碳纤维复合材料动力电池箱体挤压性能研究

2021-03-24 14:08

1 引 言

据统计,电动汽车车重降低10%,其续驶里程可增加5.5%。动力电池的轻量化,可以提高动力电池能量密度,对改善电动汽车的动力性能及续航里程有着至关重要的作用。

现阶段提升电池能量密度的可行方法包括削减对电量储能无贡献的电池系统配件、线束、系统附件等重量,或者可以结合动力电池的设计选用当下的先进材料,如碳纤维复合材料。

尽管碳纤维复合材料应用于整车会使得车辆的成本大大提高,但若小部分应用于动力电池上,则在一定程度上可降低电动汽车的整车重量,提高续驶里程,成本也不会提高太多。

电池箱体是新能源汽车动力电池的承载件,一般安装在车体下部,主要用于保护锂电池在受到外界碰撞、挤压时不会损坏。传统的车用电池箱体采用钢材、铝合金等材料铸造,然后对表面进行防腐蚀性喷涂处理。碳纤维材料具有优良的耐蚀性和阻燃性,便于在动力电池碳纤维材料箱体上应用。

本文采用有限元软件LS-DYNA,建立动力电池箱体有限元模型及碳纤维复合材料、铺层设置及厚度积分定义,对其准静态挤压过程进行模拟仿真,分析碳纤维环氧树脂复合材料挤压力学性能及碳纤维复合材料铺层角度对结构性能的影响。最后通过对比试验测试数据与有限元仿真分析结果,验证材料模型及有限元模型的准确性。

2 数值模拟实现方法

2.1 碳纤维箱体材料及铺层参数





金属电池箱外形如图1 所示, 外轮廓长1230mm,宽1100mm,高120mm,箱体质量为35kg。用碳纤维复合材料替代钣金材料电池包箱体,结构采用蜂窝铝夹芯结构承载,其中面板采用T700 碳纤维环氧树脂,芯层采用正六边形铝蜂窝,如图2、图3 所示。该碳纤维环氧树脂复合材料动力电池箱体的质量约为8.5kg,相对于传统的钢材或者铝合金电池箱体能减重50%以上。


碳纤维环氧树脂T700 单层板材料性能参数见表1。其树脂体积含量占比37.06%,纤维体积含量占比52.18%。芯层材料性能参数见表2。蜂窝铝材料力学测试三个方向的应力-应变曲线见图4,其中aa、bb、cc 分别为材料坐标系下对应的法向、横向、纵向三个方向。





碳纤维复合材料箱体结构由底板、侧板、加强筋三部分构成,如图5 所示。其中碳纤维环氧树脂复合材料涉及材料铺层,在碳纤维铺层设置中的铺层角度方面与实际的工艺状态保持一致。

夹层结构的碳纤维复合材料面板在LS-DYNA材料卡片采用MAT54 号材料Shell 单元类型定义,复合材料卡片关键字为*Mat_Enhanced_Composite_Damage,其中需要在卡片里根据材料力学试验工况设置材料力学矢量方向,卡片参数参照表1 进行设置。MAT54 号材料采用Chang-Chang 准则来判定铺第2 期 洪求才,等:碳纤维复合材料动力电池箱体挤压性能研究 903层的失效行为,当材料超出弹性变形进入塑性变形阶段时,其失效行为如下。

1)纤维拉伸行为模式(σ aa>0 )

2)纤维压缩行为模式(σ aa<0)

3)基体拉伸行为模式(σ bb>0)

4)基体压缩行为模式(σ bb<0)

基体压缩失效后,Vab=Vba=0→Gab=0。

式中:a为纤维方向;b 为垂直于纤维方向;c 为厚度方向;β为纤维拉伸模式下剪切项的加权因子;σ aa为纤维断裂应力;σ bb为基体开裂应力;e2f、e2c、e2m、e2d为各自对应模式下的失效判据。夹层结构的正六边形蜂窝铝芯层采用MAT126号材料SOLID单元定义,材料卡片关键字为*Mat_Modified_Honeycomb,卡片参数参照表2 设置。

2.2 碳纤维材料特性仿真与试验对标



试验采用手动楔形夹具进行试样装夹;采用GBT 1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》规定的Ⅱ型试样形式尺寸,试件铺层角度为[90°,0°,90°,0°],共四层,厚度为0.8mm;试验加载速度为5mm/min,直至试件破坏,如图6 所示。对材料力学特性应用仿真分析,并与试验结果对比,对时间步长、单元积分形式等参数进行多轮迭代修正,选择更为稳健的数值分析拟合试验与仿真结果。通过仿真与试验结果对比曲线可知,仿真与试验的一致性能得到了较好拟合。基于现有的材料参数及试验结果综合评估,可以进一步应用后续工程开发动力电池箱体性能开发。

2.3 碳纤维材料动力电池箱体有限元模型设置及仿真分析结果

根据GB/T 31467.3-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3 部分:安全性要求与测试方法》要求,用半径为75mm 的半圆柱(半圆柱体的长度大于测试对象的高度,但不超过1m)沿着汽车行驶方向x 轴和垂直汽车行驶方向的y 轴挤压电池包。基于LS-DYNA 有限元方法模拟挤压工况(本文以挤压x 向进行阐述)。以最大挤压力、平均挤压力、内能、比吸能性能指标评判电池包系统的安全性能。最大压溃力Fmax 为挤压过程中挤压力的峰值,平均作用力Fmean 为整个挤压历程中的平均挤压力,内能Einternal 则由压溃力F 与压溃距离s 曲线对应的积分面积得出。比吸能Es 为结构在挤压破坏长度范围内单位质量所吸收的内能。


式中:ρ为材料密度;E 为内能;F 为压溃力载荷;A 为结构横截面积;m 为结构质量;s 为压溃距离。


碳纤维复合材料箱体电池包系统挤压工况有限元模型(本文以x 向挤压工况阐述),有限元模型碳纤维复合材料采用三角形壳单元、夹芯层SOLID单元模拟,节点数量为609530 个,单元数量为1021080 个,箱体结构件之间采用节点耦合。电池模组及BMS 系统、热管理、线束及集成盖板等附件重量采用集中质量点,根据质量分布形式通过REB2 单元与箱体螺栓孔位置连接。整个有限元仿真模型由电池包系统、刚性墙、地面及挤压刚性半圆柱组成,如图7 所示。刚性半圆柱材料MAT20仅释放x 向材料流动,其他方向自由度约束,按照恒定速度施加强迫位移, 加载卡片关键字*Boundary_Prescribed_Motion_Rigid。刚性半圆柱与箱体接触卡片定义节点与面接触, 即*Contact_Automatic_Nodes_to_Surface。由于箱体与刚体材料刚度差异较大,设置SOFT=1 保证合理的接触刚度计算节点不穿透刚性半圆柱。为了增加计算模型仿真精度及响应的稳定性,控制卡片中*Control_Shell ISTUPD=0,*Control_Bulk_ViscosityTYPE=-2 及*Control_Accuracy INN=2 进行设置,其中ISTUPD 提升壳单元收敛及计算稳定性;TYPE 应用黏性壳单元能量稳定;INN 应用于壳及厚壳单元。

碳纤维复合材料属性卡片定义*Section_Shell,正交各向异性复合材料分层ICOMP=1 设置铺层角度,通过IRID 关联Shell 单元厚度方向自定义积分形式*Integration_Shell,示例如下。




其中:NIP 为厚度方向积分点数量;S 为积分点范围[-1,1];WF 为单元厚度方向划分积分点重量系数,即WF=△ t / t ,t为积分点总厚度。WF加权等于1,如图8 所示。




以箱体底板夹芯上下面板碳纤维铺层角度共6 个铺层为例,如图9 所示,铺层角度示意分别为[0°,-60°,0°,-60°,0°,-60°]、[0°,-30°,0°,-30°,0°,-30°]、[0°,30°,0°,30°,0°,30°]、[0°,60°,0°,60°,0°,60°]、[0°,90°,0°,90°,0°,90°]。铺层角度仿真结果统计表如表3 所示,[0°,-60°,0°,-60°,0°,-60°]铺层挤压峰值力最大值为121.59kN,但[0°,60°,0°,60°,0°,60°]铺层平均挤压力最大值为48.2kN,对应的内能(Einternal=289.9kJ)与比吸能(Es=30.35kJ·kg-1)也最大。不同纤维铺层角度挤压力曲线对比与内能对比曲线分别如图10、图11 所示。由图12 挤压力曲线图可知,[0°,90°,0°,90°,0°,90°]铺层对应的挤压力曲线出现“W”型波动,主要原因在于挤压过程中局部出现压溃失效现象,导致挤压力不能维持上升通道,在结构开发中尽可能要避免这种现象。一般地,挤压力峰值和平均挤压力越大表明结构抗破坏性能越好,内能和比吸能越大表明结构吸能或者压溃性能越好,在结构抗压溃性能评价时要综合考虑。



3 结 论

本文分析了碳纤维复合材料不同铺层角度对挤压工况下结构性能的影响,得出结论如下。

1)在x 向动力电池包挤压工况下,[0°,-60°,0°,-60°,0°,-60°]铺层挤压力峰值最大,Fmax=121.59kN。

2)从平均挤压力Fmean、内能Einternal、比吸能Es来看,[0°,60°,0°,60°,0°,60°]铺层角度挤压性能最佳,并且最大挤压力Fmax=110.59kN满足GB/T 31467.3-2015 标准中挤压力大于100kN要求。

3)[0°,90°,0°,90°,0°,90°]铺层挤压力波形出现“W”型波动,在结构开发中应避免这种形式。综合评估[0°,60°,0°,60°,0°,60°]铺层角度在x 向挤压性能满足设计要求。同样需在动力电池y 向挤压工况下研究碳纤维铺层角度对结构性能影响,全面评估电池包x 向和y 向挤压综合力学性能,满足电池包最佳的挤压性能碳纤维铺层角度。

采用LS-DYNA 仿真方法能够对复合材料结构在挤压工况下的载荷峰值、平均载荷、吸能效能等进行数值模拟,可以达到减少试验次数、缩短开发周期和节约开发成本等目的。碳纤维复合材料仿真与试验拟合曲线一致性较好,可以有效利用仿真技术进行工程应用。