短切碳纤维增强尼龙复合材料在汽车电池箱的应用，一举拿下！

近年来，新能源汽车产业已经成为国家重点发展的战略性新兴产业之一。降低车身重量能有效提升电动汽车续航里程，而电池包系统的重量一般占电动汽车整车质量的17%～29%,其中箱体是电池包中除电芯外最重的结构。

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背景

随着社会发展，全球汽车发展迅速，世界前十汽车保有量如下。

世界铝业协会报告指出,汽车质量每减少10%,油耗可降低6%~8%。大众汽车公司的研究成果认为,汽车质量每减轻100kg,每百公里可节省燃油0.3~0.5L,每百公里CO2排放可减少8~11g。尽管说法不一,但都表明汽车轻量化对车辆节省燃油有直接影响。

图1  电动汽车轻量化对百公里能耗的影响

电池包作为纯电动汽车的核心部件，其质量（包括电池组）一般约占整车质量的30%～40%。对纯电动汽车而言，整车质量下降10%，可减少5.5%的电能损耗，同时增加5.5%的续驶里程。

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电池包的要求

电池包服役过程中需承受来自地面的各种冲击载荷，箱体结构的强度、刚度及安全性等均会对电池包性能产生影响。包括动态冲击和静态承受力情况。所以要求电池包材料有较好的强度和韧性，有较好的动静态性能。

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应用分析

碳纤维增强尼龙是金属的理想替代品， 由于结合了尼龙的轻质和碳纤维的机械强度和热性能，碳纤维复合尼龙材料的强度与刚度显著提高，其机械强度甚至超过了3D打印的PEEK和PEKK，在汽车工业中从车辆固定架和仪表等内外部组件到发动机壳体均可以替代金属部件。

不同纤维含量的PA66CF力学性能

PA66CF材料应用于电池箱箱体研究，并与传统金属箱体在颠簸路面急停和急转弯工况下进行了对比分析。某款电动公交车用电池箱模型各部件如图所示，电池箱主体为1010 mm×585 mm×285 mm的类长方体结构。在Abaqus中对电池箱上下箱体、电芯与内部支架、下箱体与内部支架、下箱体与托架、上箱体与垫条连接处建立Tie连接，在两块电芯、电芯与箱体、电芯与垫条之间建立surface-surface接触。

电池箱网格模型

颠簸路面急停工况分析

金属、PA66、PA66CF10、PA66CF20和PA66CF30电池箱在颠簸路面急停工况下计算得到的位移云图。金属电池箱最大应力出现在托架螺栓孔位置，PA66电池箱、PA66CF10电池箱、PA66CF20电池箱、PA66CF30电池箱最大应力都出现在托架螺栓孔位置和内部中间支架与电池箱连接位置。PA66电池箱体最大应力为24.5 MPa, PA66CF10电池箱体最大应力为25.9 MPa, PA66CF20电池箱体最大应力为29.5 MPa, PA66CF30电池箱体最大应力为31.7 MPa, 均未超过材料强度。

颠簸路面急停工况电池箱仿真结果

颠簸路面急转弯工况分析

金属、PA66、PA66CF10、PA66CF20和PA66CF30电池箱在颠簸路面急转弯工况计算得到的位移云图如下。金属电池箱最大应力出现在托架螺栓孔位置，PA66电池箱、PA66CF10电池箱、PA66CF20电池箱、PA66CF30电池箱最大应力都出现在托架螺栓孔位置和内部中间支架与电池箱连接位置。

PA66电池箱体最大应力为44.1 MPa, PA66箱体最大应力为23.8 MPa, PA66CF10箱体最大应力为25.6 MPa, PA66CF20箱体最大应力为26.8 MPa, PA66CF30箱体最大应力为29.4 MPa, 均未超过材料强度。

位移方面，基于行业经验提出，电池系统静态分析在Y向3 g加速度工况下，要求最大变形量不超过3 mm, PA66CF各含量电池箱在典型工况下位移均满足要求。

应力方面，PA66电池包系统在箱体减重85.5%的基础上，最大应力增加了26.6%和26.4%,箱体最大应力减小了54.8%和46.0%

颠簸路面急转弯工况电池箱仿真结果如图

综上所述，和金属箱体相比，PA66CF材料箱体质量减轻84%的同时，在颠簸路面急停和急转弯工况下，箱体最大应力减小了30%～50%;同时在上述工况下，碳纤维含量的增加能显著减小箱体最大位移，对系统最大应力和箱体最大应力影响较小，随着碳纤维含量的增加，PA66CF电池箱箱体最大位移和系统最大应力逐渐减小，箱体最大应力逐渐增大。

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总结

不同纤维含量的PA66CF力学性能，结果材料性能都在实验条件下的承受极限之上。

和金属箱体相比，PA66CF材料箱体质量减轻84%的同时，在颠簸路面急停和急转弯工况下，箱体最大应力减小了30%～50%。

在颠簸路面急停和急转弯工况下，碳纤维含量的增加能显著减小箱体最大位移，对系统最大应力和箱体最大应力影响较小。

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