一种电动汽车电池组箱体轻量化设计

刘舒龙，夏顺礼，赵久志，张宝鑫，陈康伟

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心 新能源汽车研究院，安徽 合肥 230601）

新能源汽车

一种电动汽车电池组箱体轻量化设计

刘舒龙，夏顺礼，赵久志，张宝鑫，陈康伟

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心 新能源汽车研究院，安徽 合肥 230601）

电池组箱体轻量化设计是电动汽车“以塑代钢”思想的具体体现。文章从材料选择入手，通过模态分析确定产品的性能参数满足整车需求；针对3D模型进行模流分析，确定成形工艺可行性。从材料的选择到产品的成形分析进行全面的介绍，阐述一种电动汽车电池组箱体的轻量化设计，可以为其它轻量化材料在电动汽车领域的应用提供一种思路。

轻量化；电池组箱体；模态分析；模流分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.005

CLC NO.: u461 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）11-10-03

引言

轻量化是一个涵义非常广泛的设计准则，汽车结构的轻量化对汽车节能和环保都具有重要的意义。电动汽车是指以车载电池组为动力，用电机驱动车轮行驶。电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，几乎是“零污染”，因此其前景被广泛看好。

电动汽车的续驶里程是衡量其综合性能的一项关键指标，在保证其强度和安全性能的前提下，尽可能地降低其整备质量，达到更高的加速度，提高有效载荷，减少能源消耗。轻量化的设计在电动汽车领域更具有重要的意义。

在过去的几十年里，新材料与材料复合物以及新的成型方法使得构件轻量化实现的得到进一步的发展。

目前国内电动车电池箱体均使用金属制造，国外亦很少使用非金属材料。应用非金属材料的电池箱体可以提高整个电池的绝缘安全，防止在极端工况中发生外短路，同时起到缓冲吸振的作用；应用非金属材料的电池箱体保温效果更好，便于电池温度一致性的控制，有利于提高热管理的有效性。

因此，如何设计一种高强度的电池箱体对整个电池的安全、热管理，对电动汽车续驶里程的提升具有重大的意义。

电池箱体由上盖和底板两部分组成，底板是主要的结构件，承载了整个电池组的重量；上盖仅仅是个覆盖件，用于整个电池的防护与密封。因此通过将金属上盖换成塑料上盖来实现电池箱体轻量化。

以塑代钢的关键在于选用何种材料来实现轻量化，材料确定后选用何种成形方式制成一个何种结构的零件，能够满足整车的功能需求。

1、材料选择

电池上盖不承受整个电池组的重量，弯曲强度是衡量其是否满足强度需求的重要标准。从通用塑料与工程塑料中选择，综合成本、密度、耐热性、尺寸稳定性，选用PP与PA两种基材；同时，选用不同成分的玻纤材料进行复合增强。传统的金属上盖选用1mm厚度钢板冲压而成，通过弯曲试验与1mm厚度钢板对比选用材料。

表1　试样弯曲实验对比

综合实验数据，由于PA相比PP吸湿性更强，成本更高，选择3mm厚PP基材玻纤增强复合材料等效替代1mm钢板。

2、产品性能参数与3D模型确认

2.1产品性能参数

确定了材料类型之后，通过产品的性能需求确定具体的材料组分与其它增强成分。结合其它汽车上塑料制品的性能参数需求，制定电池上盖的性能参数表：

表2　塑料上盖性能参数表

为了保证电池组的安全，对塑料上盖产品提出V-0级阻燃要求，因而在复合材料中添加阻燃剂以满足要求。[1]

2.23D模型设计

根据整车总布置给定的MCO空间，确定金属上盖的3D模型。

在金属上盖模型的基础上，保持原有的形面不动，将料厚增加至3mm，同时遵循塑料件的设计准则，避免尖角、增加脱模斜度；在上盖与底板的配合面合理的设置加强筋，增加其结构强度；在高低压接插件位置进行局部增强，提高其疲劳强度。

图1　金属上盖模型

图2 塑料上盖模型

2.3振动分析

完成塑料上盖的3D模型设计后，通过模态分析研究其结构动力特性。

通过有限元计算的方法，首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与响应并进行双通道快速傅里叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。

多自由度系统的固有频率，可以根据系统的无阻尼自由振动微分方程得到，即

设微分方程的解为：

将(2)及其二阶导数代入(1),可得到主振型方程为：

称为特征矩阵。主振型方程存在非零解的条件是特征矩阵的行列式必须等于0，也就是：

将行列式展开，得到关于ω2n的n阶多项式。由于质量矩阵M为正定矩阵，刚度矩阵K为正定或半正定矩阵，因此，一般可从特征方程得到ω2n的n个大于零的正实根，称为系统的特征值，将特征值开平方后得到n个系统的固有频率，分别称为第1阶固有频率（基频）、第2阶固有频率、……、第n阶固有频率。系统的固有频率只与系统的固有物理特性相关。[2]

图3　模态分析模型

添加上盖与底板配合面以及高低压接插件处的约束，建立模态模型，输入材料性能参数：拉伸强度82MPa、弯曲模量7.2GPa、泊松比0.46、密度1.373g/cm3。

模态分析塑料上盖一阶固有频率69.61Hz。

表3　车辆典型的共振频率范围

汽车零部件常用频率测试范围为10—55Hz，塑料上盖的固有频率在此范围之外，可以有效避开共振，该模型确定的塑料上盖能够满足汽车件振动特性需求。

3、成形工艺

3.1成形工艺介绍

对于3mm厚的热塑性材料，零件表面设置了很多加强筋，选用应用最广、精度和生产效率较高的注塑成形方式。即通过加压将物料由加热桶经过主流道、分流道、浇口注入闭合模具型腔的模塑方法。[3]

表4　注塑工艺参数

3.2模流分析

通过Moldflow软件进行注塑成型过程的仿真模拟，得出填充时间、熔接痕、锁模力、翘曲变形量等一系列数据，对其成形工艺可行性做出评估。

对塑料上盖模具设置12个浇口，分析选择注塑方案。方案一为所有浇口同时打开，称为同时注塑；方案二为1、2、3浇口同时打开，剩余的浇口在熔体流过浇口时打开，称为顺序注塑。

图4　注塑浇口分布

图5　同时注塑

图6 顺序注塑

表5　模流分析结果

通过分析数据看出：同时注塑时间较短，但注射压力与锁模力较大；顺序注塑时间略长，但注射压力与锁模力较小；翘曲变形量二者接近。

分析结果显示：顺序注塑流动较好，在顺序填充部分没有熔体汇合区域，其熔接痕要明显小于同时注塑。

顺序注塑的翘曲变形稍大于同时注塑，分析中没有设置冷却水路，并非能与实际数值相符，但趋势相同，最大翘曲位置位于填充最末端，且变形方向为垂直分型面向上。

4、结论

1)轻量化的设计主要体现在PP基长玻纤阻燃增强型新材料的应用。

2)从弯曲性能角度考虑，3mm厚度的塑料可以等效替代1mm厚度的钢板。

3)针对塑料上盖3D模型进行模态分析，其一阶固有频率满足振动特性要求。

4)针对塑料上盖3D模型进行模流分析，其注塑工艺可行，顺序注塑方案更合理。

5)设计过程为新材料在电动汽车领域的应用提供一种思路。

[1](奥)H.德吉舍尔 S 吕夫特.轻量化—原理、材料选择与制造方法[M].北京：机械工业出版社,2011.11.

[2]周长城，周金宝，任传波，王仁广.汽车振动分析与测试[M].北京：北京大学出版社，2011.3.

[3]陶治.材料成型技术基础[M].北京：机械工业出版社，2008.6.

Lightweight Design of Electric Vehicle Battery Box

Liu Shulong, Xia Shunli, Zhao Jiuzhi, Zhang Baoxin, Chen Kangwei
( New energy vehicle academy, Technical Center, Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

Battery box lightweight design is a manifestation of the thinking “Replace steel with plastic” in the field of electric vehicle . The article starts from the choice of materials, through Modal analysis to determine the product performance parameters meet vehicle demand, conduct Mold flow analysis with 3D model to determine the feasibility of forming process. Give a detailed introduction from the choice of materials to the forming process, explode the lightweight design of electric vehicle battery box, can provide a way for the application of other lightweight materials in the field of electric vehicles.

Lightweight; Battery box ; Mold flow analysis; Modal analysis

u461 文献表示码：A

1671-7988（2016）11-10-03

刘舒龙(1989-)，男，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，新能源汽车研究院，研究方向为电动汽车电池成组。