基于VRB/OW-GFRP混合结构的CTB电池包上盖总成轻量化设计研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.02.011

摘要/Abstract

摘要：

电池车身一体化（CTB）是提升电动汽车续航里程的关键技术。利用胶接工艺将变厚度（VRB）结构与正交编织玻璃纤维增强复合材料（OW-GFRP）粘接形成的VRB/OW-GFRP混合结构，是降低CTB电池包质量的创新结构，有助于进一步提升电动汽车的续航里程。以某款电动汽车为研究对象，设计了一种CTB电池车身一体化结构，实现了电池包上盖与车身地板的集成融合。分别采用VRB结构、UT/OW-GFRP及VRB/OW-GFRP混合结构替代等厚度（UT）CTB电池包上盖总成，并基于多阶段优化方法开展了3种类型CTB电池包上盖总成的轻量化设计。结果表明，在满足CTB电池包刚度性能前提下，VRB结构相比UT结构实现减质量6.4%；基于VRB/OW-GFRP混合结构的CTB电池包上盖总成轻量化效果约为金属结构的3倍，VRB/OW-GFRP相比UT/OW-GFRP混合电池包上盖总成进一步减质量4.2%。由此可见，VRB/OW-GFRP混合结构是未来汽车轻量化技术发展的重要趋势，在CTB电池包上盖总成中具有巨大的应用前景。

关键词: 变厚度/正交编织玻璃纤维增强复合材料, 混合结构, 电池车身一体化, 电池包, 轻量化

Abstract:

Cell to body （CTB） is a key technology to improve the endurance mileage of electric vehicles. The VRB/OW-GFRP hybrid structure formed by the variable-thickness rolled blanks （VRB） structure and the orthotropic woven GFRP （OW-GFRP） through the bonding process is an innovative structure， which can reduce the weight of the CTB battery pack， thus improve the endurance mileage of electric vehicles. Taking an electric vehicle as the research object， a CTB battery body integrated structure is designed to realize the integration of the upper cover of the battery pack and the floor of car body. Furthermore， the cover assembly of the uniform thickness （UT） CTB battery pack are replaced by the VRB structure， UT/OW-GFRP and VRB/OW-GFRP hybrid structure. The lightweight design of the upper cover assembly of the three types of CTB battery pack are carried out based on the multi-stage optimization method. The results show that the weight of VRB structure is reduced by 6.4% compared with that of UT structure when the stiffness performance of the CTB battery pack is met. The lightweight level of the upper cover assembly of the CTB battery pack based on the VRB/OW-GFRP hybrid structure is about three times that of the metal structure， with the weight of the VRB/OW-GFRP reduced further by 4.2% compared with that of the UT/OW-GFRP hybrid battery pack upper cover assembly. Thus， the VRB/OW-GFRP hybrid structure is the inevitable trend of the development of automotive lightweight technology in the future， showing a great application prospect in CTB battery pack cover assembly.

Key words: VRB/OW-GFRP, hybrid structure, CTB, battery pack, lightweight

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参考文献 11

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部件名称	材料	密度/ （g·cm^-3）	弹性模量E/ GPa	泊松比
座椅横梁、边框等	高强钢	7.85	210	0.3
液冷板	铝合金	2.7	70	0.3
灌封胶	环氧树脂	1.2	2.3	0.4
电芯	镍钴锰	2.7	63	0.33

零件	变量类型	符号	下限/mm	上限/mm	初始值/mm
VRB上盖	厚度变量	t₁~t₃₇	0.9	1.8	1.2
VRB座椅横梁	厚度变量	t₃₈~t₆₅	0.9	1.8	1.4

零件	组分	变量类型	符号	下限/mm	上限/mm	初始值/mm
UT/OW-GFRP 混合上盖	UT	厚度变量	t₆₆	0.9	1.8	1.2
	OW-GFRP	厚度变量	t₆₇~t₇₁	0.05	0.2	0.15
	OW-GFRP	顺序变量	s₁~s₅
UT/OW-GFRP 混合座椅横梁	UT	厚度变量	t₇₂	0.9	1.8	1.2
	OW-GFRP	厚度变量	t₇₃~t₇₇	0.05	0.2	0.15
	OW-GFRP	顺序变量	s₆~s₁₀

零件	组分	变量类型	符号	下限/mm	上限/mm	初始值/mm
VRB/OW-GFRP 混合上盖	VRB	厚度变量	t₁~t₃₇	0.9	1.8	1.2
	OW-GFRP	厚度变量	t₆₇~t₇₁	0.05	0.2	0.15
	OW-GFRP	顺序变量	s₁~s₅
VRB/OW-GFRP 混合座椅横梁	VRB	厚度变量	t₃₈~t₆₅	0.9	1.8	1.2
	OW-GFRP	厚度变量	t₇₃~t₇₇	0.05	0.2	0.15
	OW-GFRP	顺序变量	s₆~s₁₀

输出响应	初始值
质量M/kg	45.6
弯曲刚度K_b/（N·m^-1）	7 410
扭转刚度K_t/（N·m·（°）^-1）	6 560