在取得最初的幾個(gè)商業(yè)系列成功之后，考特斯德事隆（KautexTextron）闡述了其Pentatonic電池外殼平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程，該平臺(tái)采用玻璃纖維/聚丙烯（PP）或尼龍6（PA6）材料，并對(duì)壓縮成型的層壓板進(jìn)行注塑包覆工藝。
考特斯德事隆的Pentatonic熱塑性復(fù)合材料（TPC）電池外殼平臺(tái)在獲得公司前兩個(gè)量產(chǎn)訂單之前，經(jīng)歷了大量的研發(fā)工作和數(shù)個(gè)樣件階段。該平臺(tái)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵包括：熱塑性材料、長(zhǎng)玻璃纖維、可按需嵌入金屬件的能力，以及主要通過自動(dòng)化壓縮成型和注塑包覆工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)集成式密封特征。
多年來(lái)，電動(dòng)汽車（EV）電池殼體一直被視為復(fù)合材料具有巨大應(yīng)用潛力的領(lǐng)域。由于防火安全標(biāo)準(zhǔn)及其他機(jī)械性能要求，片狀模塑料（SMC）等熱固性復(fù)合材料在討論中長(zhǎng)期占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，近年來(lái)，一些基于熱塑性復(fù)合材料的解決方案——其優(yōu)勢(shì)包括可回收性，以及能夠通過注塑成型等快速和/或低成本工藝實(shí)現(xiàn)易于制造的特點(diǎn)——也已向市場(chǎng)展示，并開始獲得商業(yè)化應(yīng)用。
一級(jí)汽車供應(yīng)商考特斯德事隆不僅設(shè)計(jì)出屢獲殊榮的熱塑性復(fù)合材料電池殼體樣件，目前還正憑借兩個(gè)電動(dòng)汽車系列項(xiàng)目，擴(kuò)大熱塑性復(fù)合材料電池殼體部件的商業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。
考特斯德事隆在推出其Pentatonic平臺(tái)進(jìn)入電池殼體領(lǐng)域之前，專業(yè)從事塑料汽車零部件（如燃油箱）已有數(shù)十年。“到2017年底，我們觀察到全球電動(dòng)出行動(dòng)能強(qiáng)勁，意識(shí)到這可能會(huì)極大地改變汽車行業(yè)。因此，我們開始討論拓展產(chǎn)品組合，將電動(dòng)汽車相關(guān)產(chǎn)品納入其中。”考特斯德事隆工程總監(jiān)羅曼·布菲耶（RomanBouffier）表示。
在考慮公司應(yīng)該開發(fā)哪些部件時(shí)，“電池殼體對(duì)我們來(lái)說(shuō)是非常自然的選擇，”他說(shuō)道，“它是車輛中的儲(chǔ)能系統(tǒng)，而我們以制造燃油箱聞名。因此，這是一個(gè)順理成章的一對(duì)一替代。”
此外，考特斯在滿足車輛底部零部件設(shè)計(jì)要求方面擁有豐富經(jīng)驗(yàn)，具備向全球客戶交付相對(duì)大型零部件的專業(yè)能力，并且有將金屬部件轉(zhuǎn)化為塑料件的先例。“直到20世紀(jì)70年代，燃油箱還是由鋼材制成，而那時(shí)我們就成功將其轉(zhuǎn)換為塑料。對(duì)于面對(duì)金屬電池殼體這一同樣挑戰(zhàn)，我們對(duì)自身的經(jīng)驗(yàn)和能力充滿信心。”布菲耶說(shuō)。
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玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料，壓縮成型與注塑成型
此前專注于非增強(qiáng)塑料的考特斯德事隆，是如何開發(fā)出纖維增強(qiáng)復(fù)合材料電池殼體的？
“當(dāng)時(shí)（大約2017年）一切都處于開發(fā)階段，但我們已經(jīng)在復(fù)合材料方面積累內(nèi)部經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)椴咫娛交旌蟿?dòng)力汽車變得非常流行且產(chǎn)量不斷增加，”布菲耶解釋道，“這類車輛配備了承壓式燃油箱，其要求與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的燃油箱不同。”傳統(tǒng)塑料油箱在施加壓力時(shí)有變形的風(fēng)險(xiǎn)，因此公司開始采用纖維增強(qiáng)塑料進(jìn)行開發(fā)，以增加這些承壓油箱的剛度。
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電池外殼的設(shè)計(jì)因客戶要求和所用電池類型而異（圖中為一個(gè)基于模塊化電池殼體的效果圖），但典型部件包括上蓋和底部防護(hù)件，兩者密封在一起，將容納電池的主殼體夾在中間，此外還包括冷卻、排氣和模塊固定裝置。
很快就能明確，復(fù)合材料也將是電池外殼的最佳材料選擇，因?yàn)榱悴考目箾_擊和防火要求是非增強(qiáng)塑料難以滿足的。考特斯還認(rèn)識(shí)到，與客戶正在考慮的金屬替代方案相比，復(fù)合材料具有顯著優(yōu)勢(shì)。“對(duì)于許多復(fù)合材料應(yīng)用而言，相對(duì)于其他材料（如金屬），使用復(fù)合材料的主要驅(qū)動(dòng)力是輕量化，這對(duì)一些電動(dòng)汽車客戶來(lái)說(shuō)非常重要。不過，在這個(gè)案例中，我們的主要驅(qū)動(dòng)力是成本效益，以及將多種功能集成到一個(gè)復(fù)雜、一次成型的部件中的能力。”布菲耶表示。
他解釋說(shuō)，典型的鋁制電池外殼需要大量型材，這些型材需要按長(zhǎng)度切割并焊接在一起，然后這些焊縫還需要進(jìn)行密封處理。“這給這些焊接點(diǎn)帶來(lái)了泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，并且還需要多個(gè)裝配步驟。而采用注塑成型或壓縮成型等復(fù)合材料工藝，我們可以直接從模具中獲得相同的部件，最終得到一個(gè)本質(zhì)防泄漏的殼體。此外，我們可以直接集成安裝點(diǎn)或橫梁等特征，而且復(fù)合材料不像金屬那樣容易腐蝕。因此，采用復(fù)合材料有很多好處。”他說(shuō)。
由于公司主要業(yè)務(wù)已經(jīng)集中在熱塑性材料上，因此選擇熱塑性方案進(jìn)行電池外殼的開發(fā)是一個(gè)容易的決定。“我們內(nèi)部具備很強(qiáng)的熱塑性能力，熱塑性材料在可回收性方面具有更多固有的優(yōu)勢(shì)，而且追求汽車大規(guī)模量產(chǎn)項(xiàng)目根植于我們的理念之中。”布菲耶補(bǔ)充道。
為了保持零部件的成本效益，玻璃纖維被選為增強(qiáng)材料。“成本也是我們?cè)缙诰蜎Q定專注于聚丙烯（PP）和尼龍（PA）等工程塑料的原因，”布菲耶說(shuō)，“除非一項(xiàng)新技術(shù)能為大規(guī)模汽車生產(chǎn)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，否則你無(wú)法將其引入該領(lǐng)域。”
起初，考特斯受到了一些潛在客戶的質(zhì)疑，他們懷疑采用工程級(jí)熱塑性塑料制成的玻璃纖維復(fù)合材料能否通過像UL94和V-0測(cè)試中那樣嚴(yán)格的防火阻燃和熱失控要求。“這就是為什么我們一開始更專注于PA6，因?yàn)樗哂懈玫淖枞夹阅埽⑶椅覀儗?duì)該材料進(jìn)行了大量測(cè)試和研究，”布菲耶說(shuō)。
然而，結(jié)果卻出乎意料。“我們認(rèn)識(shí)到，滿足防火要求不僅需要正確的材料，還需要部件設(shè)計(jì)與材料（包括樹脂和纖維含量）的緊密結(jié)合，”他說(shuō)，“最終，我們?cè)诜阑鸢踩矫鎸?duì)部件設(shè)計(jì)進(jìn)行了深度優(yōu)化，以至于我們也能有信心利用（成本更低的）PP來(lái)開發(fā)相關(guān)能力。”具體來(lái)說(shuō)，他認(rèn)為可以通過設(shè)計(jì)殼體外部特定的加強(qiáng)筋和法蘭結(jié)構(gòu)來(lái)提供最佳保護(hù)。
重要的是，考特斯還意識(shí)到，盡管與全鋁或全鋼結(jié)構(gòu)殼體相比，復(fù)合材料具有諸多優(yōu)勢(shì)，但這些金屬也可以根據(jù)客戶要求，集成到混合設(shè)計(jì)中以結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn)。“我們可以將鋼板或鋁板集成到我們的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中。通過將所需的機(jī)械性能引入電池殼體的任意部位，我們能夠真正根據(jù)需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，集成大量功能并節(jié)約成本，”布菲耶說(shuō)。
這個(gè)鞋盒大小的電池外殼樣件是采用注塑成型工藝制造的，專為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)。考特斯還展示了在這些部件中加入可回收或生物基樹脂的能力。
研究了哪些制造工藝？“這還是要回到零部件設(shè)計(jì)上來(lái)，”他說(shuō)。公司首先發(fā)展了壓縮成型的能力，“因?yàn)殡姵貧んw的尺寸非常大——很多人認(rèn)為對(duì)于兩平方米大小的薄壁部件，注塑成型是不可行的。所以我們開始使用壓縮成型來(lái)制造大型殼體，但同時(shí)也并行發(fā)展注塑成型的能力，以便能夠快速且經(jīng)濟(jì)高效地為混合動(dòng)力汽車制造較小的、鞋盒大小的殼體。我們希望掌握全方位的能力。”
隨著考特斯德事隆與合作伙伴開展更緊密的合作，并最終完成一系列樣件制造，他們清楚地認(rèn)識(shí)到，對(duì)于許多設(shè)計(jì)而言，最優(yōu)工藝實(shí)際上是兩種能力的結(jié)合——先壓縮成型主要的底部殼體，然后對(duì)多種集成特征進(jìn)行注塑包覆。
基于模塊的全尺寸樣件
在內(nèi)部開發(fā)出初步材料和制造能力之后，考特斯開始與現(xiàn)有及潛在客戶合作，進(jìn)行電池外殼的CAE模型、設(shè)計(jì)研究和概念開發(fā)。然而，“問題在于，我們無(wú)法（向其他潛在客戶）分享這項(xiàng)開發(fā)工作，這始終是保密的，”布菲耶指出。“我們需要一個(gè)可以向全球展示、用以驗(yàn)證這項(xiàng)技術(shù)的全尺寸樣件，因此我們很早就決定投資于相應(yīng)的模具和設(shè)備。”
考特斯與壓縮成型專家WeberFibertech以及材料供應(yīng)商朗盛合作，開發(fā)了這一內(nèi)部名為“地平線項(xiàng)目”（ProjectHorizon）的首個(gè)樣件。
這款基于模塊化設(shè)計(jì)的玻璃纖維/PA6電池殼體樣件，旨在滿足抗沖擊和防火要求。其外層采用了連續(xù)纖維有機(jī)片材以增加額外剛度，并注塑包覆了保護(hù)性法蘭（見底部圖片中的垂直立柱）。
目標(biāo)是開發(fā)出一套尺寸為1400×1400毫米、基于模塊的全尺寸電池殼體，包含上蓋和下蓋，能夠改裝到大眾ID.3中型純電動(dòng)汽車（BEV）上，考特斯已購(gòu)置該車型用于道路測(cè)試。
底部殼體托盤集成了防撞結(jié)構(gòu)，采用直接長(zhǎng)纖維熱塑性塑料（D-LFT）壓縮成型工藝制造。該工藝使用了朗盛（Lanxess）的DurethanB24CMH2.0PA6樹脂和長(zhǎng)玻璃纖維粗紗，同時(shí)在外層采用了朗盛Tepexdyanlite連續(xù)玻璃纖維/PA6材料以增加額外剛度。“底部表面本質(zhì)上是一塊巨大的壓縮成型復(fù)合板材，然后所有功能特征都通過注塑成型工藝添加。這使我們無(wú)需對(duì)整個(gè)表面進(jìn)行注塑，也不需要使用巨大的鎖模力通過壓縮成型將這些功能部件成型到零件中。我們制造出復(fù)合板材，將其放入注塑模具中，合模后，就可以增加加強(qiáng)筋、法蘭區(qū)域、安裝點(diǎn)和密封面，”布菲耶解釋道。
如今，考特斯的電池殼體在其位于中國(guó)工廠的一條高度自動(dòng)化的大噸位壓縮成型生產(chǎn)線上制造。
該樣件也包括一個(gè)壓縮成型的玻璃纖維/PA6上蓋，但布菲耶指出，在碰撞保護(hù)和防火安全方面，最具挑戰(zhàn)性的要求是下蓋和底部防護(hù)件。“上蓋沒有那么復(fù)雜——你甚至可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的鋁制冷卻板作為上蓋，搭配我們的復(fù)合材料下蓋。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，真正有趣的產(chǎn)品是那些棘手的東西；更高的要求需要工程設(shè)計(jì)去尋找新思路。就這一點(diǎn)而言，意味著要更加關(guān)注底部殼體。”
最終的樣件接受并最終通過了一系列國(guó)際公認(rèn)的電池電動(dòng)汽車測(cè)試，例如歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)的ECER100法規(guī)以及中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB38031。
“電芯到電池包”樣件
基于模塊的樣件完成后發(fā)生了什么？布菲耶解釋道：“這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展速度太快了，以至于當(dāng)我們完成第一個(gè)樣件的制造和測(cè)試時(shí)，電池模塊的概念已經(jīng)不是最前沿的了。當(dāng)時(shí)正在開發(fā)的主機(jī)廠項(xiàng)目已經(jīng)從基于模塊的概念轉(zhuǎn)向電芯到電池包（cell-to-pack）的概念。特斯拉是第一家，現(xiàn)在許多主機(jī)廠都在朝這個(gè)方向發(fā)展。因此，我們也開發(fā)了我們的電芯到電池包樣件，以證明我們能夠應(yīng)對(duì)多種電池概念。”
電芯到電池包的底托盤包含了專門設(shè)計(jì)的電芯定位支架，在本案例中，這些支架還與用于緊急泄壓和防止熱失控的爆破片功能相結(jié)合。電池由玻璃纖維/PP電芯固定座固定，這些固定座也可以包含額外的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)或集成式冷卻器。
正是在這個(gè)時(shí)候，公司也決定驗(yàn)證其以PP作為熱塑性基體材料的能力，以證明即便改用這種更具成本效益的樹脂，電池殼體仍然能夠滿足防火安全要求。
電芯到電池包殼體的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)在于：電池是以無(wú)數(shù)個(gè)小電芯的形式插入的，需要配合適當(dāng)?shù)臒峁芾韺⑵涔潭ǖ轿弧Ｒ酝脑O(shè)計(jì)通常采用某種結(jié)構(gòu)泡沫注入殼體內(nèi)部。
在這個(gè)概念中，考特斯尋求一種更堅(jiān)固且產(chǎn)生廢料更少的解決方案。與基于模塊的設(shè)計(jì)類似，該樣件包括一個(gè)由長(zhǎng)玻璃纖維（這次使用的是PP）壓縮成型的下蓋，以及一個(gè)由玻璃纖維/PP有機(jī)片材層增強(qiáng)的上蓋。然后，考特斯將玻璃纖維/PP電芯定位支架以及緊急泄壓閥和其他特征，通過注塑包覆的方式直接成型在下蓋中。
隨著兩個(gè)樣件項(xiàng)目的推進(jìn)，以及公司開始為最終的量產(chǎn)客戶項(xiàng)目做規(guī)劃，考特斯德事隆最終決定將壓縮成型能力內(nèi)部化，并在其中國(guó)工廠建立了一條大噸位的生產(chǎn)線。“這也為我們開發(fā)原型樣件提供了更大的自由度，”布菲耶說(shuō)。
從2023年開始，公司開始參加一系列貿(mào)易展和客戶技術(shù)日活動(dòng)，向汽車行業(yè)介紹Pentatonic電池殼體平臺(tái)。“一旦我們擁有了這些可以在展會(huì)、展覽和會(huì)議上向客戶展示的大型復(fù)合材料部件，局面就發(fā)生了根本性改變，”布菲耶說(shuō)，“客戶能夠親手觸摸和感受這個(gè)部件，我們也能夠?yàn)樗麄兲峁?shù)據(jù)和部件，讓他們?cè)趦?nèi)部自行測(cè)試，進(jìn)行真實(shí)的防火和碰撞試驗(yàn)。‘地平線項(xiàng)目’為我們打開了許多扇門。”
行業(yè)獎(jiǎng)項(xiàng)與首批量產(chǎn)系列部件
這些門中的第一批是多個(gè)表彰公司成就的獎(jiǎng)項(xiàng)。2022年，考特斯榮獲SPE中歐汽車分會(huì)“賦能者”類別獎(jiǎng)項(xiàng)以及中國(guó)“朗軒創(chuàng)新獎(jiǎng)”；2023年，Pentatonic平臺(tái)榮獲SPE“GrandInnovationAward”。
一個(gè)多材料底護(hù)板的示例，該護(hù)板將壓縮成型的熱塑性復(fù)合材料（TPC）板與鋁板相結(jié)合，作為針對(duì)越野動(dòng)態(tài)沖擊的額外增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。使用同一套模具，考特斯還為公路車輛制造了全TPC版本。見下方視頻中的自動(dòng)化生產(chǎn)單元。
這款底護(hù)板實(shí)際上有兩種變體，均出自同一套模具（這對(duì)為主機(jī)廠降低工裝成本來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常酷的成就）。一種是適用于公路的全熱塑性版本，另一種是適用于越野的多材料版本。因此，圖示顯示的是越野版本。鋁板用于增強(qiáng)巖石爬行能力（就像你在猶他州摩押看到的那種路況），以滿足2.5kJ的動(dòng)態(tài)沖擊要求，但并非用于冷卻，因?yàn)樵撟o(hù)板位于電池包的外側(cè)。
隨后，考特斯于2023年初收到了第一個(gè)TPC底護(hù)板的系列生產(chǎn)訂單，用于電池殼體下方的額外保護(hù)。
2025年，考特斯宣布獲得了一份為客戶生產(chǎn)底部電池殼體的合同。目前還不能透露該主機(jī)廠的名稱，由于該平臺(tái)將在2027年款車型上首次亮相，也不能展示具體的殼體圖片，但布菲耶指出：“我們可以說(shuō)的是，這是一個(gè)電芯到電池包的概念，并且是一個(gè)集成了多種車型的大規(guī)模量產(chǎn)平臺(tái)。”
“與該主機(jī)廠的合作故事始于相當(dāng)久之前，從前期工作和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)日活動(dòng)開始，”他繼續(xù)說(shuō)道，“我們舉辦了一場(chǎng)大型技術(shù)日活動(dòng)，來(lái)自（主機(jī)廠）金屬團(tuán)隊(duì)的一些技術(shù)人員在那里看到了我們的（樣件ID.3）車輛。他們鉆到車底，查看了所有的東西。這就是一切的開端。該主機(jī)廠的工程團(tuán)隊(duì)開始與我們討論，我們共同啟動(dòng)了一個(gè)預(yù)開發(fā)項(xiàng)目，并根據(jù)他們的要求進(jìn)行了定制化開發(fā)。”
在這個(gè)設(shè)計(jì)中，底部殼體具有2平方米的表面積，既起到底部防護(hù)的作用，又為整個(gè)殼體提供密封功能。“這與純粹的底護(hù)板有一個(gè)重要的區(qū)別，”布菲耶指出，“在所有損壞和碰撞的情況下，電池可能會(huì)撞擊殼體內(nèi)側(cè)——保持其密封性是絕對(duì)必要的。因此，圍繞這一點(diǎn)進(jìn)行了大量密集的開發(fā)工作，從仿真開始，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的測(cè)試以驗(yàn)證仿真，最后進(jìn)行全尺寸測(cè)試。”他補(bǔ)充說(shuō)，CAE在開發(fā)過程中發(fā)揮了重要作用——緊湊的設(shè)計(jì)空間不允許有過度的工程設(shè)計(jì)。
開發(fā)過程首先是將客戶現(xiàn)有的鋁制電池殼體與考特斯的Pentatonic樣件進(jìn)行評(píng)估和對(duì)比。“然后我們能夠根據(jù)客戶的具體要求對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，”他說(shuō)，“通過最初的樣件，我們了解了哪些能做哪些不能做，并將這些經(jīng)驗(yàn)直接應(yīng)用到該客戶的設(shè)計(jì)中，以確保我們避免任何內(nèi)部和外部防火測(cè)試的問題。在該項(xiàng)目中，復(fù)合材料每次都優(yōu)于鋁材。”
這一量產(chǎn)設(shè)計(jì)起始于一塊壓縮成型的金屬-復(fù)合材料混合板，其中帶有模塑成型的深拉結(jié)構(gòu)，將連續(xù)玻璃纖維/PP層壓板與薄鋼板層疊在一起。“連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料與鋼的組合非常獨(dú)特，這是該概念的關(guān)鍵之一，”布菲耶說(shuō)，“與玻璃纖維相比，鋼材以非常低的成本帶來(lái)了大量的剛度和彈性，而周圍的復(fù)合材料可以說(shuō)保護(hù)了鋼材免受腐蝕。”
通過注塑包覆長(zhǎng)玻璃纖維/PP，可以增加加強(qiáng)筋、排氣通道、螺紋點(diǎn)和密封面。“這種材料與壓縮成型件所用的材料相同，因此我們能在板材與注塑包覆材料之間的整個(gè)界面上實(shí)現(xiàn)牢固的粘合與密封。這正是此工藝的妙處所在。”他說(shuō)道。
“我們之所以贏得這些底部殼體訂單，是因?yàn)槲覀兡軌蛘故境霾牧纤鶐?lái)的巨大優(yōu)勢(shì)——底盤的耐腐蝕性、最高的機(jī)械性能，以及能夠根據(jù)局部要求進(jìn)行調(diào)節(jié)的能力。我們切實(shí)展示了從鋁材或鋼材轉(zhuǎn)向復(fù)合材料或混合復(fù)合材料殼體所帶來(lái)的好處。”
預(yù)計(jì)到2026年底，配備這些電池殼體的電動(dòng)汽車將上路行駛。而隨著考特斯德事隆持續(xù)發(fā)展并落實(shí)其Pentatonic平臺(tái)，未來(lái)還將有更多此類產(chǎn)品問世。
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