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由于電池是電動(dòng)汽車的核心關(guān)鍵部件，電動(dòng)汽車研究工作者已經(jīng)把注意力集中在電動(dòng)車的電池，并且尋找理想的材料來保護(hù)電池。而鋼鐵是批量生產(chǎn)中最經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的電池外殼材料。
電池殼體如何起到保護(hù)作用和電池外殼必須滿足的條件是什么？
電池殼體是電動(dòng)車的必要組成部分，容納高壓電池、電子元件、傳感器和連接器，幫助保護(hù)車輛的整體結(jié)構(gòu)和安全，使關(guān)鍵部件免受潛在的外力沖擊、受熱和滲水的影響。
純電動(dòng)車的電池殼體都比較大，一般長有兩米左右，寬一米四左右。這么大的產(chǎn)品要保證防水氣密性在技術(shù)上是非常有挑戰(zhàn)的。
一方面在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝上國內(nèi)有的公司采用可以防漏的各種技術(shù)，另一方面每一個(gè)電池盒產(chǎn)品下線前都要通過嚴(yán)格的氣密性檢測。
同時(shí)，電池外殼的主要任務(wù)是保護(hù)電池模塊。它們是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)元件之間的接口，因此是電動(dòng)汽車中最重要的組件之一。
為了確保有效的保護(hù)，它必須足夠穩(wěn)定，以在發(fā)生事故時(shí)保護(hù)電池模塊不受損壞。內(nèi)置的冷卻系統(tǒng)還可以防止電池模塊過熱。最后，盡管受到環(huán)境影響，電池外殼必須具有極強(qiáng)的抗腐蝕能力，才能保護(hù)電池可以正常使用多年。
值得一提的是：由于電動(dòng)汽車充電過程時(shí)間較短，電流強(qiáng)度大，使用頻率高，所以在保證良好的絕緣性同時(shí)還要求電池外殼材料具有一定的耐高溫、耐老化性能，并且在燃燒時(shí)具有無鹵阻燃和低煙密度。
熱塑與增強(qiáng)塑料材質(zhì)在電動(dòng)汽車電池外殼盒子上的制造過程和價(jià)值體現(xiàn)分析
相較于金屬組件，大面積全塑料外殼既能夠縮短循環(huán)時(shí)間，還有助于減輕車輛重量，從而可以使電動(dòng)汽車（EVs）的續(xù)航里程增加。
朗盛（Lanxess）和考泰斯·德事隆集團(tuán)（Kautex Textron）花了幾年時(shí)間合作研究電動(dòng)汽車的電池外殼是否可以由工程熱塑性塑料設(shè)計(jì)和制造。
使用直接長纖維熱塑性塑料(D-LFT)和聚酰胺6 (PA6)樹脂，他們在可行性研究中開發(fā)了一種技術(shù)演示器。
這項(xiàng)研究系統(tǒng)尺寸為1,400*1,400毫米（長*寬），是一個(gè)復(fù)雜的大型全塑料外殼，重量在兩位數(shù)千克范圍內(nèi)。
該研究項(xiàng)目的目標(biāo)是要證明熱塑性塑料相較于金屬在重量和減少成本、功能綜合和電絕緣性能上是很占優(yōu)勢的。
考斯特產(chǎn)品研發(fā)總監(jiān)FelixHaas解釋道：“作為第一步，我們已經(jīng)不再使用金屬加固結(jié)構(gòu)，同時(shí)證明了我們可以商業(yè)化生產(chǎn)這些復(fù)雜且大型元件”。
朗盛電子動(dòng)力系統(tǒng)項(xiàng)目經(jīng)理ChristopherHoefs博士補(bǔ)充道：“考斯特和朗盛希望可以利用合作的結(jié)果與汽車制造商一起進(jìn)入批量生產(chǎn)的研發(fā)項(xiàng)目”。
單階段制造過程：該演示器是基于C段電動(dòng)汽車上的電池外殼研制的。它是由帶防撞結(jié)構(gòu)的殼體托盤、殼體蓋和車底保護(hù)裝置組成。
外殼組件采用單級D-LFT成型工藝生產(chǎn)，而朗盛則優(yōu)化了杜蕾森B24CMH2.0聚酰胺6 (PA6)作為模塑料。
考斯特將PA6與玻璃纖維粗紗混合用于該工藝。使用朗盛的Tepex dynalite纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料完成外殼結(jié)構(gòu)的局部加固。
Haas解釋：“該過程能夠縮短周期，因此相比于在鋼或鋁的加工周期，這種方法更具有經(jīng)濟(jì)性”。
根據(jù)了解獲悉，該驗(yàn)證是基于C段電動(dòng)汽車上的電池外殼研制的。它是由帶防撞結(jié)構(gòu)的殼體托盤、殼體蓋和車底保護(hù)裝置組成。
如今，高電壓電池的外殼最初是由擠壓鋼或鋁材質(zhì)制成的。
取決于車輛類別，外殼的長度可超過2,000毫米，寬度可超過1,500毫米。尺寸、部件數(shù)量以及眾多的制造和組裝步驟使得金屬外殼成本非常高。
例如，由鋼絞線壓制型材制成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)需要很多輔助操作，如焊接、打孔、固定等。
此外，在額外的工藝步驟中，必須通過陰極浸涂保護(hù)金屬部件免受腐蝕。
簡化組裝和物流：Hoefs說：“另一方面，塑料可以充分設(shè)計(jì)。通過集成緊固件和熱管理組件，電池外殼的單個(gè)組件數(shù)量可以大大減少。簡化了組裝和物流工作，從而減少成本”。
塑料還具有耐腐蝕性和絕緣性。例如，塑料可以減少系統(tǒng)短路的風(fēng)險(xiǎn)。塑料的低密度和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)可以使外殼重量降低，這有利于增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。
高壓電池外殼必須高度滿足各種需求。例如，必須堅(jiān)硬且結(jié)實(shí)，能夠在發(fā)生碰撞時(shí)吸收大量能量。這是通過機(jī)械沖擊和擠壓試驗(yàn)進(jìn)行測試的。在汽車起火或碰到電池?zé)崾Э氐那闆r下，外殼必須是阻燃的。最終，外殼必須集成到車輛結(jié)構(gòu)中。
Hoefs說：“我們將在優(yōu)化元件生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上繼續(xù)努力。我們的目標(biāo)是以虛擬方式展開工作，在原型試驗(yàn)中節(jié)省成本，縮短未來系列元件的上市時(shí)間”。
與此同時(shí)，最近幾年來，增強(qiáng)塑料在汽車電池盒中也是關(guān)注點(diǎn)超級高，例如SGLCarbon與中國汽車制造商N(yùn)IO合作開發(fā)復(fù)合材料電池盒這個(gè)事情就能夠說明問題，SGLCarbon（德國威斯巴登）宣布，它已與中國汽車制造商N(yùn)IO合作，為電動(dòng)汽車開發(fā)碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）原型電池外殼。
據(jù)稱CFK電池盒比傳統(tǒng)的鋁制或鋼制電池盒輕40％，并且與鋁相比，具有高剛性和約200倍的導(dǎo)熱性。“此外，復(fù)合材料在水和氣密性以及耐腐蝕性方面也具有最佳值”，西格里復(fù)合材料 -纖維和材料業(yè)務(wù)部門汽車市場部門經(jīng)理SebastianGrasser表示。箱底和蓋子包括夾層芯和幾層碳凝膠。
用于生產(chǎn)地板和蓋子的工具設(shè)計(jì)是在SGL的輕量級和應(yīng)用中心開發(fā)的，這些部件的碳纖維是在位于美國華盛頓州MosesLake和英國Ord的Muir的SGL工廠生產(chǎn)的。在德國瓦克斯多夫加工成稀松布。
SGL在奧地利Riedim Innkreis 的工廠進(jìn)行了地板和蓋子的生產(chǎn)以及各個(gè)部件的組裝。據(jù)說電池的外殼特別輕，穩(wěn)定且安全。
據(jù)報(bào)道，整個(gè)電池盒，包括電池，也可以在三分鐘內(nèi)在NIO自己的交換站更換。
西格里碳素公司預(yù)計(jì)，隨著電動(dòng)汽車的增加，汽車行業(yè)電池箱輕量化解決方案的需求將在未來幾年內(nèi)急劇增加。
該公司已經(jīng)與各合作伙伴合作，進(jìn)一步開發(fā)由復(fù)合材料制成的不同電池盒，這些電池盒將來可以擴(kuò)展到各種尺寸和設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車電池。
“輕量化結(jié)構(gòu)是NIO技術(shù)路線圖的核心要素之一"。
采用復(fù)合材料，特別是在電池盒系統(tǒng)中使用高性能碳纖維，我們的車輛提供更好的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)性能，更長的續(xù)航里程和非常高的能量密度電池組（超過180Wh / kg）。
這些功能非常適合NIO品牌價(jià)值，如終極產(chǎn)品和系統(tǒng)效率。
高性能復(fù)合材料電池包殼體的開發(fā)與驗(yàn)證分析
為滿足更加嚴(yán)苛的排放法規(guī)，汽車制造商正致力于開發(fā)可規(guī)模化生產(chǎn)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
純電動(dòng)、混合動(dòng)力、插電式混合動(dòng)力、燃料電池等汽車類型將在未來的汽車市場中發(fā)揮越來越重要的作用。
但是，目前電動(dòng)車的續(xù)航還尚未達(dá)到汽油或柴油車的標(biāo)準(zhǔn)。
電動(dòng)車增加續(xù)航的方法一般有兩種：一種是安裝大容量儲(chǔ)能系統(tǒng)，但這會(huì)增加車輛重量；另一種是選用高能量密度的儲(chǔ)能材料，但是目前電池的能量密度還達(dá)不到應(yīng)用需求。
此外，提高車輛整體效率是減少燃料消耗的有效方式。除了上述動(dòng)力總成中的優(yōu)化措施外，還需要通過減重來降低行駛阻力，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
因此，輕量化不僅是燃油車的需求，對電動(dòng)車來說也非常重要。
一般而言，重量減輕100公斤，可減少約10克/公里的二氧化碳排放量，最多可減少0.45升/100公里的油耗。
對于電動(dòng)車，電池包殼體的輕量化不僅可以使汽車高效運(yùn)行，還將提供更大的續(xù)航。
但是電池包殼體的設(shè)計(jì)在輕量化的同時(shí)，還需要盡可能地可靠和安全。
這就需要考慮其防火安全性、剛性、熱管理、電磁兼容性和抗腐蝕性能等諸多因素。
1.復(fù)合材料電池包殼體的模塊化設(shè)計(jì)
當(dāng)前，電動(dòng)汽車的電池包殼體主要由鋁和鋼制成。
相比之下，SGLCarbon開發(fā)的如圖所示的復(fù)合材料電池盒可實(shí)現(xiàn)40%的減重，其相關(guān)機(jī)械性能對比如下圖。
電池包殼體的底板和上蓋的設(shè)計(jì)對于殼體的性能具有較大的影響。
復(fù)合材料電池包殼體一般采用三明治結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用PET、EPDM、泡沫鋁等類似的芯層材料，與多層碳纖維或玻璃纖維織物復(fù)合材料結(jié)合，采用快速固化的樹脂材料經(jīng)模壓成型。
其中，織物的形式可以是軸向織物、機(jī)織物、或者無紡布等，具體如下圖。從纖維到預(yù)浸料，再到成品的工藝流程如下圖所示。
同時(shí)，材料可以靈活地相互組合以匹配相應(yīng)的應(yīng)用需求。特別是沿纖維拉伸方向定位的紡織層具有較好的定性，可較為容易地應(yīng)用于部件的設(shè)計(jì)。
因此，通過纖維或織物的鋪層方向設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)不同要求的受力，從而有效地進(jìn)行材料利用。
2. 電動(dòng)汽車電池包殼體的性能要求如下
- 機(jī)械性能：
- 電池包殼體的剛度特別重要，在多數(shù)電動(dòng)汽車中，電池包殼體是車輛結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其性能對白車身的整體剛度起著重要作用。這需要電池包殼體滿足正碰和側(cè)碰的安全要求。
- 如圖，電池包殼體的剛性在很大程度上取決于所使用的三明治結(jié)構(gòu)，一般采用泡沫鋁材料作為夾心層材料。
- 此外，纖維增強(qiáng)部件的高比剛度、低重量和良好的阻尼特性也對車輛的噪聲、振動(dòng)、NVH性能具有積極影響。
熱管理和阻燃性：
復(fù)合材料電池包殼體的另一個(gè)優(yōu)勢是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)比鋁合金低200倍，且其具有更好的絕緣性，因此復(fù)合材料電池包殼體比傳統(tǒng)金屬殼體能更好的抵御高低溫的性能。
目前普遍使用的鋰離子電池的理想工作溫度在10至40°C之間，一般需要增加冷/熱管理系統(tǒng)。
而復(fù)合材料殼體具有更好的隔熱效果，在熱條件時(shí)所需的能量更少，進(jìn)一步提高了車輛的效率，降低了總功耗。
除了對熱管理的積極影響外，低導(dǎo)熱系數(shù)也是有效阻燃的極佳先決條件。
通過添加阻燃劑，復(fù)合材料殼體可輕松滿足UL94-V-0、UL94-5VB等阻燃要求。
研究人員對樣本面板材料進(jìn)行了比較測試：將樣件暴露在距離800℃火焰只有幾厘米的地方，測量另一側(cè)溫度。
由于鋁合金在660℃左右的溫度下就達(dá)到熔點(diǎn)，因此，選擇了鋼板、標(biāo)準(zhǔn)熱固性樹脂復(fù)合材料和上述添加阻燃劑的三明治復(fù)合材料樣本進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖。
另一側(cè)的溫度分別為：鋼：30秒后約為750°C、標(biāo)準(zhǔn)的熱固性樹脂環(huán)氧復(fù)合材料：60s后約550°C、添加阻燃劑的三明治結(jié)構(gòu)材料：180s后約350°C。
上述結(jié)果表明，三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料電池包殼體具有優(yōu)異的阻燃特性。同時(shí)，該材料還具有自熄性，可防止火災(zāi)的發(fā)生。
并且由于熱導(dǎo)率低，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，復(fù)合材料殼體僅能將電池燃燒產(chǎn)生的高熱量有限地傳遞到相鄰部件和乘員艙，這將為乘務(wù)人員的逃生贏得寶貴時(shí)間。
- 其他性能：
- 此外，SGL Carbon開發(fā)的三明治電池包殼體還可以更好地滿足防腐蝕性要求，可提供更好的密封性。
- 通過纖維鋪層和纖維體積含量的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)域的電磁屏蔽。
- 同時(shí)，復(fù)合材料的應(yīng)用提供了更多集成化設(shè)計(jì)的空間，相關(guān)增強(qiáng)組件、附加元件、連接組件、傳感器等都可實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì)。
因此，合適的材料用在合適的地方，SGLCarbon通過使用高性能碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)開發(fā)的三明治電池包殼體減輕了產(chǎn)品質(zhì)量、提高了系統(tǒng)效率，同時(shí)還有助于提升整車的動(dòng)態(tài)駕駛性能，提升續(xù)航里程。
目前，SGLCarbon已與蔚來汽車合作，為高性能電動(dòng)汽車開發(fā)碳纖維增強(qiáng)塑料電池外殼的原型。
未來，SGLCarbon還將與更多的合作伙伴開發(fā)不同尺寸、適用于不同電動(dòng)汽車的復(fù)合材料電池包。