趙宜陽， 葛良玉， 鄭江文

（連云港市鷹游工程技術(shù)研究院有限公司， 江蘇 連云港 222000）

0 引言

碳纖維因具有質(zhì)量輕、強度高、高疲勞強度等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于飛機制造、航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域。近幾年，隨著我國碳纖維產(chǎn)業(yè)化的蓬勃發(fā)展，高性能碳纖維技術(shù)的不斷攻克，越來越多的碳纖維制品從高端產(chǎn)業(yè)走進(jìn)我們的日常生活。眾多的領(lǐng)域因這一復(fù)合材料的普及有了更進(jìn)一步的發(fā)展，如何將碳纖維有效應(yīng)用到生活中是當(dāng)前面臨主要問題。作為新能源汽車領(lǐng)域最重要的電池模組，如何將碳纖維的優(yōu)點科學(xué)化用在電池模組的箱體上是汽車領(lǐng)域亟須解決的問題。

1 新能源電池組箱體的研究進(jìn)展

1.1 金屬材料電池組箱體的研究進(jìn)展

金屬電池組材料因其成本低、可塑性強等優(yōu)點被各大車企廣泛應(yīng)用于電池組箱體的材料，因為金屬材料的質(zhì)量較大，所以目前主流的研究方向是輕量化設(shè)計以及框架式設(shè)計。國內(nèi)車企吉利研究發(fā)現(xiàn)，使用框架式的結(jié)構(gòu)在滿足電池組箱體強度要求的基礎(chǔ)上比較容易實現(xiàn)電池組箱體的強量化設(shè)計，經(jīng)設(shè)計研究，較早采用了鋁板+Sheet Molding Compound[1]的結(jié)合式箱體設(shè)計。較目前來說，新材料的應(yīng)用成本及制造難度均較高，所以金屬電池組箱體的輕量化設(shè)計依舊是今后幾年的主流設(shè)計研究方向。

1.2 復(fù)合材料電池組箱體的研究進(jìn)展

通過對復(fù)合材料對電池組箱體的研究一直在推進(jìn)，以Sheet Molding Compound、泡沫鋁、PA6 為基礎(chǔ)材料，通過對其不同含量的配比，改變其中的纖維的含量等方式，在滿足電池組箱體的結(jié)構(gòu)性強度要求的基礎(chǔ)上，最高研究出質(zhì)量減輕了有31%的復(fù)合材料[2]電池組箱體。國內(nèi)研究多以玻璃纖維為主要研究方向，通過玻璃纖維于環(huán)氧乙烯基樹脂的預(yù)浸配比，在模壓的成型工藝下，也較為明顯地實現(xiàn)了電池組箱體的輕量化目標(biāo)。通過對國內(nèi)外的研究成果總結(jié)，可以看出如何促使電池組盒體變得越來越輕的研究一直在推進(jìn)，但是新材料的稀缺性以及新材料所需要應(yīng)用到的新工藝都是需要進(jìn)行同步研究綜合考慮的。在輕量化的基礎(chǔ)上，如何做到滿足其他的安全性問題是需要不斷去研究發(fā)現(xiàn)。

2 主流金屬材料電池組箱體結(jié)構(gòu)分析

電池組箱體的結(jié)構(gòu)性設(shè)計直接影響到了電池的使用壽命，箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計及內(nèi)部的布局一直是研究的方向。在電池組箱體相關(guān)專利中發(fā)現(xiàn)，Rawlinson 提出防護(hù)板中間的夾層中采用泡沫板來提高整體抗撞擊的強度[3]。在經(jīng)過有限元分析發(fā)現(xiàn)，這一設(shè)計理論在提升電池組在碰撞中的安全性方面效果顯著。

框架式結(jié)構(gòu)設(shè)計因其在輕量化有較明顯的優(yōu)勢存在，針對性的研究也越來越受到關(guān)注。市場上主流車企較多采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)加強筋，使得框架結(jié)構(gòu)的強度顯著提升，通過對電池組箱體結(jié)構(gòu)不同位置的加強筋不斷實驗，得到了公認(rèn)的目前金屬材料方面加強筋最優(yōu)布局方案。在箱體受到外力作用時能夠避免產(chǎn)生較大的形變，通過采用多梁設(shè)計，通過橫梁于縱梁的分布設(shè)計，將電池分布區(qū)域分散成多個區(qū)域，以達(dá)到固定電池組，受外力不易變形的特點，在進(jìn)一步保證箱體強度的條件下，優(yōu)化電池組的分散排布，使得箱體內(nèi)部電池組的空間利用率大大提升[4]。當(dāng)前主流車企電池組箱體結(jié)構(gòu)：比亞迪- 秦，箱體由金屬邊框高強鋁及Sheet Molding Compound 組合而成，在輕量化方面優(yōu)勢明顯；特斯拉Model S，箱體采用鋁合金框架，整體質(zhì)量一般約為120 kg；寧德時代811，采用全鋁箱體設(shè)計，配合部分緊固件進(jìn)行連接固定。

3 碳纖維復(fù)合材料電池組箱體制作分析

選擇實驗用單層厚度為0.150 mm 和0.200 mm厚度的碳纖維快速預(yù)浸料進(jìn)行尺寸設(shè)計，如表1 所示。在極短時間內(nèi)固化是此預(yù)浸料最具鮮明的特點，對于較大尺寸的加工件具有較大的優(yōu)勢。此預(yù)浸料在高溫環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)快速固化，以及低溫環(huán)境下有效固化的效果，對于成本控制方面效果顯著，廣泛應(yīng)用于船舶、汽車、風(fēng)電、方艙等領(lǐng)域[5-6]。

表1 碳纖維快速預(yù)浸料尺寸

初步對電池組箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成進(jìn)行碳布鋪貼流程設(shè)計，鋪貼過程中注重交錯鋪貼，同一方向的碳布鋪貼層數(shù)不能超過三層，針對箱體的加強筋部分，采用一體式鋪貼方式，以保證箱體的整體性，整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。整體結(jié)構(gòu)完成后進(jìn)行成型處理，成型工藝溫度及時間的成型條件見表2。

表2 成型條件

對成品進(jìn)行建模仿真實驗后進(jìn)行進(jìn)一步的鋪層的層數(shù)及方向優(yōu)化處理，見表3，通過仿真數(shù)據(jù)分析，碳纖維復(fù)合材料電池箱體在發(fā)生碰撞時滿足安全性能的要求，同時在測量點的數(shù)值下，箱體在滿足輕量化的前提下，箱體部分的扛撞性也有一定的提升。

表3 箱體對照測試

最終成型后的測試結(jié)果受多方面因素影響，低溫環(huán)境下的有效固化雖然加工成本較低，但是并不能夠充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的特性，為了保證輕量化及強度，后續(xù)還需要對整體進(jìn)行鋪貼，后續(xù)處理工藝以目前主流充氣加壓加熱成型為主。優(yōu)化后的碳纖維電池組箱體，在顛簸測試中，箱體剛度較金屬箱體有所提高，強度性能皆滿足需求，經(jīng)稱重后對比，較同款金屬箱體質(zhì)量減少20.2%，效果顯著[7-8]。

4 其他復(fù)合材料電池組制作分析

像玻璃纖維與環(huán)乙烯基樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，Sheet Molding Compound，在考慮到材質(zhì)特性的基礎(chǔ)上，在復(fù)合材料電池組的結(jié)構(gòu)上充分發(fā)揮材質(zhì)的特點[9]。不同的復(fù)合材料的加工工藝多有不同，但在兼顧電池安全性的基礎(chǔ)上，輕量化效果好的材質(zhì)大面積應(yīng)用在工藝上仍舊需要不斷改進(jìn)，目前工藝來說，復(fù)合材料成型實驗也是不同材料的配比實驗，以期能達(dá)到預(yù)期的效果。

5 結(jié)語

綜合分析當(dāng)前主流新能源汽車的電池組箱體，分析以結(jié)構(gòu)和材料為主。當(dāng)前主流車企采用的制作工藝為沖壓成型方式，后續(xù)采用焊接、拼接等方式進(jìn)行加固處理，這一系列的流程，對電池組箱體的強度及質(zhì)量方面造成了可量化的影響。在對當(dāng)前主流電池組箱體進(jìn)行掃描建立模型，以碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行模型鋪層處理，保證電池盒受力點的加強筋強度滿足汽車的生產(chǎn)使用需求。通過對不同碳纖維的鋪設(shè)角度，以0°、45°、90°三種角度為主，相互結(jié)合鋪貼。結(jié)合掃描后的數(shù)據(jù)及受力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步優(yōu)化碳纖維的鋪設(shè)方式，最終在滿足電池組結(jié)構(gòu)及強度的基礎(chǔ)上，使得整個電池組箱體質(zhì)量相較于原箱體減少了20%，超過預(yù)期。此外，碳纖維制品的機構(gòu)，鋪貼順序，加工方式，材料的選擇等都與最后的測試結(jié)果息息相關(guān)，考慮到制造成本以及加工可行性等方面的因素，相較于諸多的不可控因素，科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化的鋪貼方式應(yīng)得到進(jìn)一步的研究及探討，將來，在其他外界因素都達(dá)到理想化的時候，鋪貼方式的改變將帶來更加直觀的效果改變。同時整個電池組箱體需要考慮的因素不止輕量化，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等因素都需要去進(jìn)行更進(jìn)一步的探討及研究。