2021年第6期
2021No.6
汽车工艺与材料
Automobile Technology &Material
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）
摘要：阐述某汽车动力电池上盖强度及铺层工艺相关要求，从质量、成本、模态及工艺成型等方面，对动力电池碳纤维上盖结构进行优化设计，利用CAE 等应力分析手段，在保证可靠性的前提下，碳纤维上盖比铁质上盖降重59%，使整车能耗降低，达到节能减排目的，验证其技术可行性，并规范其设计流程。
关键词：碳纤维
电池上盖
降重
中图分类号：U465
文献标识码：B
DOI:10.19710/Jki.1003-8817.20200436
Design &Development of Carbon Fiber Upper Cover Structure of
Power Battery
Zhou Zhanfu,Xu Weihe
（Commercial Vehicle Development Institute,China FAW Jiefang Automobile Co.,Ltd,Changchun 130011）
Abstract ：This paper describes the strength of the upper cover of an automobile power battery and the related requirements of the laying process.The carbon fiber upper structure is optimized in weight,cost,modal and process molding.Through means including CAE analysis,the carbon fiber upper cover is 59%lighter than iron materials under the premise of ensuring reliability,which reduces vehicle energy consumption and emission.Technical feasibility is verified,and its design process is standardized.
Key words:Carbon fiber,Power battery upper cover,Weight reduction
作者简介：周站福（1979—），男，高级工程师，学士学位，研究方向为动力电池结构。参考文献引用格式参考文献引用格式：：
汽车碳纤维周站福，徐伟贺.动力电池碳纤维上盖结构设计开发[J].汽车工艺与材料料,2021（6）：13-17.
ZHOU Z,XU W.Design &Development of Carbon Fiber Upper Cover Structure of Power Battery[J].Automobile Technology &Material ，2021（6）：13-17.
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1500～1600kg/m 3，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。
碳纤维粘胶基抗拉强度/MPa 抗拉模量/GPa 密度/g·cm -3延伸率/%
第6期
汽车工艺与材料通过上述对比分析，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3mm 逐渐过渡到2mm ，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 ≥10mm 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。
图1
碳纤维上盖
图2
加强筋结构分布
图3
螺接结构
图4
端板与碳纤维箱体接合
图5
变厚度过渡结构设计
环氧树脂基
单
层碳纤维
·
·14
视界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（HP-RTM ），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。
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。
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3mm ；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3mm ，其它区域受力较小，采用过渡设计方案，铺层厚度逐渐由3mm 过渡到2mm ，进而降低总成质量，发挥铺层设计优势，见图8。
图6
成型工艺流程
项目保压脱模
材料类型
单项带碳纤维复合材料（90°）斜纹碳纤维复合材料（0°）斜纹碳纤维复合材料（90°）
900675521
855649
泊松比
0.150.060.04
开模取件
开卷
铺层
放入模具
加热和压力
预成型
注塑树脂
树脂固化
图7
动力电池整车布置
动力电池
图8不同厚度区域分布示意
3mm 区域过渡区2mm 区域3mm 区域
周站福等：动力电池碳纤维上盖结构设计开发
·
·15
第6期
汽车工艺与材料
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。
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。
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》，35～40Hz 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。
通过对动力电池PACK 总成一阶约束模态分析，仿真结果≥35～40Hz （目标值），满足设计目标（表7）。模态分布见图10
。
名称P2P3P4P5P6
方向/°450
-4590-45厚度/mm 0.30.30.30.30.3
图9
试验设备
类别
压伸
试验面内剪切层间剪切总厚1.8单层0.3总厚1.8单层0.32总厚3.8单层0.3总厚17
5533
SC2=91.3MPa G12=3.68GPa S12=37.2MPa S13=14.3MPa S23=22MPa
90
±450
90·
·16
视界
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6.27m/s2、
2、4.9m/s2时，振动时间均为12h。
通过对动力电池上盖随机振动分析，最大应力≤650MPa（目标值），满足设计要求（表10）。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。
参考文献：
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频率/Hz
10
15
20
30
65
100
200
0.015
0.001
0.001
0.0001
0.005
0.005
0.00015
0.006
0.00003
定频加速度/m·s
时间/h111
工况最大应力/MPa目标值/MPa 图10模态分布
z
x
y
周站福等：动力电池碳纤维上盖结构设计开发·
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