摘 要

本文设计了以碳纤维复合材料为主要材料的新能源汽车电池箱，相对于传统的电池箱，本次设计引入了碳纤维这种轻质高强的材料，将使得箱体的整体整体质量减轻很多，而且强度也会得到极大的加强。然后对比了碳纤维复合材料的电池箱和传统电池箱的各种特点，分析得出碳纤维复合材料电池箱的更细节的优点和一些不足之处。

首先本文做出了用碳纤维复合材料代替传统的金属材料来设计碳纤维复合材料的工作，并测试在运用碳纤维材料的情况下其能否符合一些性能要求以及相对传统材料其具体有哪些情况下的加强。

研究表明碳纤维复合材料最大的优点是极大的减轻了整个箱体的质量，选用的T300碳纤维复合材料其密度只有1.56，为铝的密度2.7的57.7%，钢的密度7.85的19.8%，同体积的情况下可以减轻很多自重且一些地方用较少的材料也可以达到使用更多的金属材料的效果。

本文的特色在于运用了新材料去设计一个较为新兴的零件，电动车新能源在近几年快速发展，其因动力源与传统汽车有非常大的差别，所以一些零件也会完全不一样，设计方向和内容差别较大，电池箱代替传统油箱成为新能源汽车的储能部件。本次的设计会提出一些有关电池箱的设计内容且会运用碳纤维复合材料这种新材料。

关键词：碳纤维复合材料；电池箱

Abstract

This paper designed a new energy car battery box with carbon fiber composite material as the main material. Compared with the traditional battery box, this design introduced carbon fiber as a lightweight and high-strength material, which will reduce the overall quality of the whole body a lot, and the strength will be greatly strengthened. Then the characteristics of the carbon fiber composite battery box and the traditional battery box are compared, and the more detailed advantages and some shortcomings of the carbon fiber composite battery box are analyzed.

In this paper, carbon fiber composites are used to design carbon fiber composites instead of traditional metal materials. In the case of carbon fiber materials, it is tested whether they can meet some performance requirements and the specific conditions of the traditional materials.

Research shows that the greatest advantage of carbon fiber composites is that the mass of the whole box is greatly reduced. The density of T300 carbon fiber composites is only 1.56, g/cm³, the density of aluminum 2.7, g/cm³ 57.7%, and the density of steel 7.85, g/cm³ 19.8%, which can reduce a lot of weight and some ground in the same volume. With less material, the use of more metal materials can also be achieved.

The feature of this paper is to use new materials to design a new part. The new energy of electric vehicles has developed rapidly in recent years. Because the power source is very different from the traditional car, some parts will be completely different, the design direction and content differ greatly. The battery box is a new energy source instead of the traditional tank. A car's energy storage component. This design will provide some information about the design of battery box and will use carbon fiber composite material.

Key Words：Carbon fiber composites；Battery box

目录

1绪论 1

2电池箱的要求及材料的选择 2

2.1电池箱 2

2.1.1电池箱的相关要求 2

2.1.2电池箱内部电池和控制系统的选型 3

2.2碳纤维 3

2.2.1碳纤维简介 4

2.2.2碳纤维的应用 4

2.2.3碳纤维材料的选用 5

2.3碳纤维电池箱的优势 5

2.4章小结 6

3碳纤维电池箱的结构设计 7

3.1总体设计 7

3.2直接接触电池的箱体（内箱体）的设计 7

3.3外壳箱体（外箱体）的设计 8

3.4冷却管路的设计 9

3.5内外箱体箱体盖的设计 10

3.6标准紧固件的选型 10

3.7碳纤维零件的工艺性 10

3.8本章小结 11

4 Ansys Workbench仿真分析 12

4.1 Ansys简介 12

4.2 模型处理 12

4.3 模态分析 12

4.3.1模态分析简介 12

4.3.2模态分析模拟 13

4.4谐响应分析 15

4.4.1谐响应分析简介 15

4.4.2谐响应分析模拟 16

4.5静力分析 17

4.5.1静力分析简介 17

4.5.1静力分析模拟 17

参考文献 19

致谢 20

1绪论

进入新世纪以来，人们愈发意识到了化石燃料过量的运用会给地球的生态环境带来巨大的影响，将经过上千万年乃至上亿年所积累下来的碳在短短百年的时间内迅速释放，这一行为会对地球的碳循环造成极大的影响，而这一平衡的打破会带来一系列的环境生态问题，温室效应就是其中一例。而且不光是打破碳平衡，化石燃料中含有的硫元素、氮元素在其燃烧后生成的硫氮氧化物也是一种大气污染物。汽车消耗的化石燃料在人类消耗的化石燃料中占比很大，如果将这一部分化石燃料换成清洁能源将会对环保有很大的帮助，所以找到一种与环境更加友好的能源就变得及其重要了。

电能因其方便传输，易于转化，可以有清洁的来源，技术发展成熟可靠而被视为替代的首选。但因为电池容量、充电速度、基础设施建设等问题尚不能完全取代使用化石燃料的车，故其依旧处于发展阶段。近些年来各大公司也开始加大新能源汽车的研发力度，取得了令人瞩目和欣喜的成果，特斯拉Model S型号汽车的电池容量达到了85KWh，续航里程可以达到426Km，而且电池的质保期可达8年且不限里程。^[1]国内的BYD公司的王朝系列也推出了像“元”这样续航能力达到360km的纯电动汽车。中国政府部门也开始鼓励人们购买新能源汽车，给出了很多的优惠政策，同时也开始慢慢限制化石燃料的使用。这些技术的发展，政策的支持，都极大的促进了新能源汽车的发展。

因为新能源汽车的迅速发展，同样带动其相关配件一同进行发展，本文需要进行设计的电池箱也是其中之一。电池箱的发展和新能源汽车的发展息息相关，其可以说是电动车的专用零件，需要依靠电动车的具体工况才可以设计出完整的、实用性高的电池箱，其设计细节极度依靠汽车所预留的空间、所容纳的电池的种类、车辆在工作时所产生的一些振动参数等数据，不同的车型所拥有的设计情况是完全不同的。在查找资料后我发现相关行业标准尚未完善，这无疑给设计带来了一定的难度。电池箱的本质上来说就是安放电池的箱体，最主要的功能就是保护电池和固定电池，同时也起到保护容纳外部设备和电池通讯的设施的作用。本次毕业设计的最终目的也是如此，预期可以探索一下新材料如何运用在新零件上，以及如何将一个新兴的零件给做好。

2电池箱的要求及材料的选择

这一章节主要介绍电池箱的一些相关标准和碳纤维如何选型，以及使用碳纤维为材料的电池箱电池箱相对传统材料电池箱的优点与缺点。

2.1电池箱

这一章将从电池箱标准，电池箱内电池和控制系统的选型两个方面来分析。

2.1.1电池箱的相关要求

搜索到的相关国家推荐标准为《GB∕T 33341-2016电动汽车快换电池箱架通用技术要求》和《GB/T 34013-2017电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》。有一些相关零件的国家推荐标准但与之完全对应的相关标准并未找到。在《GB/T 34013-2017电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》的附录A中有蓄电池标准箱的规格尺寸，其列出了蓄电池标准箱的外形尺寸推荐标准。标准如下图。

表1 蓄电池标准箱的外形尺寸推荐标准

这里给出的标准为推荐标准，但因为要和实际的电池、控制系统的尺寸相匹配，所以并没有使用这里所给出的推荐尺寸。

《GB∕T 33341-2016电动汽车快换电池箱架通用技术要求》中给出了电池箱架的使用环境应该符合的条件，条件如下：①环境温度：－20℃~＋50℃；②相对湿度：日平均最大为95%，月平均最大为90%，且表面无凝露现象；③海拔高度：不大于2000m；④电池箱架附近不应有爆炸危险的介质和腐蚀金属、破坏绝缘的气体或其他导电介质。电池箱架给出的定义是用于快换电池箱充电和存放的机械承载装置及其附属部件，因此其环境条件具有一定的参考价值。

2.1.2电池箱内部电池和控制系统的选型

在一开始的设计是仿照特斯拉公司使用18650型锂电池来作为电池组的电芯，使用这种由一个一个小型圆柱形锂电池组成的电池系统的优点如下。^[2]①18650电芯的生产量很大，全球每年大概要生产数十亿个这样的电芯，可以一定程度上的降低成本，且更换电芯的话会变得更加方便。②因为电池包是一个一个的尺寸较小的18650锂电池电芯组成的，所以能量可以进行更小范围的控制，与使用大尺寸电芯的电池相比即使某一个单独的电芯损坏了也不会对整体的系统造成很大的影响。③18650单独的小电芯使得其电池表面积大大增加，使其在散热方面相对于使用大尺寸电芯的电池有着极大的优势。

但是因为特斯拉不是国内的公司且技术细节相对独立，参考性和在国内的适用性并不大，所以最后并没有选择这种电池方案。

最后选择的是东莞市矩大电子有限公司生产的24V 35Ah 磷酸铁锂电池。在查阅一些数据之后可以得出乘用车车载蓄电池的容量在15kWh~85kWh之间，比如特斯拉Model S的电池容量为85kWh，续航里程达到426Km；比亚迪e6电池容量60kWh，续航里程有300Km；雪佛兰沃蓝达Volt电池容量16kWh，续航里程约62Km。如果将上述选择的电池10个串联在一起，可以得到8.4kWh的电量和240V的输出电压，电量勉强可以达到乘用车蓄电池的量级，输出电压可以达到240V，这个电压的量级是足够的。厂家给出的电池外观大小为342×203×55mm，342mm作为组装电池的宽，205mm作为高，10个电池组合在一起长为550mm，最后可以得到一个342×203×550mm大小的电池包，可以用来确定直接安装电池的箱体的内部大小。

控制系统是连接电池和汽车的重要纽带，是不可或缺的一部分。其主要功能如下：电池物理参数实时监测；电池状态估计；在线诊断与预警；充、放电与预充控制；均衡管理和热管理等。

控制系统的选型比较困难，因为控制系统为比较核心的技术，其中的技术细节很难去收集到，而且这一块也并非本次设计的重点。所以在控制系统的选择上我只需要知道这个控制系统是否已经运用到一些车型上并起到就可以了，如果该系统已经有了应用实例，且可以知道其外形尺寸和其质量，那么就可以选用相应的控制系统。本次选型是在咨询了相关行业的从业者后了节到了一款由世博提供的运用在蔚来汽车上的一套控制系统，系统外观尺寸为175×110×40mm，重0.5Kg。

2.2碳纤维

这一章主要写的是碳纤维的简介、现阶段的使用状况，以及本次设计中选用的碳纤维的种类。

2.2.1碳纤维简介

碳纤维在最初并不是当成一种高性能的增强纤维材料而被发明的，而是想将其用作灯泡的灯丝。在1910年库里奇发明拉钨丝法之后，钨丝代替碳丝作为灯丝，从此碳丝的研制销声匿迹，暂时退出了历史舞台。

20世纪50年代的时候，因为美国航空航天工业的大力发展，美国开始急需一种新型的结构材料和耐烧腐材料，直到这时碳纤维才再次进入历史舞台，并慢慢形成了胶黏基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维（PAN）和沥青基碳纤维三大原料路线。其中胶黏基碳纤维主要用作耐烧蚀材料和隔热材料，后两者才用做增强纤维材料，也就是我们比较熟悉的“碳纤维”。其中聚丙烯腈基碳纤维（PAN）使用量生产量最高，发展时间发展性能最好，是最为主流的碳纤维产品。^[3][4]

当今世界上最大的碳纤维生产研发公司是日本的东丽公司，其生产出的碳纤维无论是质量还是数量都是世界之首，其高性能碳纤维年产量占全世界年产量的35.2%为世界第一，其中其公司生产的T1000系类碳纤维是目前拉伸强度最高，断裂生产最大的碳纤维。其公司早年研发生产的T300型碳纤维拉伸强度可达3.53Gpa，产量可达千吨每年，是现在现在最常见的通用级碳纤维（其地位正在慢慢被该公司的新一代更强劲碳纤维T700取代）。

我国的pan基碳纤维研制始于上个世纪六十年代中期，相对于国外并不算太晚，并在上世纪七十年代初期在实验室突破了连续化工艺，并在几年后在中国科学院山西煤炭化学研究所的带领下开始设计了我国第一条碳纤维生产线并在两年之后建成。

pan基碳纤维的生产是需要原丝聚丙烯腈基纤维的，原丝的质量的好坏直接决定着生产出来的pan基碳纤维的好坏，可以说达到了没有好的原丝就不可能有好的碳纤维的地步。而这也是就算我国已经研发了四十多年碳纤维生产的碳纤维和国外依旧还有很大差距的原因。所以说我国只有生产出了好的原丝才能批量生产出好的碳纤维。

2.2.2碳纤维的应用

碳纤维作为一种高强轻质的加强材料几乎可以运用在所有需要加强结构强度并减轻结构质量的地方。现今主要的应用领域为航空航天工业，汽车工业和文体用品中的网球拍高尔夫球杆。

2.2.3碳纤维材料的选用

碳纤维材料很少直接使用，一般是做成复合材料或进行深加工制成中间产物进行使用，本次设计中所使用到的就是碳纤维增强树脂基复合材料。复合材料顾名思义是指两种或两种以上的独立组分材料经过工艺加工得到一种多组分材料。在本次设计中使用的就是树脂和碳纤维复合的复合材料。

从碳纤维的名字中我们就可以很简单的得知碳纤维是一种各向异性的材料，其各种优良的性质都是在其纤维方向上的，在非纤维方向上其性能就会差很多。所以在复合材料中碳纤维纤维方向不能只是一个方向，每个方向都得有一些，如果在一个方向受到强载荷那么在这个方向就可以多排一些纤维以增强这个方向上的强度。所以需要好好考虑如何进行叠层，毕竟叠层方式对碳纤维这种各向异性的材料有很大的影响。

在本次设计中更希望获得各项同性的材料，所以叠层方式将会选用0°、90°、±45°、－45°、＋45°、90°、0°的叠层方向进行排列，这样可以可以得到近似各项同性的材料。

本次设计的工况并不是太恶劣，不需要性能非常优异的材料，所以为了降低成本提高经济效益，在这里选用通用级碳纤维材料T300来作为增强碳纤维材料。其和树脂混合后的基本性能如下表。

表2 T300碳纤维复合材料力学性能

选择好碳纤维之后，只需要在接下来的的验证环节使用相应的参数就可以了。

2.3碳纤维电池箱的优势

碳纤维电池箱最大的优势就是高强轻质，其耐疲劳，阻尼特性也很好。在静态下碳纤维增强复合材料循环次、承受90%的极限应力时才会被破坏，而钢材只能承受极限强度的50%左右。^[3]碳纤维比模量高，制成的碳纤维增强复合材料的自振频率也很高，可以较为有效的避免共振现象；而且增强纤维和基体树脂的界面层也有吸收振动的功能，因为基体树脂具有粘弹性，在振动时粘弹性和因界面脱胶和裂纹而产生的摩擦力使得震动能快速转化为热能而起到吸振的作用。其巨大的界面面积更是加大这一作用。碳纤维复合材料的密度是传统钢材的19.8%，而强度可以达到3倍以上。如果汽车一半的零部件都用碳纤维进行替代，汽车的整体质量就会极大的减小，同时强度也会得到很大的提升。

但凡是都有两面性，碳纤维造价高昂且年产量远低于钢铝合金等材料。有些高性能碳纤维如T1000更是对中国有着及其严格的出口管制。而且碳纤维复合材料的加工也和传统的金属材料不一样，一是加工效率问题，相对传统的金属加工，其发展时间不长，制造的重点还是在质量上而非效率上；二是其加工方法上，因为是纤维材料和树脂材料，其加工特性和传统的金属材料完全不一样，设计思路不一样，需要的设备完全不一样，需要的技术工人也会有很大的不同。所使用的加工设备和金属加工并不互通。这样的话前期投入会较大且技术路线也会相对传统的金属加工有较大变化，想要转型的话需要企业进行较长时间的准备，这对生产企业是一个较大的挑战。

2.4章小结

本章主要介绍了电池箱的一些相关要求，对所要安装的电池以及电池箱内部的控制系统进行了选择，简单介绍了一下碳纤维的性质以及对本次设计要用哪一种碳纤维复合材料进行了选型，在接下来的设计工作中会运用到这一章中所选择的各种东西的参数。这一章的选型就是为接下来的设计工作做准备。

3碳纤维电池箱的结构设计

3.1总体设计

首先我的设计方案是设计出内外两个箱体，内箱体直接包裹电池包，对电池包进行一个直接的保护；外箱体起到一个对内的保护作用，同时将内部的空间和外部的空间隔离开。每个箱体都用盖子盖上，进一步隔绝内外环境，保证内部不会受到外界环境的影响。然后因为电池在工作的时候会产生热量所以会需要设计一个冷却系统。控制系统准备放置在电池包的前端，并且因其需要和外部进行通讯及能量的输出输入，所以在大电池箱的箱体前端设计一个专门的接线盒，保证箱内的电池和外部的能量信息交换不会因为线路的布置而出现问题。接下来是各各部件的设计

3.2直接接触电池的箱体（内箱体）的设计

为了节约成本方便加工，这个内箱体的主体将用铝合金制造。在上一章中我将10个24V 35Ah 磷酸铁锂电池串联在一起得到一个342×203×550mm大小的电池包，为了良好的固定和包裹电池，该箱体的内部大小和该电池包的大小相同，为了给线路预留相应的空间，设计电池箱的高度为250mm。又因为箱体中装着最关键的部分电池，所以希望可以设计一种缓冲装置来进一步的保护电池。在查阅相关资料后决定以单层箱壁内部带缓冲材料的形式来设计箱体的主体结构。该结构的特点如下图所示。

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