【汽車】一文詳解電動汽車輕量化的必要性，復合材料電池殼特性及國外主要的加工商
汽車輕量化的必要性
集成膨脹型阻燃電池盒蓋，1.6×1.4米的蓋子由一種短玻璃纖維增強聚丙烯復合材料制成，適用于本田在中國市場制造的電動汽車
汽車制造商正在集中精力開發用于大規模生產的新型驅動類型，并使客戶能夠方便地使用這些新驅動，以滿足有關減少汽車排放的法律規定。在這個過程中，傳動系統的電氣化是非常重要的。除了燃料電池推進等概念外，未來幾年，混合動力、插電式混合動力或純電動汽車將在汽車市場發揮越來越重要的作用。
然而目前，一些替代性汽車尤其是電動汽車尚未達到與汽油或柴油動力汽車相當的續航里程。提高續航里程的途徑很多，一種選擇是安裝一個大得多的儲能裝置，但是，這將對車輛的重量產生負面影響；另一種可能性是提高存儲單元內的能量密度。不幸的是，目前還無法確定電池的比能量容量是否以及何時能與汽油和柴油等傳統燃料產生的值相媲美。
延長汽車的續航里程的另一種可能性是提高車輛的整體效率，從而減少消耗。除了動力系統的優化措施外，還必須降低行駛阻力，而汽車重量在這方面起著重要作用。因此，輕量化設計不僅對電動汽車很重要，而且對采用內燃機的傳統動力汽車也很重要。
每減重100公斤，二氧化碳排放量可減少約10克/公里，油耗可減少0.45升/100公里。由于二次效應，額外部件和組裝件的重量最多可減少37公斤，重量會螺旋式下降。以電動汽車為例，電池成本也有望降低約5%。此外，低重量對駕駛動力學也有積極影響。
復合材料電池外殼的優勢
就電動汽車而言，重型電池和所需的保護外殼可以通過輕量化設計進行部分補償，以提高車輛效率，并為駕駛員提供最大可能的續航里程。電動汽車的電池外殼目前主要由鋁和鋼制成。相比之下，復合材料設計的電池殼重量減輕了40%，如下圖所示，同時具有相近的機械性能。
復合材料電池外殼
最重要的是，底板和蓋子的設計對復合材料外殼的良好性能至關重要：它將夾層芯（例如由PET、EPDM或泡沫鋁和類似材料制成）與幾層碳纖維或玻璃纖維織物結合在一起。根據需要，可以使用墊子、織物或纖維網，如下圖所示。該加工是在使用快速固化的硬塑性樹脂的自動壓制過程中進行的，這使得能夠實現大批量高質量地生產。
電池殼生產用紡織品半成品
構件的剛度在很大程度上取決于所使用的夾層結構。通常，鋁組件可以用CFRP組件代替。電池外殼的這種剛度特別重要，因為在大多數電動汽車中，電池外殼對白車身的整體剛度做出了重要貢獻，并且是車輛結構的支撐元件，如下圖所示。電池外殼能夠承受通常的正面或后端碰撞測試以及絕對關鍵的側面碰撞場景所產生的應力。此外，纖維增強部件的高比剛度與低重量和良好的阻尼性能相結合，對車輛的噪聲、振動、不平順性（NVH）性能也產生了積極影響。
全電動汽車中的大多數電池箱都采用纖薄設計，它們用于容納電池模塊，使車身更加堅固
纖維增強塑料的另一個優點是導熱率較低，例如，與鋁相比，碳纖維增強塑料導熱率低約200倍，這通常會使額外的電池絕緣變得多余，并比經典的金屬外殼概念提供更好的冷熱防護。目前常用的鋰離子電池的理想工作溫度在10到40°C之間，因此在許多情況下，有必要主動加熱或冷卻電池。當使用復合材料時，由于材料的隔熱效果，與其他概念相比，熱調節所需的能量更少，這進一步提高了車輛的效率并降低了總功耗。
在防火方面，使用纖維增強塑料作為電池外殼也是可能的。這種材料具有自熄性，可抑制火災的發展，并且只能在有限的范圍內將電池燃燒產生的極端熱量傳遞給相鄰部件和車輛內部，以便乘客和應急服務人員在發生緊急情況時獲得寶貴的時間。
復合材料電池外殼的主要加工商
加拿大Magna International公司：公司Magna Exteriors部門自2019年以來，便參與了復合材料電池外殼開發活動，專注于使用阻燃不飽和聚酯（UP）或乙烯基酯（VE）樹脂的模壓SMC。
德國STS Group AG：自2019年以來已為中國的多個項目提供SMC電池蓋，該公司于2022年開始在弗吉尼亞州建造一座新的SMC模塑工程。STS集團花了三年時間驗證了連續玻璃或碳纖維增強的酚醛樹脂和環氧樹脂，這些基體可以在長期暴露于高溫后提供殘余機械性能。
TPI Composites 公司：這家復合材料風電葉片生產商也在生產復合材料電池外殼組件，為預計于2023-2024年推出的4-8類電動卡車開發電池外殼，公司花了六年時間開發和驗證各種材料/工藝，主要是基于連續纖維(玻璃纖維、碳纖維或混合物）浸漬酚醛樹脂或高溫阻燃環氧樹脂，采用高壓RTM、濕法復合成型和其他技術。
德國Kautex Textron GmbH&Co.KG與材料供應商Lanxess AG合作：探索使用熱塑性復合材料替代大型電動汽車電池外殼上的鋼和鋁。對于一款C級（中型）轎車，展示了一個1400×1400毫米的電池外殼，包括一個連接到一體式防撞結構的托盤、車底保護裝置和頂蓋。結構件使用Durethan B24CHM2.0玻璃纖維增強PA6，采用壓縮D-LFT（長纖維熱塑性塑料）制造，這是一種適合快速、經濟地生產大型部件的一步法工藝。
Kautex Textron和Lanxess AG聯合開發的全熱塑性復合材料電動汽車電池外殼(上)，而Ballard Power繼續使用復合材料并隨著全球需求的增長增加其燃料電池制造能力(下)
美國Lyondell basell Industries公司：自2016年以來一直為商用電動汽車電池外殼項目提供SMC。Lyondell basell已將其鍛造Preg連續單軸、雙軸和三軸碳纖維增強混合SMC與高強度Premi SMC和高溫Quantum ESC SMC等級共同模壓，以優化質量和性能。
美國Teijin Automotive Technologies：在北美、歐洲和亞洲擁有十多年的壓模復合材料EV電池蓋和完整外殼的經驗，主要使用短纖維/熱固性片狀模塑復合材料（SMC）。Teijin也在研究混合材料方法，使用長纖維局部增強短纖維材料，并致力于為其大批量材料創建材料卡片(用于模擬軟件)，以幫助客戶開發新產品。
日本三菱化學（Mitsubishi Chemical Group Corp.，MCG）：已在全球范圍內為復合材料電動汽車電池外殼提供材料，包括GMT和GMTex材料。該公司正在開發創新的多功能材料，以承受熱失控事件，例如用于電池外殼的新型阻燃熱塑性復合材料，該材料已通過了在1000°C火焰中暴露超過5分鐘的測試。該公司還在探索將生物基熱固性樹脂系統用于其玻璃纖維和碳纖維增強預浸料。
三菱化學電池外殼中的熱塑性復合材料
沙特SABIC：為中國市場的本田汽車公司電動汽車提供阻燃短玻璃纖維增強聚丙烯（PP）樹脂，該聚合物在暴露于火焰時可形成膨脹焦，使其具有自熄行為。這是第一個通過中國GB 18384-2020規范的蓋子。與金屬電池外殼相比，SABIC的注塑熱塑性塑料可節省40%的重量，有助于延長行駛里程，同時功能集成簡化了組裝并降低了成本。
集成膨脹型阻燃電池盒蓋，1.6×1.4米的蓋子由一種短玻璃纖維增強聚丙烯復合材料制成，適用于本田在中國市場制造的電動汽車
德國SGL Carbon：于2021年便開始為北美汽車制造商生產電池外殼的碳纖維和玻璃纖維復合材料頂層和底層。大容量應用是電動汽車底盤的關鍵部件，滿足重量、剛度、沖擊防護、熱管理、防火以及水和氣體防滲的嚴格要求。
