电动汽车电池外壳——质量、成本以及耐久性的改进（上）

WardsAuto.com报道，2022年3月，全球交付的车辆中几乎有四分之一是电动车。尽管疫情流行放缓，供应链仍面临挑战，缺乏广泛的充电基础设施以及消费者不愿意接受混合动力车和电池电动车（HEV，BEV）等诸多不利因素，汽车电气化的步伐仍在急剧加快。最后一条消费者不愿接受的原因主要是由于较高的标价，对驾驶里程的担忧挥之不去，以及无法像石油动力汽车那样以相同的速度和便利性进行充电。虽然挑战重重，但从2019年全球新乘用车销量的2.5%增长到今年第一季度的近25%，仍是一项了不起的成就。

上一篇，在 "复合材料在电动汽车中的机遇和挑战 "中，我们讨论了一级供应商在生产电动汽车（EV）复合电池外壳时面临的问题。我们还强调了CAE软件供应商和一些一级层级供应商为更容易准确模拟复合材料外壳的制造和实际性能所做的努力，尤其那些具有不连续纤维增强的电池外壳。我们还注意到石墨烯纳米片技术是如何应用于电池外壳以提高复合材料性能。本篇文章的重点是介绍在当下性能和安全要求变得如此苛刻的条件下，材料供应商是如何开发更高性能复合材料的工作，以满足汽车制造商和电池模块生产商当前和未来的需求。

如前所述，高压电动车电池系统的外壳需要平衡一系列复杂的需求。首先，它们必须提供长期的机械性能—包括扭转、模态和弯曲刚度，以便在模块的使用寿命内承载重型电池系统，同时保护电池免受腐蚀、电气短路、石头撞击、灰尘和湿气入侵以及电解液泄漏等侵害。在某些情况下，电池外壳还被设计为防止静电放电（ESD）和来自附近系统的电磁干扰/射频干扰（EMI/RFI），包括高级驾驶辅助系统（ADAS）雷达。

其次，在发生碰撞的情况下，外壳必须从物理上保护电池系统不被挤压、刺伤或因进水/湿气而短路。第三，电动汽车电池系统必须有助于在各种天气下的充电/放电过程中保持电池单元在理想的热工作范围内。如果车辆发生火灾，它们还必须尽可能长时间地防止电池模块起火，同时保护车内人员免受电池组内热失控事件导致的热量和火焰的影响。然后是减重以增加每次充电的行驶里程，确保多组件系统的堆叠公差不超过可用的封装空间（防止装配到车辆上）、成本、可维护性和报废（EOL）回收等所有挑战。以下是摘取了八个材料供应商如何应对这些挑战的总结，以飨读者。

英力士

不出所料，自2011以来，美国IINEOS（英力士）复合材料公司（美国）的材料已经在北美的HEV和BEV的SMC电池盖上应用，并在中国市场用于多个平台的电池盖。

原始设备制造商正在迅速制定更精细的电动汽车电池外壳的性能和材料规范，其中大多数更新涉及阻燃要求或底部和侧面碰撞保护需求。而为了应对这些不断变化的要求，英力士表示最近他们推出了一种新型高性能、高性价比的树脂系统—Arotran 2502，此树脂系统专门为SMC电池外壳配制。据称，该材料具有高强度和高耐热性，在复合过程中出色的润湿性和流动性使其更容易实现更高的玻璃或碳纤维负载量以实现卓越的强度和刚度，更高的矿物填料负载量以降低成本或提高阻燃性能或更高的玻璃微球负载量以减轻零件重量。此外，尤其制备的SMC 可以很好地填充复杂的零件模具，从而实现更大的零件整合并使电池模块的体积效率更高。

使用 INEOS 复合材料公司的新型树脂系统 Arotran 2502 的三种 SMC 复合物的典型性能

该公司报告还宣称，使用该新材料的SMC在2.0毫米处通过了UL 94 5VA测试，而一些基于UP和VE的SMC配方在该厚度下未通过测试，并且其在其他火焰测试中表现也很好。在用于内部屏蔽的扩展火焰测试中，即使在800°C下暴露10分钟，面板的完整性仍旧保持。在热重分析（TGA）测试中，新材料显示出最高的初级温度值，表明Arotran 2502比传统的UP和VE树脂更能抵抗热降解。即使在苛刻的UL箱体热失控测试中，基于Arotran 2502的SMC也显示出非常好的结果。据悉，后续进行的工作集中在改进加工、成本、性能和可持续性上。

约翰斯-曼维尔

去年秋天，美国Johns Manville公司（JM即约翰斯-曼维尔）通过从阴离子聚合己内酰胺生产基于聚酰胺6（PA6）的Neomera有机板材生产线。其最初的产品是用玻璃纤维机织和非卷曲织物（NCF）增强，但据说其他更长的短切纤维—玻璃或碳纤维或两者兼有的织物正在开发并即将推出上市。

用己内酰胺单体而不是完全聚合的PA6聚合物进行浸渍的一个好处是，粘度要低得多，因此有机片材可以实现出色的纤维浸润性和更高的纤维体积分数（FWFs）。这导致复合材料部件具有更高的刚度、强度和抗冲击性。玻璃纤维热塑性塑料（GMT）/有机片材型产品的另一个优点是，只要基体兼容，具有不同纤维类型和结构的层状材料可以在成型前分层进入压缩压力机。同时可提供极大自由度，可以有选择地用连续纤维增强加固需要更高机械性能的区域，也可以用非连续纤维提供良好的流动性和纤维渗透性来填充复杂几何形状。由于玻璃纤维/PA6复合材料的韧性，据报道这种材料正被评估用于一些汽车应用，包括结构性电池外壳。

据称，约翰斯-曼维尔（JM）公司一直与德国一家Forward Engineering GmbH公司的美国办事处合作，该公司拥有设计电池外壳系统以及提供电池外壳原型设计、测试和验证的特殊专长，对JM的全热塑外壳设计进行了全面的机械和碰撞模拟。这反过来又为先进的材料开发确定了具体的层级，以用于碰撞模拟，支持特定应用的客户项目。

约翰斯-曼维尔（JM）公司表示，已经注意到外界对高压电池外壳开发支持的需求急剧增加，早期该公司的工作集中在复合材料密集型结构的设计和模拟上，目标是实现最高的碰撞性能和减重，而最近其重点已经扩大到管理热失控性能、电磁兼容性以及电池单元和模块的环境保护等更复杂的挑战上，例如防止液体和安全壳的入侵。

随着汽车行业中电池电动化的未来前景越来越明朗，这将会使得纤维增强聚合物在汽车材料组合中占据更大份额。

朗盛

去年年底，德国Lanxess AG（朗盛）宣布，它正在与汽车一级供应商Kautex Textron GmbH & Co. KG（德国）合作，探索在大型电动车电池外壳上使用热塑性复合材料来替代钢和铝。Kautex公司负责组件和工艺开发，而朗盛负责材料开发。这两家公司不仅开发而且验证了一种全热塑性复合材料电池外壳技术。

其目的是展示复合材料在降低质量和成本、功能集成和电气绝缘方面的优势，用于C级（中型）轿车的1,400 x 1,400毫米的电池外壳。该系统由一个连接到整体碰撞结构的托盘和车底保护装置以及一个盖子组成。组件由Durethan B24CHM2.0玻璃纤维增强PA6直接长纤维热塑性塑料（D-LFT）压缩成型，这是一种专门为压缩D-LFT量身定制的化合物，是一种一非常适合快速生产大型零件且具有成本竞争力的一步到位工艺。托盘的碰撞结构是用Tepex dynalite连续玻璃纤维增强PA6进行局部增强，以满足该应用的极高结构要求。据报道，该外壳已经通过了ECE R.100的外部防火测试。

Kautex公司和朗盛合作开发的一种全热塑复合电动车电池外壳，在提供结构性能、整体热管理和插入式模塑硬件以方便组装的同时，实现了高达15%的质量节省、20%的成本节省和45%的二氧化碳足迹减少

有了复合材料，可以通过整合紧固件和热管理组件，充分利用其设计自由度，大大减少电池外壳的单个组件的数量。并简化了装配和物流工作，降低了生产成本。复合材料还具有抗腐蚀性，而且更轻，这增加了每次充电的行驶里程。此外，它们还具有电绝缘性，从而减少了系统短路的风险。

（未完待续）