动力电池碳纤维上盖结构设计开发

周站福 徐伟贺

（中国第一汽车解放公司商用车开发院，长春 130011）

1 前言

随着现代汽车技术的不断发展，现今社会对汽车能源消耗需求日益紧迫，各大汽车厂商全力开展新工艺、新材料、新结构的开发工作，满足汽车轻量化需求。铝、镁合金等材料在底盘副车架、摆臂、轮毂、车门等零部件上已应用广泛，而碳纤维作为轻质材料新宠，也逐渐从航天转入汽车工业中来，成为汽车轻量化生力军。

碳纤维作为一种性能优异的新型材料，密度为1 500～1 600 kg/m3，是普通碳钢的1/4～1/5，比常用的铝合金还要轻1/3左右[1]，强度是高强钢的2～3倍，具有很高的比强度和比模量，其机械性能优于金属材料。本研究重点探讨动力电池碳纤维上盖结构及工艺设计特点。

2 动力电池上盖设计原则

碳纤维材料基体分为聚丙烯腈基、沥青基、粘胶基碳纤维，其中聚丙烯腈基（PAN基）是发展主流，占市场90%以上，表1所示为3种纤维参数对比。

表1 碳纤维材料参数表

通过上述对比分析，以PAN基碳纤维作为动力电池上盖主要材料，对其进行技术研究，满足产品开发目标。

动力电池上盖是电池壳体的重要组成部分，对其安全和防护起着关键作用。在产品开发过程中，既要满足动力电池强度、刚度及防护IP67等级要求，又要兼顾整车碰撞需求，故采用以下技术开发路径。

a.采用碳纤维复合材料满足轻量化需求；

b.减少零部件数量，实现整体一次成型；

c.局部结构加强，保证零件的刚度、强度；

d.通过铺层设计，实现不等厚结构，使应力分布更合理。

3 动力电池上盖结构开发

3.1 动力电池上盖方案设计

3.1.1 结构设计要素

动力电池上盖在开发过程中，应考虑造型、铺层及特殊区域设计方法。造型设计要依托电池内部结构布置进行构思；铺层设计要考虑铺层数量、厚度、方向、层间结合；对于特殊区域，要进行连接、加强、过渡区域的结构设计。

3.1.2 结构设计方案

动力电池碳纤维上盖在结构设计时，通过下述方案及手段，满足质量、强度、应力、密封等工程需求。

a.利用“厚度渐变”方案，使上盖主体结构厚度由3 mm逐渐过渡到2 mm，满足等应力设计需求；具体结构见图1；

b.上盖边缘采用均布式“三角筋”加强结构，提升压边强度，提高整体密封效果，详见图2；

c.通过“局部加强”、“矩形方筋”等手段，提高盖板刚度，防止受力变形；

d.在应力突变或较大处，利用圆角R≥10 mm设计降低应力；

e.由于复合材料强度和刚度的各向异性，以及复合材料层间强度较低、延展性小等特点，致使复合材料连接部位的设计与分析要比金属连接复杂，因而，复合材料结构设计的关键技术是连接强度[4]。为保证动力电池系统密封性，电池上盖与电池下箱体采用螺接方案，见图3、图4所示。

f.碳纤维材料不能像金属材料可沿自由长度方向拉延，为避免在厚度变化区域内产生应力集中和分层结构缺陷，采用图5方式进行过渡设计。

3.2 工艺铺层设计

3.2.1 材料的选择

动力电池上盖选用T300碳纤维作为主体材料，5208树脂为基体材料进行铺层设计，二者特点如下。

a.碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电、导热和远红外辐射等诸多优异性能。

b.环氧树脂固化收缩率一般为1%～2%，是固化收缩率最小的品种之一、电绝缘性、抗化学药品性能优良。环氧固化物耐热性一般为80～100℃，环氧树脂耐热品种可达200℃，符合动力电池安全及防护需求。

3.2.2 工艺设计

动力电池碳纤维上盖采用高压模压工艺（HPRTM）,具有预成型、真空辅助排气、高压注射、高压下完成树脂浸渍和固化工艺等优点，可实现低成本、短周期、高质量生产。其成型工艺流程见图6。

根据制造厂商现有设备及能力，从涂布到脱模，动力电池碳纤维上盖生产工艺见表2。

表2 工艺时间表 min

3.2.3 铺层原则

动力电池碳纤维上盖在实际使用过程中，扭转、弯曲应力较大，其铺层设计要遵循以下原则。

a.铺层定向原则。铺层设计主要是通过调整铺层方向、铺层数目、铺层顺序来提升产品强度及刚度。碳纤维复合材料为正交各向异性材料，复合材料结构的整体性能随其铺层顺序的变化而变化，在满足受力要求的情况下，一般选择0°、90°和±45°四种铺层方向,铺层方向数应尽量少，以简化设计。

碳纤维铺层方向不同，其力学性能也有所差异，通过试验，得出动力电池碳纤维上盖材料性能参数见表3。

表3 材料性能参数

b.均衡对称铺设原则。动力电池上盖铺层一般采取对称均衡形式布置，以避免拉-剪、拉-弯耦合而引起上盖发生翘曲变形。随着铺层厚度的增加，零件的抗扭转性能提高，但是铺层数目增多，其扭转刚度并不会线性增长，考虑到加工成本，应合理选择铺层厚度。

3.2.4 铺层数据导入

根据铺层定向及对称原则，考虑动力电池PACK布置位置，受其垂直、弯曲、扭转3种力学工况，碳纤维上盖采用7～10层铺层方案，实现变截面变厚度轻量化设计手段，具体方案见图7。

a.动力电池总成尾部采用双层模组方案，质量大、质心高，弯、扭工况复杂，动力电池上盖在此区域铺层厚度3 mm；上盖边缘起连接、密封作用，刚度要求高，其整体外边缘铺层厚度达到3 mm，其它区域受力较小，采用过渡设计方案，铺层厚度逐渐由3 mm过渡到2 mm，进而降低总成质量，发挥铺层设计优势，见图8。

b.动力电池上盖所受拉伸应力小、抗扭应力大，因此在铺层设计时应尽量避免0°方向，以减少碳纤维的浪费，0°优势是相对于轴向来说拉伸是最强的；

c.在上盖铺层过程中，±45°（±90°）铺层方向为最好，可将冲击力均匀地向四周传递，且±90°方向放在最内和最外层可以显著降低蔡-吴失效指数，提高电池上盖扭矩承受能力；同时尽量增加±45°方向的铺层的比例，有利于提高抗扭性能；为降低扭转应力，±45°铺层应成对出现。

根据上述铺层特点，确定碳纤维上盖铺层数据，见表4。

表4 铺层数据

d.动力电池碳纤维上盖工艺设计时，固化温度要控制在70℃左右，这样利于节省能量。温度越高，固化时间越短，但模具升/降温时间越长，因此固化温度不能太高。

e.为保证动力电池上盖尺寸精度，上盖模具精度及热涨误差也是重要考衡因素。

4 碳纤维复合材料力学测试试验

为提升CAE分析准确性，利用万能试验机、应变仪、电阻应变片等设备，进行碳纤维样片性能参数分析，见图9。

对高压RTM工艺制做的碳纤维试片，进行拉伸、压缩、面内剪切试验，结果见表5。

表5 试验数据参数

5 动力电池CAE结果分析

动力电池PACK位于乘员舱下部，对汽车性能、振动及强度影响很大，因此对PACK进行模态和随机振动二种状态分析。动力电池上盖作为PACK总成的一部分，与总成一起进行CAE分析。

5.1 电池PACK模态振型分析

动力电池上盖主要起密封防尘、绝缘保护、耐腐蚀及安全防护作用，为非承载件。把一阶约束模态作为考察其刚度特性指标及优化设计指标，保证动力电池上盖低阶模态频率尽可能避开整车高振能量区。依据GB/T 31486—2015《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》，35～40 Hz以下频率段属于高频振动能量区。模态分析工况及边界输入见表6。

表6 模态分析工况及边界输入

通过对动力电池PACK总成一阶约束模态分析,仿真结果≥35～40 Hz（目标值）,满足设计目标（表7）。模态分布见图10。

表7 一阶模态分析结果

5.2 电池PACK随机振动分析

通过对整车路谱采集分析，得出表8、表9动力电池随机振动数据谱，其均方根值在6.27 m/s2、4.41 m/s2、4.9 m/s2时，振动时间均为12 h。

表8 随机振动

表9 正弦定频振动

通过对动力电池上盖随机振动分析，最大应力≤650 MPa（目标值），满足设计要求（表10）。

表10 随机振动分析结果

6 结束语

动力电池上盖采用碳纤维材料降重效果明显，在模态、强度及刚度满足设计要求情况下，比DP590方案质量降低59%，同时通过铺层技术，易于实现结构一体化设计，降低模具成本。由于碳纤维原材料价格不菲，零件制造成本居高不下，也可采用碳纤维与玻纤维结合方案，降低成本。随着产业化发展，碳纤维树脂基复合材料技术的不断进步，期待实现其在汽车领域专业化、标准化的应用。