一种电池PACK复合材料箱盖设计研究

2022-06-29刘兆文王世豪

客车技术与研究 2022年3期

刘兆文，张彪，黄河，王世豪，尹峰

(中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲 412007)

电动汽车重要的部件之一是动力电池，而电池箱是动力电池的载体，在保证电池安全性的前提下需进行轻量化设计。轻量化设计可从多角度进行，主要有材料减重和结构减重。从电池PACK结构方面考虑，在满足强度要求的前提下，减轻整个PACK重量最有效的途径是电池箱盖采用轻质材料。由于玻璃纤维和环氧树脂复合材料具有结构轻、强度高、防腐性能好等特性，本文选用其作为电池PACK箱盖的原材料进行结构设计，并进行抗拉强度测试，最后通过模态仿真验证结构设计的合理性。

1 箱盖结构设计及力学试验

1.1 电池PACK整体结构

电池PACK整体结构如图1所示，主要由箱盖1、铝合金箱座2、集成面板3、电芯模组4、绝缘罩5组成。其装配关系为：电芯模组的底部与箱座之间涂绝缘的导热结构胶，电芯模组两侧的金属端板6通过长螺杆7固定在箱座上；电芯模组之间以及其与总正、总负接插件之间通过母排连接；集成面板上集成了通讯接口、加热接口、高压接口以及手动维修开关，固定在箱盖上；箱盖固定在箱座上，与箱盖直接连接的部件有箱座、防爆阀以及集成面板。

图1 电池PACK结构示意图

1.2 箱盖结构设计

电池箱盖的主要功能是保证整个电池PACK的密封性。根据电池包箱盖在整车上受力相对较小的情况，选用玻璃纤维和环氧树脂复合材料PCM模压成型。为确保箱盖、箱座和集成面板的装配密封性，在箱盖的翻边处和集成面板安装面处设置较高的平面度要求，不平度要求小于0.5 mm；箱盖其他面的平面度要求在2～3 mm之间。考虑到不应与整车发生共振，整个箱盖的外形不宜为一个平面，所以在箱盖上设计纵横交错的加强筋。

箱盖、箱座和集成面板之间使用螺栓连接固定，箱盖法兰面上共有40个直径为11 mm的孔，横向孔距和纵向孔距都为82 mm，法兰面厚度设计为3 mm，集成面板安装面厚度为3 mm，其余面厚度为1 mm，以此保证密封和强度要求。最终确定复合材料箱盖结构的三维模型如图2所示，其基本尺寸为长1 064 mm、宽605 mm、高200 mm，总质量为3.35 kg。

1.3 力学性能试验

因动力电池PACK需满足文献[8]中的各项要求，所以需对上盖材料的极限强度进行测试。取上述设计模压成型后的复合材料箱盖，在图2(a)虚线框位置切割制作6个试样，根据文献[10]进行材料拉伸试验，结果取平均值。

(a) 箱盖外侧结构

(a) 一阶振型

根据标准要求制作测试样件，6个测试样件均为长250 mm、宽25 mm、厚1 mm(即为箱盖实际厚度)的长方体，如图3所示。试验在万能试验机上进行。

图3 拉伸试样尺寸示意图

室温下6个测试样件的拉伸极限强度分别为341 MPa、344 MPa、350 MPa、348 MPa、352 MPa、347 MPa，由此可知，本文选取的玻璃纤维和环氧树脂复合材料箱盖的拉伸极限强度均值为347 MPa，具有很好的力学性能。

2 复合材料箱盖强度及模态分析

为分析所设计的复合材料箱盖能否满足电池包的实际使用要求和设计要求，需将箱盖、箱座及电池包其他零部件一起进行仿真分析。根据电池PACK在整车上的安装形式，箱盖除受到与箱座连接固定螺栓的挤压力外，不承受其他物体施加的力，另外，箱盖对刚度有较高要求，所以需要进行强度和模态的仿真分析。本次动力学特性仿真分析采用ANSYS、Hypermesh等建模和求解软件。

2.1 复合材料箱盖的强度分析

建立电池包的有限元仿真模型，其中箱盖采用玻璃纤维和环氧树脂复合材料，箱座选用铝合金材料，箱盖与箱座共142 733个单元，其中箱座为实体单元，箱盖为壳单元；内部电芯模组共282 744个单元，为实体单元；其他零部件(主要包括集成面板、导电母排以及绝缘罩等)共21 388个单元，为实体单元。根据电池包的实际安装情况，本次有限元仿真边界条件为电池包安装孔位全约束。

根据标准对以上有限元模型进行复合材料箱盖的随机振动强度仿真分析，结果如图4所示。最大应力分布于箱盖螺栓安装孔处，最大值为44.1 MPa，远小于材料的拉伸极限强度347 MPa和材料的屈服极限强度312 MPa，强度设计符合要求，能满足电池PACK强度安全要求。故动力电池PACK箱盖使用该复合材料制作是一种可行可靠的方法。