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首先分析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)，另一方面每一個電池盒產(chǎn)品下線前都要通過嚴(yán)格的氣密性檢測。
同時，電池外殼的主要任務(wù)是保護(hù)電池模塊。它們是驅(qū)動系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)元件之間的接口，因此是電動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：由于電動汽車充電過程時間較短，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)在電動汽車電池外殼盒子上的制造過程和價值體現(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)時間，還有助于減輕車輛重量，從而可以使電動汽車（EVs）的續(xù)航里程增加。朗盛（Lanxess）和考泰斯·德事隆集團(tuán)（Kautex Textron）花了幾年時間合作研究電動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 (PA 6)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 (PA 6)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。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間”。
與此同時，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)報道，整個電池盒，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態(tài)驅(qū)動性能，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)的動力驅(qū)動系統(tǒng)。純電動、混合動力、插電式混合動力、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，目前電動車的續(xù)航還尚未達(dá)到汽油或柴油車的標(biāo)準(zhǔn)。電動車增加續(xù)航的方法一般有兩種：一種是安裝大容量儲能系統(tǒng)，但這會增加車輛重量；另一種是選用高能量密度的儲能材料，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，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。
01復(fù)合材料電池包殼體的模塊化設(shè)計(jì)
當(dāng)前，電動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，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。
02電動汽車電池包殼體的性能要求如下
（1）機(jī)械性能：電池包殼體的剛度特別重要，在多數(shù)電動汽車中，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、NVH性能具有積極影響。
（2）熱管理和阻燃性：復(fù)合材料電池包殼體的另一個優(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，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，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間。
（3）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，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，同時還有助于提升整車的動態(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、適用于不同電動汽車的復(fù)合材料電池包。
五、國內(nèi)不同材料外殼的優(yōu)勢是什么？
01碳纖維電池殼
碳纖維電池殼最大的優(yōu)勢是什么呢?話說SGLCarbon與蔚來汽車合作開發(fā)了碳纖維復(fù)合材料電池外殼，實(shí)現(xiàn)減重40%，想想看多么誘惑人？能夠?qū)崿F(xiàn)減少重量那么多相當(dāng)于半壁江山了，太劃算了，輕量化還降低原材料的采購成本，何樂而不為呢？
02鋼制外殼
鋼制外殼減少整個生產(chǎn)鏈中的CO2排放，電動汽車行業(yè)的最大挑戰(zhàn)之一是以持續(xù)不斷的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保友好的方式進(jìn)行生產(chǎn)。的確，電動汽車運(yùn)行不再需要化石燃料。但是，二氧化碳的排放正在從使用轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)。而電池模塊及其外殼在這方面起著關(guān)鍵作用。詳細(xì)的生命周期分析研究結(jié)果推薦使用鋼材作為電動汽車電池外殼的可持續(xù)材料。與鋁相比，鋼鐵成本更低、強(qiáng)度更高，此外，鋼鐵在生產(chǎn)階段對環(huán)境產(chǎn)生的影響要比鋁小得多，與鋁制電池盒相比，鋼制電池盒生產(chǎn)減少了多達(dá)三分之二的溫室氣體排放。
六、請欣賞成功企業(yè)的電池殼體情況
01福特F-150Lightning搭載麥格納電池殼體
福特全電動F-150Lightning皮卡將于明年春天上市亮相，車型搭載了麥格納的電池殼體技術(shù)，這也是麥格納在北美市場為福特公司制造的第一批電池殼體。電池殼體的輕量化是一個重要課題。麥格納的這款鋁質(zhì)殼體有助于極好地控制皮卡電池的附加重量，其鋁擠壓成型件和沖壓成型件采用激光復(fù)合焊和冷金屬過渡焊接（CMT）方式進(jìn)行連接，以保證整體的強(qiáng)度。
麥格納正通過車身和底盤的技術(shù)專長，引領(lǐng)整個行業(yè)的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為全球客戶提供全面的服務(wù)和工程解決方案。我們開發(fā)鋼、鋁和多種材料配置的電池殼體，包括輕量化復(fù)合材料的電池殼體，以滿足每個客戶的個性化需求。
02蒂森克虜伯鋼鐵公司selectrify®電池外殼
蒂森克虜伯鋼鐵公司歐洲的研發(fā)團(tuán)隊(duì)一直在努力為電動交通的未來問題尋找解決方案。未來，蒂森克虜伯鋼鐵歐洲將以selectrify®計(jì)劃的名義，整合其高水平的電動交通材料和應(yīng)用專業(yè)知識，包括輕量化汽車結(jié)構(gòu)解決方案、高度穩(wěn)定和安全的電池外殼以及由電工鋼制成的高效驅(qū)動電機(jī)及充電樁等。帕特里克·特勞卡（Patrick Tlauka）是蒂森克虜伯鋼鐵公司selectrify®計(jì)劃的項(xiàng)目經(jīng)理，他認(rèn)為超高強(qiáng)度鋼材在電動汽車上的使用具有巨大潛力。作為selectrify®計(jì)劃的一部分，蒂森克虜伯鋼鐵公司開發(fā)了一種由高強(qiáng)鋼制成的電池外殼。除了輕量化和碰撞安全，該電池外殼在防火、電磁兼容性和成本效益方面具有顯著優(yōu)勢，可以為電動汽車最敏感和最昂貴的組件——電池提供極佳的安全防護(hù)。
碰撞安全：Patrick Tlauka說"采用鋼材料進(jìn)行不同設(shè)計(jì)，我們能夠滿足廣泛的性能要求。能夠提供吸收非常高反作用力且?guī)缀醪蛔冃蔚慕Y(jié)構(gòu)概念，也還可以提供具有可吸收沖擊能量的緩沖區(qū)的軟結(jié)構(gòu)概念”。
selectrify®電池外殼采用蒂森克虜伯最新開發(fā)的鋼材設(shè)計(jì)。蒂森克虜伯的高品質(zhì)鋼鐵電池外殼幾乎和鋁制電池外殼重量一樣輕。
在減輕車輛重量之余，采用高強(qiáng)度鋼制造的多腔室結(jié)構(gòu)的selectrify®電池外殼在側(cè)面碰撞中能夠承受非常高的載荷，即使汽車的底盤與異物碰撞，電池外殼也難以變形。
防火：堅(jiān)固耐用的電池外殼絕不僅僅是用于保護(hù)電池本身。電池單元的損壞會引起火災(zāi)，也可能對乘員造成危險。當(dāng)今的鋰離子電池功能強(qiáng)大，但也經(jīng)常出現(xiàn)熱失控著火現(xiàn)象。鋁制電池外殼不能很好地抵抗火焰和高溫。在防火測試中，材料僅在30秒后就會坍塌。但是，在緊急情況下，每一秒都是至關(guān)重要的。很好的是，即使在電池著火的情況下，鋼制電池外殼也能保持遠(yuǎn)低于其熔點(diǎn)的水平，并能安全地保護(hù)乘員。selectrify®電池外殼由高強(qiáng)度鋼制成，可確保對電池模塊進(jìn)行全面保護(hù)，以防碰撞影響。此保護(hù)功能可防止電池起火。在緊急情況下，selectrify®電池外殼提供了幾分鐘營救時間-這對駕駛員和乘客來說至關(guān)重要。
降低生產(chǎn)成本：另一個優(yōu)點(diǎn)是成本低。為了進(jìn)行分析，假設(shè)在七年內(nèi)每年生產(chǎn)20萬輛汽車。計(jì)算中包括了材料和生產(chǎn)成本以及零件制造、白車身生產(chǎn)、泄漏測試和腐蝕防護(hù)成本的數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示：selectrify®鋼制的電池外殼比鋁制的外殼節(jié)省了50％的成本。"僅在材料方面，我們就具有很高的成本優(yōu)勢"，帕特里克·特勞卡（Patrick Tlauka）將鋁制成的電池外殼與selectrify®電池外殼進(jìn)行了比較："對于相同的重量，鋁的成本是鋼的三倍"。
展望：高強(qiáng)度鋼是穩(wěn)定的，可以生產(chǎn)出非常薄的壁。這對于電動汽車是決定性的優(yōu)勢，因?yàn)槿绻姵赝鈿ふ加玫目臻g較小，則可以給電池提供更大空間。"對于電動汽車而言，更大的電池意味著更大的續(xù)航里程”，Tlauka解釋道。"電池外殼的薄壁，輕巧和緊湊的設(shè)計(jì)能夠滿足許多最終用戶的里程焦慮"。
selectrify®電池外殼可顯著提高電動汽車的防火安全性，生產(chǎn)成本可降低多達(dá)50％，并且產(chǎn)生的二氧化碳排放量僅為鋁制電池外殼的一半左右。采取這一具有前瞻性的技術(shù)為電動汽車制造商改善電動汽車的續(xù)航里程和安全性鋪平了道路。
03德國馬勒公司開發(fā)新型電池盒用于電動汽車
汽車的核心參數(shù)是達(dá)到足夠的行駛里程。為此，德國馬勒公司最新開發(fā)了一種集成了熱量管理功能的電池盒。這個產(chǎn)品不是通過使用越來越大的電池，而是為提高電池的快速充電能力提供了解決方案。例如，牽引電池可以減少約40％的電量，并且可以快速充電。這樣，馬勒公司的產(chǎn)品不僅減少了電動汽車的二氧化碳排放量，而且減少了電池生產(chǎn)中全球范圍內(nèi)稀缺原材料的需求。
為了能夠在快速充電過程中可重復(fù)實(shí)現(xiàn)必要的高冷卻能力，作為馬勒電池外殼概念的一部分，電芯被電介質(zhì)流體直接包圍。由纖維增強(qiáng)塑料制成的電池箱結(jié)構(gòu)不僅重量輕，而且非常耐用。由于電池較小，該概念還為電動車輛帶來了巨大的重量優(yōu)勢。馬勒公司研發(fā)高級主管OtmarScharrer博士解釋說：“借助新的電池箱概念，馬勒公司使電動汽車更經(jīng)濟(jì)，更環(huán)保，同時保持對客戶的吸引力。電池箱不僅生產(chǎn)成本適中，而且減少了昂貴的高性能電池的使用，從而降低了電動汽車成本，使得可以將電動車推向更廣闊的市場。”冷卻電池和電力電子設(shè)備的需求產(chǎn)生了復(fù)雜的電路，極大地增加了對單個組件和熱管理領(lǐng)域控制的要求。馬勒公司從一開始就伴隨著動力傳動系統(tǒng)電氣化和需求的增長，并不斷擴(kuò)展其在研發(fā)方面的專業(yè)知識.
04Fraunhofer開發(fā)由連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料組成牽引電池外殼
根據(jù)了解獲悉，F(xiàn)raunhofer結(jié)構(gòu)耐久性和系統(tǒng)可靠性研究所與合作伙伴開發(fā)了一種具有蓄熱能力的牽引電池。重點(diǎn)是一種新型的三明治電池外殼由連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRTP），這有助于絕緣熱存儲在牽引電池預(yù)處理。在柴油汽車和一般內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車即將被禁止的時代，電池電動汽車（BEV）正變得越來越令人感興趣，特別是在城市環(huán)境中。提高電池容量可以延長行駛時間，但電動汽車的驅(qū)動范圍會有所不同，特別是在較低的環(huán)境溫度下。因此，在歐盟項(xiàng)目“優(yōu)化能源管理和使用”（OPTEMUS）范圍內(nèi)，開發(fā)了大量提高效率的技術(shù)，并將其整體聯(lián)系起來，特別是為了減少菲亞特500eEV的范圍變化。這包括具有蓄熱能力的牽引電池，該電池是弗勞恩霍夫結(jié)構(gòu)耐久性和系統(tǒng)可靠性研究所與合作伙伴共同開發(fā)的。重點(diǎn)是一種新型的三明治電池外殼由連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRTP），這有助于絕緣熱存儲在牽引電池預(yù)處理。
在Fraunhofer LBF開發(fā)的一種混合原位工藝可在成本敏感的大容量應(yīng)用中生產(chǎn)復(fù)雜的、功能集成的CFRTP三明治元件。Fraunhofer LBF開發(fā)的蓄熱材料可用于在乘車前在寒冷天氣中對溫度敏感的電池進(jìn)行預(yù)處理，并使用隔熱的CFRTP夾心外殼使其保持在最佳工作溫度。因此，通常可以避免主動溫度控制。相反，可以緩解電池在快速充電過程中可能出現(xiàn)的短期、不必要的熱量增加。“我們開發(fā)的材料、結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)為駕駛員提供了更可靠和一致的Bev范圍”。此外，在Fraunhofer LBF負(fù)責(zé)研究項(xiàng)目的Felix Weidmann解釋說：“此外，車輛開發(fā)人員和設(shè)計(jì)人員還可以從輕量級結(jié)構(gòu)和功能集成的新工藝技術(shù)中獲益”。機(jī)械和熱的要求是由新型CFRTP電池外殼提供的。這是由一個三明治結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上UD磁帶面片（UDMAX，SABIC）覆蓋一個完整的聚合物泡沫核心。泡沫芯子提供了隔熱材料，而面板承擔(dān)了大部分的負(fù)荷。為此，LBF的科學(xué)家將UD磁帶整合成一種交叉復(fù)合材料，并將其預(yù)成三維（3D）復(fù)合面片。在這些三維面片之間，聚合物泡沫芯體采用一種新的混合原位制造工藝注塑成型。由此產(chǎn)生的三明治結(jié)構(gòu)有幾個優(yōu)點(diǎn)：它提供了高的輕量化潛力，并實(shí)現(xiàn)了高比彎曲性能和抗沖擊性能。此外，它還提供了針對入侵事件的高級別保護(hù)，入侵事件尤其是在電池組中發(fā)揮著重要的安全作用。
電池模組外殼由隔熱聚合物泡沫（黑色）組成，表面覆蓋連續(xù)纖維增強(qiáng)（CFRTP）面片，使用混合原位工藝僅需2分鐘即可制造出電池組件外殼。為了滿足汽車的要求，材料和結(jié)構(gòu)的概念已經(jīng)發(fā)展到大容量的應(yīng)用。OPTEMUS電池外殼的制造是由Fraunhofer LBF開發(fā)的一種混合制造工藝實(shí)現(xiàn)的，這使得首次能夠在短短2分鐘內(nèi)提供具有功能集成和隔熱的CFRTP三明治組件。
05朗盛工程塑料和INFAC共同開發(fā)新型EV電池模塊外殼
電池外殼使用朗盛的DurethanBKV30FN04，以滿足最新電動汽車組件的嚴(yán)格機(jī)械和化學(xué)性能要求。無鹵、阻燃和玻璃纖維增強(qiáng)的PA6具有優(yōu)異的阻燃和電氣性能。該材料具有高度的可加工性，能夠集成外殼組件所需的復(fù)雜功能，從而減少零件數(shù)量、簡化組裝過程并減輕重量。韓國整車廠推出的EV車型的量產(chǎn)采用了新的電池外殼部件。“電池外殼量產(chǎn)的成功證明了朗盛Durethan材料在電動汽車電池方面的卓越表現(xiàn)，其中技術(shù)和安全至關(guān)重要”。我們的高性能塑料將為電動汽車和電池市場做出重大貢獻(xiàn)，”朗盛亞太區(qū)高性能材料 (HPM) 業(yè)務(wù)部門負(fù)責(zé)人Milan Vignjevic 表示"。
英法克朗盛工程塑料公司與韓國汽車零部件供應(yīng)商INFAC共同開發(fā)了用于電動汽車(EV)的電池模塊外殼。該電池外殼已用于韓國OEM推出的EV車型的量產(chǎn)。
具有優(yōu)良機(jī)械和電氣性能的阻燃塑料：對于電池模塊外殼，減震和熱管理至關(guān)重要，這些特性保護(hù)電池免受外部沖擊。DurethanBKV30FN04不僅機(jī)械堅(jiān)固，而且具有高壓絕緣性，可耐受高達(dá)800 V的電壓并有效阻斷高壓電流。具有很強(qiáng)的阻燃性能，可在發(fā)生火災(zāi)時防止或延遲火焰蔓延。玻璃纖維增強(qiáng)的DurethanBKV30FN04對機(jī)械負(fù)載的耐久性優(yōu)于未填充的PA6。此外，它在與電解質(zhì)或冷卻介質(zhì)接觸時保持出色的強(qiáng)度和剛度，并具有耐化學(xué)性以抑制化學(xué)誘導(dǎo)的損壞。
朗盛的工程塑料可應(yīng)用于各種電池組件，包括電池蓋、高壓連接器、電纜支架和電池冷卻系統(tǒng)管道以及氫燃料電池汽車的零件，如儲氫罐。它還可以替代各種部件中的金屬，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。它允許在一個過程中生產(chǎn)多個功能組件，這是下一代移動市場需求持續(xù)增長的驅(qū)動因素，其中許多技術(shù)和組件開始發(fā)揮作用。“朗盛的優(yōu)質(zhì)材料、技術(shù)專長和定制工程服務(wù)使我們能夠加快發(fā)展。這有助于鞏固我們在快速發(fā)展的電動汽車電池零部件市場中的地位"，INFAC采購與開發(fā)主管Gyuso Lee說。韓國HPM負(fù)責(zé)人Sanghun Han表示：“朗盛與包括韓國在內(nèi)的全球領(lǐng)先的汽車原始設(shè)備制造商密切合作。這就是為什么我們能夠在早期階段識別電動汽車的趨勢和挑戰(zhàn)，并參與各種電動汽車和電池開發(fā)項(xiàng)目。憑借與客戶積累的成功案例，我們正在將自己打造成新型移動出行領(lǐng)域的關(guān)鍵材料合作伙伴"。
七、重溫用于電池外殼的高性能塑料解決方案
汽車行業(yè)在全球范圍內(nèi)都處于劇烈變革之中。可供選擇的驅(qū)動技術(shù)，新的連接模式和自動駕駛都需要全新的汽車設(shè)計(jì)概念。科思創(chuàng)公司目前關(guān)注的焦點(diǎn)之一是在電動汽車中使用聚碳酸酯塑料。
未來電動汽車和混合動力汽車的核心是鋰離子電池。為了精確地在小空間中放置大量的電池單元，電池座和電池支架以及外殼組件必須具有非常強(qiáng)大的尺寸穩(wěn)定性及高度的機(jī)械堅(jiān)固性。根據(jù)電池組的設(shè)計(jì)原理，該材料還必須具有阻燃性，此外，即使是在壁厚低至0.75毫米的情況下，也要符合美國保險商試驗(yàn)所（UnderwriterLaboratories Inc.）的UL94可燃等級的V-0級。
用于電池外殼的高性能塑料解決方案如下：科思創(chuàng)在筆記本電腦和其他電子設(shè)備的封裝鋰離子電池方面擁有多年經(jīng)驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該公司開發(fā)了多種聚碳酸酯混合物，不僅符合上述要求，而且在廣泛的溫度范圍內(nèi)，特別是在零下溫度下，也具有極強(qiáng)的抗沖擊能力。在2018年德國塑料工業(yè)貿(mào)易展會（Fakuma 2018）上，該公司將在B4展廳的4206號展臺展示各種電池模塊，電池座，碰撞吸收器和其他產(chǎn)品。科思創(chuàng)的JulianMarschewski博士解釋道：“當(dāng)涉及到電池座和電池集成模塊時，防火保護(hù)尤為重要。”電動汽車專家補(bǔ)充說：“電池周圍使用的材料的性能，對于成品部件來說，在許多功能性和安全性測試中都起著決定性作用，并且有助于電池在整個使用壽命周期內(nèi)的安全運(yùn)行”。
定制材料：Bayblend®FR型阻燃聚碳酸酯ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）混合物是電池座和電池模塊的理想材料。該材料具有耐熱性和尺寸穩(wěn)定性，使用該材料可通過注塑成型工藝高效生產(chǎn)部件。該材料還用于柏林制造商GreenPack的移動充電電池。將于Fakuma 2018展會上展出的碰撞吸收器由PC-PBT（聚對苯二甲酸丁二醇酯）Makroblend®KU-27912/4制成。該材料具有非常高的抗沖擊性強(qiáng)度，并且在低溫下具有特別高的延展性。蜂窩狀結(jié)構(gòu)使得這種碰撞吸收器具有極強(qiáng)的抗沖擊性能。另一種特殊材料是Makrolon®TC產(chǎn)品系列的高填充聚碳酸酯材料，已經(jīng)應(yīng)用于LED燈的散熱片。這類產(chǎn)品具有導(dǎo)熱性，但也作為電絕緣產(chǎn)品使用，因此它們有助于實(shí)現(xiàn)高效的電池?zé)峁芾怼?/span>
適用于惡劣環(huán)境的電池組：Enduros車型必須為大風(fēng)和各種天氣條件做好準(zhǔn)備，但最重要的是必須承受最嚴(yán)苛的力學(xué)性能要求。在這些越野摩托車型中，趨勢也是電力驅(qū)動。加州電動自行車專家AltaMotors是這類器械的領(lǐng)先制造商。品牌名為Alta Pack的電池就配備了護(hù)套，該護(hù)套由具有極強(qiáng)抗沖擊性的PC-PBT混合物Makroblend®制成。
八、2022-2025年復(fù)合材料在新能源電池殼領(lǐng)域的應(yīng)用前景分析
預(yù)計(jì)2022-2025年期間，復(fù)合材料在新能源電池殼領(lǐng)域的應(yīng)用前景依然十分看好，大家知道電池殼乃是新能源汽車中的純增量零部件，單車價值量約3000元左右。電池殼主要由上蓋與下殼體組成，是動力電池模組的“骨架”，用來保護(hù)電池PACK抵抗外界沖擊、防塵防水等等。
電動汽車的電池封裝外殼（也稱為電池槽、盒或外殼）主要用來包裝和保護(hù)電池。它們的形狀和大小各不相同，并且正如其他汽車部件一樣，在用材方面可有多種選擇，不同材料間的競爭也較為激烈。
電池殼帶給電動車難題: 電動汽車的里程焦慮如下！里程焦慮一直是新能源汽車的頭痛點(diǎn)，無論哪個新車的上市，極限里程挑戰(zhàn)都是其必過難關(guān)。降低重量是提高里程續(xù)航的方案之一。一般認(rèn)為純電動汽車重量降低10％，續(xù)航里程便可增加約6％。新能源汽車“三電”系統(tǒng)約占整車整備質(zhì)量的1/4左右，有數(shù)據(jù)顯示，在傳統(tǒng)汽車基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的新能源汽車比傳統(tǒng)燃油車質(zhì)量會增加15%以上，所以輕量化是新能源汽車比傳統(tǒng)汽車更需要的課題。在動力電池系統(tǒng)中，電池殼占系統(tǒng)總重量約20-30%，是主要結(jié)構(gòu)件，顯著影響其電耗、動力性、制動性能、被動安全性、一次充電續(xù)航里程等，因此新能源汽車電池殼的輕量化顯得更為重要。輕量化離不開高強(qiáng)度鋼、鎂鋁合金、高性能塑料和碳纖維復(fù)合材料等輕量化材料的應(yīng)用。
要知道：碳纖維電池殼的特性與優(yōu)勢會在電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩，因?yàn)樘祭w維電池殼可以改善隔熱保溫性，降低噪音，減少振動，同時降低聲振粗糙度。
◆減輕重量：如果電池外殼由100％的復(fù)合材料而不是鋁制成，則車體重大最多可減輕40％。由于電池盒因素導(dǎo)致車體重量減輕，因此在牽引較輕的車輛時，所需的電池和發(fā)動機(jī)尺寸都會減小。這種積極的螺旋效應(yīng)可降低車輛成本和里程焦慮，有助于大力促進(jìn)電動汽車的規(guī)模化使用。
◆隔熱性：復(fù)合材料除了材質(zhì)較輕的特質(zhì)外，還避免了對單獨(dú)隔熱系統(tǒng)的需求，這進(jìn)一步減輕了車體重量，有助于精簡供應(yīng)鏈和價值鏈。對于金屬電池封裝外殼，需要在材料周圍加裝隔熱保溫系統(tǒng)，以保持電池的工作溫度。由于復(fù)合材料具有隔熱保溫特性，在防止傳熱方面有著很好的效果，因此無需在系統(tǒng)中加裝更多的增重部件。
◆噪音、振動和聲振粗糙度：相對于金屬材料而言，復(fù)合材料的噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）較小，因?yàn)樗鼈兙哂泄逃械淖枘崽匦浴＿@對于電池封裝外殼和其它車輛部件而言都是如此，兩者的差異性可能意味著在駕駛體驗(yàn)方面，一個更豪華舒適，而另一個舒適度要差一些。
◆安全性：從更大的車身來看，復(fù)合材料電池外殼可以設(shè)計(jì)為車身結(jié)構(gòu)的一部分，不僅可以保護(hù)電池，還可以保護(hù)車輛中的乘客。復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度特性超過了鋁或鋼，從而能夠提供更好的碰撞安全性。這種結(jié)合將需要電池封裝外殼供應(yīng)商和底盤設(shè)計(jì)者之間的密切合作，但對于提高車輛安全性而言，的確是切實(shí)可行的。
近期推出的復(fù)合材料電池解決方案如下：回顧2021年的時候帝人集團(tuán)旗下的大陸結(jié)構(gòu)塑料公司（CSP）推出了幾種新的先進(jìn)復(fù)合材料配方，這些配方在可燃性、熱失控和VOC排放方面滿足最嚴(yán)格的電動汽車電池外殼性能標(biāo)準(zhǔn)，同時提供片狀模塑料（SMC）的設(shè)計(jì)靈活性。這些新型復(fù)合材料包括低VOC配方、ATH填充系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)和酚醛系統(tǒng)。
再者，2021年5月，碳纖維制造商東麗工業(yè)（日本東京）宣布開發(fā)出一種高導(dǎo)熱技術(shù)將碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP） 的散熱性能提升至金屬的散熱性能。將此技術(shù)應(yīng)用于 CFRP 可通過材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)路徑有效地從其來源散發(fā)熱量。這有助于抑制移動應(yīng)用中的電池退化，同時提高電子設(shè)備應(yīng)用中的性能。2021年10月，弗勞恩霍夫LBF宣布開發(fā)出一種用于電池電動汽車的低成本輕質(zhì)電池殼，與鋁電池殼相比，它可減輕40%的質(zhì)量。雖然該部件使用了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，但其成本卻較低，這是因?yàn)槭褂昧艘环N特別開發(fā)的高效生產(chǎn)工藝，同時采用了應(yīng)力等效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
由弗勞恩霍夫LBF的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)，利用他們在該領(lǐng)域的專業(yè)知識，采用連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料以及結(jié)合了高效發(fā)泡注射成型與CFRTP的創(chuàng)新工藝，生產(chǎn)出一種采用三維夾層設(shè)計(jì)的輕量化電池殼。贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)（德國埃森）去年也在報告說，它正在領(lǐng)導(dǎo)一個合作伙伴聯(lián)盟，該聯(lián)盟使用玻璃纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂片狀模塑料（SMC）為電動汽車解決方案開發(fā)了一個更輕、更經(jīng)濟(jì)的高壓電池外殼概念。該整體電池系統(tǒng)概念旨在為汽車行業(yè)提供一個更安全、更節(jié)能的金屬或價格更高的碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）的替代品。
2022年4月，巴斯夫和一級供應(yīng)商 L&L Products 為福特2022 F-150Lightning 開發(fā)了電池保護(hù)解決方案。該團(tuán)隊(duì)在不影響強(qiáng)度的情況下減小了電池系統(tǒng)中的橫梁尺寸。橫梁是設(shè)計(jì)用于承受高負(fù)載的結(jié)構(gòu)部分，可確保電池和乘員在車輛中的安全。CCS 將纖維增強(qiáng)拉擠復(fù)合材料載體與高度工程化的密封劑和粘合劑組合成平面輪廓。這個過程產(chǎn)生了用連續(xù)纖維和墊子加固的直線或彎曲的復(fù)合型材。
話說石墨和碳纖維復(fù)合材料供應(yīng)商西格里（SGL Carbon）在5月份巴黎JEC復(fù)合材料展覽會上展示其針對電動汽車電池盒的復(fù)合材料解決方案。據(jù)介紹，西格里正改善輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的碳纖維在生產(chǎn)過程中的堆棧自動化，減少材料浪費(fèi)來節(jié)約資源，減少碳纖維的碳排放。
根據(jù)了解獲悉，采用西格里碳纖維復(fù)合材料制成的電池外殼，可比響應(yīng)的鋼材外殼減輕50%的重量，它在耐火性、剛性、聲學(xué)以及熱屏蔽、電磁屏蔽方面的性能均能滿足汽車相應(yīng)的要求。借助碳纖維復(fù)合材料，傳感器可集成用于檢測電動汽車底部的損壞情況。
九、未來2022-2025年發(fā)展趨勢前景分析
總結(jié)：輕量化是現(xiàn)在和未來汽車行業(yè)的一大趨勢，包括電池外殼將在2025年前后依然前景看好，輕量化材料將替代過去更多笨重的材料是必然發(fā)展趨勢。
根據(jù)外媒報道，目前，一些公司正在競相開發(fā)相關(guān)的商業(yè)解決方案。例如，德國特種化學(xué)品公司朗盛（Lanxess）和汽車零部件供應(yīng)商考泰斯·德事隆（Kautex Textron）正在對直接長纖維熱塑性塑料（D-LFT）和聚酰胺6（PA 6）樹脂進(jìn)行可行性研究。與此同時，西班牙塑料技術(shù)研究所（Aimplas）利用可重復(fù)使用、可回收的長纖維熱塑性復(fù)合材料，開發(fā)用于輕型車輛的可持續(xù)結(jié)構(gòu)電池外殼，使放電后的電池組可熱插拔。在其他方面，Vestaro聯(lián)盟采用一種新穎的方法，將輕質(zhì)薄板模壓化合物用于高壓電池模塊外殼。祝福該產(chǎn)業(yè)未來更加輝煌奪目，拭目以待。
最后，讓外面大家更加知曉的是：材料輕量化是目前汽車輕量化技術(shù)的主要途徑，從實(shí)際應(yīng)用上看，高強(qiáng)度的復(fù)合材料是汽車材料輕量化的理想材料。汽車車身的輕量化與材料輕量化的發(fā)展方向保持一致，傳統(tǒng)的車身以鋼鐵為主，占汽車質(zhì)量的30%～40%，如果將部分零件替換為鎂鋁合金，甚至是碳纖維等高強(qiáng)度復(fù)合材料，那汽車減重的效果會更加可觀，隨著近幾年新能源汽車的迅猛發(fā)展，汽車電池系統(tǒng)增重明顯，各大汽車廠商將整車輕量化作為重點(diǎn)研究目標(biāo)，推動了復(fù)合材料的快速發(fā)展。
未來，高分子復(fù)合材料的發(fā)展將面臨著以下挑戰(zhàn)：在環(huán)保方面，需加快研究復(fù)合材料可循環(huán)使用技術(shù)，提高復(fù)合材料的再利用率，降低環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展；在性能方面，為了彌補(bǔ)單一增強(qiáng)體復(fù)合材料的性能不足，可以向多尺度增強(qiáng)體復(fù)合材料的方向拓展，使復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用更加多元化；在整體發(fā)展方面，復(fù)合材料的發(fā)展需要整個汽車產(chǎn)業(yè)鏈的一體化協(xié)同發(fā)展，包括材料、加工工藝、模具、設(shè)計(jì)、設(shè)備、試驗(yàn)等方面，形成產(chǎn)學(xué)研合作的技術(shù)創(chuàng)新體系，技術(shù)提升發(fā)展的空間很大。