摘要：通過對比材料性能和成本，確定采用45%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的玻璃纖維（GF）增強(qiáng)的尼龍（PA）復(fù)合材料制作電池箱體，根據(jù)電池系統(tǒng)給定的包絡(luò)、電氣性能、保溫性能要求確定了電池箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。對集成了保溫結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料電池系統(tǒng)進(jìn)行計算機(jī)輔助工程（CAE）分析，利用了LFT-D工藝制造了復(fù)材電池箱體的等比例樣件并集成了保溫結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了對應(yīng)的計算流體力學(xué)（CFD）軟件分析和保溫性能測試，證明該箱體的機(jī)械性能和保溫性能滿足設(shè)計要求。相比鋁合金箱體，該箱體兼有輕量化和低成本的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：熱塑性復(fù)合材料 復(fù)合材料電池箱體 動力電池 保溫 鋰離子電池

中圖分類號：TQ327.1+1" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240173

Development and Validation of Thermoplastic Composite Material Battery Housing with Integrated Insulation Structure

Wang Zhentao1， Song Zhaopu2， Zhang Zhanjiang1， Cao Yunfei1， Sun Bo1， Tong Zhou1

（1.Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013; 2. Kautex（shanghai）plastic technology Co.， Ltd.， Shanghai 200122）

Abstract： This study first compared the material properties and costs to determine the use of 45% by mass glass fiber （GF） reinforced nylon （PA） . Based on the envelope， electrical performance， and insulation requirements given by the battery system，the structural design scheme of the integrated insulation structure battery housing has been determined. CAE analysis was conducted on this housing with integrated insulation structure. Equal proportion samples of the composite housing were manufactured using LFT-D technology and the insulation structure was integrated. Corresponding CFD analysis and insulation performance testing were carried out; Simulation analysis and sample testing have proven that the mechanical and insulation properties of this housing meet the design specifications， and compared to aluminum alloy housing， the housing also has the advantages of lightweight and low cost.

Key words： Thermoplastic composite materials， Composite battery housing， Power battery， Insulation， Lithium-ion battery

1 前言

低溫環(huán)境下，鋰離子電池的充放電性能會大幅下降，不僅影響車輛的動力性能、充電和能量回收性能，且會對電池造成不可逆的損害[1-2]。研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到或低于-20 ℃時，包括三元體系和磷酸鐵鋰體系在內(nèi)，市面上主流的能量型動力電池都已經(jīng)不允許對電池充電[3]，這極大地限制了動力電池的應(yīng)用環(huán)境。

目前，主流的解決方案為增加動力電池加熱功能，但在駕駛模式下，電池加熱會消耗自身儲存的電能，進(jìn)一步降低整車?yán)m(xù)駛里程。整車低溫測試表明，若提高電池系統(tǒng)的保溫性能，則可減少冬季低溫情況下電池加熱的電耗，提高整車?yán)m(xù)駛里程。

常見的金屬材料動力電池箱體，由于金屬本身導(dǎo)熱系數(shù)較高，且額外鋪設(shè)的保溫結(jié)構(gòu)無法將表面完全包覆，存在漏熱的熱橋，因此，金屬箱體本身的保溫性能較差，即使增加額外的保溫層仍無法滿足保溫需求，且額外的保溫層侵占了電池系統(tǒng)的空間。

目前已有復(fù)合材料電池箱體的制作工藝滿足強(qiáng)度要求[4]，實(shí)現(xiàn)了低成本和輕量化[5-7]，但是并沒有對復(fù)合材料箱體的保溫性能進(jìn)行研究[8]。利用熱塑性復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、可以成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，開發(fā)了LFT-D工藝制造玻璃纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料箱體，并通過計算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering， CAE）分析驗(yàn)證了復(fù)合材料箱體的力學(xué)強(qiáng)度是否滿足技術(shù)要求，同時保證了箱體內(nèi)部集成的保溫結(jié)構(gòu)不侵占電池的布置空間。

2 材料選型

2.1 熱塑性復(fù)合材料選型

不同種類的復(fù)合材料基體如圖1所示。熱固性樹脂基的復(fù)合材料目前幾乎無法回收，因此選用可回收的熱塑性樹脂作為復(fù)合材料基材，并采用玻璃纖維作為填充材料增強(qiáng)材料強(qiáng)度，同時由于玻璃纖維成本遠(yuǎn)低于碳纖維，使本文方案具有足夠的成本優(yōu)勢[9]。

本文選用熱塑性復(fù)合材料的原則如下：

a.能夠保證高玻纖含量下樹脂對玻纖的浸潤質(zhì)量；

b.樹脂材料易得且成本較低；

c.復(fù)合材料強(qiáng)度足夠高，耐溫、耐老化、耐腐蝕能力滿足汽車底盤結(jié)構(gòu)零件的要求。

綜上，選用尼龍（Polyamide，PA）+45%玻璃纖維（Glass Fiber， GF）增強(qiáng)的復(fù)合材料作為主要材料，熱塑性連續(xù)纖維板材（Organo Sheet）作為局部增強(qiáng)材料，完成復(fù)合材料箱體的設(shè)計開發(fā)。

纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料和常見金屬箱體原材料的機(jī)械性能對比如表1所示。

熱塑性復(fù)合材料相比金屬材料，具有較高的比強(qiáng)度。

2.2 保溫材料的選擇

保溫材料的運(yùn)用主要考慮材料的導(dǎo)熱系數(shù)、成本、安全性、柔韌性及是否方便與復(fù)合材料箱體集成等[10]。低導(dǎo)熱系數(shù)的材料可在同等厚度的條件下提高熱阻，從而增強(qiáng)保溫效果。動力電池系統(tǒng)中常見的保溫材料性能對比如表2所示。

考慮到成本及與復(fù)合材料箱體集成的要求，本文采用聚氨酯（Polyurethane，PU）發(fā)泡的硬泡材料作為保溫材料，供應(yīng)商為科思創(chuàng)（Covestro），密度為60 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.025 W/m·K。

3 復(fù)合材料電池系統(tǒng)與箱體方案設(shè)計

復(fù)合材料電池箱體主體材料為PA+45%GF，制造工藝為LFT-D模壓工藝，局部采用熱塑性樹脂+連續(xù)纖維拉擠型材和鋁合金增強(qiáng)，保溫層采用箱體內(nèi)部發(fā)泡的形式集成在模組底部與箱體內(nèi)底面之間的空隙處，在提供保溫性能的同時，分擔(dān)模組的部分質(zhì)量；電池包內(nèi)共容納4個大型模組，每個模組的兩端端部固定在箱體內(nèi)部對應(yīng)的固定點(diǎn)處；箱體內(nèi)部有“十”字形設(shè)計的橫、縱梁，且橫、縱梁通過LFT-D工藝與箱體一次成型，無需后焊接組裝，此種方案降低了復(fù)合材料箱體的工藝成本且提高了復(fù)合材料箱體的強(qiáng)度與剛度。

電池系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2所示。箱體結(jié)構(gòu)方案和部分特征如圖3所示。

3.1 復(fù)合材料電池箱體強(qiáng)度校核

為驗(yàn)證復(fù)合材料電池箱體設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，采用有限元分析工具LS-DYNA和Hyperworks進(jìn)行多種工況下的強(qiáng)度分析校核。系統(tǒng)總質(zhì)量為598.2 kg，仿真網(wǎng)格模型如圖4所示。

仿真模型中部分材料參數(shù)如表3所示，零件質(zhì)量明細(xì)如表4所示。

3.2 仿真分析結(jié)果

3.2.1 模態(tài)

模態(tài)仿真結(jié)果如圖5所示。模態(tài)頻率常規(guī)要求為≥35 Hz（仿真經(jīng)驗(yàn)）。對于整車，Z向模態(tài)最為重要，仿真分析得Z向模態(tài)頻率為43.7 Hz，滿足設(shè)計要求。

3.2.2 隨機(jī)振動

按GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》的規(guī)定，復(fù)材箱體的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果顯示滿足壽命終了時的限定要求。

如圖6所示，上蓋最大形變?yōu)?.74 mm，如圖7所示，最大應(yīng)變?yōu)?.15%，皆為Z向。

如圖8所示，下殼體最大形變?yōu)?.47 mm，如圖9所示，最大應(yīng)變?yōu)?.17%，皆為Z向。

3.2.3 擠壓

如圖10所示，當(dāng)Y向擠壓力達(dá)到100 kN時，箱體擠壓側(cè)沒有接觸到模組，箱體Y向整體變形量為17 mm，滿足要求。

如圖11所示，當(dāng)X方向擠壓力達(dá)到100 kN時，箱體擠壓側(cè)沒有接觸到模組，箱體X方向整體變形量為17 mm，滿足要求。

3.2.4 機(jī)械沖擊

如圖12所示，Z向機(jī)械沖擊工況下，復(fù)合材料下殼體的最大形變?yōu)?.046 mm；復(fù)合材料下殼體最大應(yīng)變?yōu)?%。如圖13所示，復(fù)合材料上蓋的最大形變?yōu)?.254 mm，復(fù)合材料上蓋最大應(yīng)變?yōu)?.6%。上述結(jié)果，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.5 模擬碰撞

模擬碰撞后，X方向下殼體最大形變?yōu)?.326 mm，最大應(yīng)變3.6%，如圖14所示。箱體未開裂，滿足密封要求。

Y方向下殼體最大形變?yōu)?.47 mm，最大應(yīng)變?yōu)?%，如圖15所示，箱體沒有開裂，滿足密封要求。

如表5所示，經(jīng)過各工況的CAE分析，證明熱塑性復(fù)合材料電池箱體的機(jī)械性能滿足所有設(shè)計指標(biāo)要求。

4 集成于復(fù)合材料箱體內(nèi)部的保溫系統(tǒng)設(shè)計

利用熱塑性復(fù)合材料具有成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在箱體內(nèi)部與模組底部支撐結(jié)構(gòu)之間成型凹陷的腔體，在此腔體內(nèi)部利用模內(nèi)發(fā)泡技術(shù)，集成6 mm厚的聚氨酯發(fā)泡保溫層，以減少模組底部向箱體的傳熱。同時，為了進(jìn)一步提高保溫性能，還可采用額外的保溫罩蓋遮蔽模組其他表面，減少模組對電池箱體內(nèi)部自由空氣的對流散熱。帶底部內(nèi)空腔的復(fù)合材料箱體和利用模內(nèi)發(fā)泡技術(shù)填充空腔后的箱體分別如圖16、圖17所示。

4.1 設(shè)計保溫方案

圖18所示為模組保溫方案，其中模組保溫罩材料為3 mm厚氣凝膠。

4.2 集成于復(fù)合材料箱體內(nèi)部的保溫系統(tǒng)性能分析與校核

采用Star-ccm+對保溫方案進(jìn)行靜置降溫過程的模擬分析，考慮到結(jié)構(gòu)對稱性，為縮短計算時間，將物理模型沿對稱面分割，仿真僅計算實(shí)際模型的1/2，在后處理時輸出整包溫度結(jié)果；熱仿真需要的各種材料的熱物性如表6所示，仿真初始條件和邊界條件如表7所示。

計算工況為靜置自然降溫12 h后，觀察電芯的最高和最低溫度。自然降溫12 h后，電芯最高溫度-1.5 ℃、最低溫度為-2.8 ℃，最大溫差為1.3 ℃、電芯平均溫度為-2.15 ℃，滿足系統(tǒng)開發(fā)中自然降溫12 h后最低溫度不低于-5 ℃的要求。

圖19所示為降溫曲線，圖20所示為結(jié)束時刻溫度云圖。

考慮到大型復(fù)合材料箱體的打樣成本過高，無法滿足開發(fā)周期的要求，因此，采用等比例設(shè)計的方法，利用同樣的工藝制造小型箱體進(jìn)行保溫性能的實(shí)際測試和性能摸底，對比不同保溫方案的性能，驗(yàn)證方案如表8所示。

測試方法為：

a.所有方案均需先靜置在（25±1） ℃的溫箱內(nèi)保持24 h，確保所有零件溫度都達(dá)到25 ℃；

b.將電池箱體快速轉(zhuǎn)移到-30 ℃的溫箱內(nèi)，靜置12 h，并記錄降溫過程的數(shù)據(jù)；

c.分析測試數(shù)據(jù)。

圖21所示為降溫曲線，方案3和方案4的保溫性能幾乎相同，且顯著優(yōu)于方案1與方案2；方案1與方案2在測試結(jié)束時，模組的最低溫度已接近于外部環(huán)境溫度（-30 ℃），此時電芯已喪失充電能力，而方案3與方案4幾乎仍能保證電芯的最低溫度在-20 ℃以上，此時電芯仍有一定的充電能力，可在低溫環(huán)境下提高充電速度或動能回收效果。

5 成本和質(zhì)量對比

熱塑性復(fù)合材料箱體（集成保溫功能）的質(zhì)量相比鋁合金箱體減輕12%，成本降低17%，如表9所示。

6 結(jié)束語

本文采用PA+45%GF熱塑性復(fù)合材料，通過CAE仿真分析驗(yàn)證了箱體的機(jī)械性能，通過CFD分析了集成保溫功能后的復(fù)合材料箱體的保溫性能，并采用等比例箱體進(jìn)行了保溫集成工藝和保溫性能的驗(yàn)證，保證了熱塑性復(fù)合材料箱體在工程設(shè)計階段的準(zhǔn)確性，減少了后續(xù)開模打樣后的變更風(fēng)險。

采用熱塑性復(fù)合材料+連續(xù)纖維板增強(qiáng)的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并集成了模內(nèi)發(fā)泡的保溫結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料箱體方案，在滿足保溫性能的同時也滿足了電池箱體的機(jī)械強(qiáng)度要求，相比現(xiàn)有的金屬材料電池箱體+額外敷設(shè)保溫層的設(shè)計，具有輕量化、低成本和碳排放較低的優(yōu)勢。

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