能力進行分析。分析結(jié)果顯示，電池托盤和殼體的最大應力遠小于材料的許用應力。碳纖維電池殼體滿足設計要求。

3、結(jié)語

本文研究了使用碳纖維復合材料對動力電池箱體進行輕量化設計的方法，并通過有限元仿真分析對設計進行了驗證。從分析結(jié)果看碳纖維復合材料電池箱體在結(jié)構模態(tài)、機械沖擊和結(jié)構疲勞方面完全滿足要求。碳纖維復合材料動力電池箱體的設計重量為12kg，而采用SMC復合材料制作的動力電池箱體的重量為15.5kg，整體減重3.5kg，相比減重達22%實現(xiàn)了減重指標。