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電動(dòng)汽車(EV)結(jié)構(gòu)的輕量化是幫助延長(zhǎng)續(xù)航里程的一個(gè)關(guān)鍵因素，這是加速電動(dòng)車普及的必要條件。一個(gè)具體的減重對(duì)象是用來(lái)放置電池的電池盒。

迄今為止，既要支撐電池重量又要保護(hù)電池的要求往往使這些外殼本身變得沉重。不過(guò)，現(xiàn)在，一些研究計(jì)劃正在尋求通過(guò)使用新的輕質(zhì)材料應(yīng)用來(lái)緩解這種情況。

在德國(guó)達(dá)姆施塔特的Fraunhofer結(jié)構(gòu)耐久性和系統(tǒng)可靠性研究機(jī)構(gòu)，一個(gè)新完成的項(xiàng)目開發(fā)了一種輕質(zhì)電池外殼，該外殼由連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料 (CFRTP) 采用創(chuàng)新的泡沫注塑成型工藝制成。該結(jié)構(gòu)使用了兩層CFRTP，中間有一層泡沫層，據(jù)稱與鋁制結(jié)構(gòu)相比，重量可減少40%。

三明治結(jié)構(gòu)

該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人 Felix Weidmann 博士證實(shí)了這些細(xì)節(jié)。“這種結(jié)構(gòu)基于三明治結(jié)構(gòu)，旨在在低重量的情況下實(shí)現(xiàn)非常高的力學(xué)性能。這是在組件中遵循輕量級(jí)設(shè)計(jì)方法的經(jīng)典方法，可以在許多應(yīng)用中找到，”他說(shuō)。“到目前為止，這一直非常昂貴，但我們的新材料和工藝方法在成本敏感的應(yīng)用中更具競(jìng)爭(zhēng)力。”

在制造過(guò)程中，外層首先由交叉單向(UD)膠帶鋪設(shè)程序形成。必要的固結(jié)過(guò)程是使用雙帶壓機(jī)完成的，Weidmann 博士將其描述為“制造熱塑性復(fù)合材料層合板最具成本效益的方法”。然后在激光切割和局部熱成形過(guò)程中進(jìn)行“3D預(yù)成型”，只對(duì)需要彎曲的結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行加熱和冷卻循環(huán)，以達(dá)到所需的形狀。Weidmann博士解釋說(shuō)：“切口和它們特定的輪廓可以折疊成3D預(yù)制件，類似于包裝箱/紙箱。”

此外，Weidmann 博士說(shuō)，這種“熱彎曲”技術(shù)避免了材料結(jié)晶特性的更廣泛的改變，否則可能會(huì)在實(shí)際的電池外殼制造過(guò)程中造成問(wèn)題。“我們?cè)谛枰獜澢喞詫?shí)現(xiàn) 3D 預(yù)制件的地方引入了局部熱循環(huán)，”他指出。

在注射成型過(guò)程中，外層與泡沫層相結(jié)合以產(chǎn)生承載能力。“這基本上是聚合物界面的熔融鍵合過(guò)程，” Weidmann 博士說(shuō)。“在加工過(guò)程中，模具和材料的溫度以一種能夠使泡沫芯材和復(fù)合材料面板之間牢固粘合的方式確定，” 他說(shuō)，所需的注入壓力非常低，泡沫芯的注射大約需要5秒鐘。目前，將工件從模具中取出所需的冷卻時(shí)間接近120秒，但 Weidmann 博士相信可以實(shí)現(xiàn)更短的時(shí)間。

雖然三明治式的材料配方已經(jīng)是一種很好的實(shí)現(xiàn)輕量化和高強(qiáng)度結(jié)合的方法，但Weidmann博士表示這個(gè)項(xiàng)目仍然擁有許多創(chuàng)新功能。“在熱塑性復(fù)合材料混合注射成型技術(shù)領(lǐng)域，這種原位CFRTP夾層成型工藝是一種非常新的工藝，”他說(shuō)，“但我們是世界上唯一一家將其推向如此龐大且技術(shù)要求極高的3D結(jié)構(gòu)（比如電池外殼）的公司。”

Fraunhofer 過(guò)程：

一個(gè)必須解決的特殊問(wèn)題涉及三明治結(jié)構(gòu)的收縮和翹曲預(yù)測(cè)，以及泡沫芯和復(fù)合材料面板之間的關(guān)鍵粘合發(fā)展。正如Weidmann博士指出的那樣，“目前還沒(méi)有商業(yè)上可用的模擬解決方案。”然而，該項(xiàng)目使用Weidmann博士自己開發(fā)的新方法，成功地驗(yàn)證了收縮和翹曲的適當(dāng)模擬，以及后一種情況下的粘合行為。

因此，Weidmann博士相信最終的材料和工藝組合提供了一種吸引力的混合功能。“由于結(jié)構(gòu)原因，它不需要任何金屬，”他說(shuō)。“這是一種完全由聚合物和復(fù)合材料制成的電池結(jié)構(gòu)，可以容納任何形狀的電池。”他補(bǔ)充說(shuō)，除了重量輕、成本低和不導(dǎo)電外，該技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了設(shè)計(jì)的自由，包括幾何形狀和材料的選擇，以支持“幾乎任何應(yīng)用要求，包括非常強(qiáng)的阻燃性”。

該項(xiàng)目涉及分別由菲亞特(Fiat)和依維柯(Iveco)參與的插電式電動(dòng)汽車和全電動(dòng)巴士的電池外殼開發(fā)，但Weidmann博士表示，已經(jīng)有來(lái)自更廣泛行業(yè)的令人鼓舞的反饋。此外，他說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)并不局限于電池結(jié)構(gòu)，還適用于任何要求成本效益輕量化設(shè)計(jì)的組件。

聯(lián)盟開發(fā)的解決方案

在德國(guó)的其他地方，一個(gè)企業(yè)聯(lián)盟在過(guò)去幾年的工作中開發(fā)了一種電池外殼，該外殼使用安裝在鋁基板上的玻璃纖維增強(qiáng) SMC（片狀模塑料），據(jù)稱有助于減輕約 10% 的重量與常用的現(xiàn)有材料組合相比，不會(huì)影響機(jī)械性能。涉及的企業(yè)包括：玻璃纖維產(chǎn)品制造商 Lorenz Kunststofftechnik；材料化學(xué)專家贏創(chuàng)；材料和生產(chǎn)工藝開發(fā)商 Forward Engineering；電池供應(yīng)商 LION Smart；復(fù)合材料專家 Vestaro 和電池外殼供應(yīng)商 Minth。

Lorenz Kunststofftechnik 首席運(yùn)營(yíng)官 Peter Ooms 表示，該項(xiàng)目使用贏創(chuàng)的環(huán)氧固化劑來(lái)開發(fā)密度在 1.5-1.7gm/cm 之間的新型 SMC。“它具有出色的性能，例如大于 350 MPa 的彎曲強(qiáng)度、大于 18,500 MPa 的彎曲彈性模量和大于 150kJ/m2 的抗沖擊性，”他報(bào)告說(shuō)。“此外，通過(guò)使用環(huán)氧樹脂代替通常的聚酯樹脂，可以消除通常在使用玻璃纖維增強(qiáng) SMC 材料時(shí)出現(xiàn)的其他問(wèn)題。”

Ooms 表示，熱性能也令人印象深刻。“該材料可在 800°C 下承受 10 分鐘而不會(huì)燒穿，其絕緣性能可保護(hù)周圍的組件和材料免受超過(guò) 300°C 的溫度影響。此外，通過(guò)使用環(huán)氧樹脂代替通常的聚酯樹脂，可以消除在使用玻璃纖維增強(qiáng) SMC 材料時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)的其他問(wèn)題。”

但是Ooms也指出了新發(fā)展中的三個(gè)特別的創(chuàng)新。他說(shuō)：“首先，原料在20°C的常溫條件下可以保存數(shù)月。”“第二是在材料中加入脫模劑，這樣材料就不會(huì)粘在模具上。第三，任何使用傳統(tǒng)或高科技SMC的客戶都可以在不改變工藝的情況下使用這種材料。”

據(jù) Ooms 稱，進(jìn)一步的工作是針對(duì)完全復(fù)合結(jié)構(gòu)的開發(fā)，但他確認(rèn)新產(chǎn)品已經(jīng)引起了汽車行業(yè)的興趣。“已經(jīng)有幾家汽車制造商做出了承諾，”他表示。

一些公司聯(lián)合開發(fā)了一種電池外殼，使用玻璃纖維增強(qiáng)SMC安裝在鋁基板上，據(jù)稱比常用的材料組合可減輕10%的重量。

輕質(zhì)層壓板

與此同時(shí)，在英國(guó)，位于Pershore的Stalcom汽車技術(shù)公司推出了一種新的輕質(zhì)層壓電動(dòng)車電池基板技術(shù)，暫時(shí)稱為輕質(zhì)層壓板，該技術(shù)將鋁與聚丙烯復(fù)合材料結(jié)合在一起，創(chuàng)造出一種所謂的“利用兩種材料的最佳性能的非均質(zhì)混合材料”。該產(chǎn)品使用了德國(guó)Huesker合成公司生產(chǎn)的CFRTP材料層，并使用了英國(guó)公司Powdertech Surface Science的無(wú)膠粘劑粉末粘結(jié)工藝，據(jù)稱該工藝提供的粘結(jié)強(qiáng)度是膠粘劑同類產(chǎn)品的三倍。

據(jù)Stalcom董事總經(jīng)理Bob Mustard 表示，該產(chǎn)品的一個(gè)關(guān)鍵元素是使用這種連接技術(shù)，該技術(shù)是由Powdertech專門開發(fā)的，用于解決與將熱塑性材料粘合到金屬上的相關(guān)問(wèn)題。他說(shuō)：“這是將金屬與聚丙烯連接起來(lái)的一個(gè)突破性工藝，簡(jiǎn)單、快速且干凈。”

Mustard 說(shuō)，如果需要，制造過(guò)程開始于復(fù)合材料和鋁層的預(yù)切割和成型，這些復(fù)合材料和鋁層已經(jīng)應(yīng)用了粘合涂層，并將機(jī)械固定件插入到鋁中。然然后將鋁板在短周期壓縮成型過(guò)程中熱熔到聚丙烯復(fù)合材料上，制成的組件可以直接從模具中使用。他補(bǔ)充道，加工技術(shù)和周期時(shí)間可以變化，以適應(yīng)低、中或高產(chǎn)量，而只需稍作工藝更改即可。他表示：“一旦冷卻并從工具中取出，所得到的組件在使用前只需很少或不需要后處理。”

由于復(fù)合材料和鋁的熱膨脹系數(shù)不同，Mustard的設(shè)計(jì)、工具和加工需要適應(yīng)這一點(diǎn)，以避免后續(xù)問(wèn)題。然而，他強(qiáng)調(diào)，基本的制造過(guò)程是完全簡(jiǎn)單的。“這些材料是在傳統(tǒng)的壓縮成型工藝中組裝和成型的，”他確認(rèn)道。

“出于安全相關(guān)的原因，頂部和底層通常是絕緣復(fù)合材料，中間鋁層為 EMC 屏蔽和接地安全提供接地層，”Mustard說(shuō)。“迄今為止，已經(jīng)構(gòu)建并測(cè)試了三層和五層設(shè)計(jì)，其中五層設(shè)計(jì)具有兩個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)電層，提供類似于多層 PCB 的互連可能性。”

Mustard 可以列舉出與單片復(fù)合材料或均質(zhì)金屬相比，該材料在 EV 電池外殼和基板方面的一系列性能優(yōu)勢(shì)。這些包括：層間故障安全內(nèi)部連接；非常高的抗穿刺性；與全鋁基板相比，隔熱性能得到改善，內(nèi)部峰值溫度降低了60°C；并易于拆卸最終層壓板，以方便材料的再利用和回收。

事實(shí)上，英國(guó)小型汽車制造商瓦特電動(dòng)汽車公司(Watt Electric Vehicle Company)已經(jīng)指定了這種材料技術(shù)，用于其即將推出的Coupe跑車的平臺(tái)，客戶計(jì)劃在明年第一季度交貨。Mustard表示：“它構(gòu)成了電池的底板，并以 ‘cell to chassis’ 的設(shè)計(jì)完全集成到底盤中，”Mustard 說(shuō)。“這將是首批展示底盤即電池盒概念的車輛之一。” 

原標(biāo)題：跳出框框思考：電池外殼的輕量化