電動(dòng)汽車蓄電池箱用復(fù)合材料

　　

　　

　　　　

　　2023年1月12日，中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布了2022年汽車市場(chǎng)產(chǎn)銷數(shù)據(jù)。2022年我國(guó)汽車產(chǎn)銷分別完成了2702.1萬(wàn)輛和2686.4萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)3.4％和2.1％。其中，新能源汽車在2022年的優(yōu)異表現(xiàn)成為我國(guó)汽車市場(chǎng)保持正向增長(zhǎng)的關(guān)鍵。

　　

　　2022年我國(guó)新能源汽車全年產(chǎn)銷量分別完成705.8萬(wàn)輛和688.7萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)96.9％和93.4％，市場(chǎng)占有率達(dá)到25.6％，高于2021年12.1個(gè)百分點(diǎn)。

　　

　　而網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)顯示， 2022年11月份，全球電動(dòng)汽車銷量繼續(xù)保持兩位數(shù)的同比增幅（46%）,電動(dòng)汽車銷量占全球整體汽車市場(chǎng)18%的份額,其中純電動(dòng)汽車的市場(chǎng)份額增長(zhǎng)到13%。

　　

　　毫無(wú)疑問(wèn)，電動(dòng)化已經(jīng)地成為全球汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。在全球新能源汽車爆發(fā)式增長(zhǎng)趨勢(shì)下，電動(dòng)汽車蓄電池箱用復(fù)合材料也迎來(lái)了極大的發(fā)展機(jī)遇，各大車企也對(duì)電動(dòng)汽車蓄電池箱用復(fù)合材料技術(shù)和性能提出了更高的要求。

　　

　　

　　

　　加速實(shí)現(xiàn)汽車輕量化——電池外殼

　　

　　

　　

　　汽車復(fù)合材料的另一個(gè)重要推動(dòng)力是全球推行的2050年實(shí)現(xiàn)零排放，這將促進(jìn)電動(dòng)汽車（EV）的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的大幅度增加。2020年9月，加利福尼亞州宣布，將要求該州銷售的所有新乘用車和卡車在2035年前實(shí)現(xiàn)無(wú)排放。與此同時(shí)，歐盟提出了2030年的目標(biāo)，將新車二氧化碳減排目標(biāo)設(shè)定為37.5%。BloombergNEF先進(jìn)材料負(fù)責(zé)人朱莉婭·阿特伍德在IACMI 2020年秋季成員會(huì)議上表示，到2025年，電動(dòng)汽車的平均價(jià)格預(yù)計(jì)將降至內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車的價(jià)格以下。她預(yù)測(cè)，到2037年，全球電動(dòng)汽車銷量將超過(guò)ICE汽車，到2050年將達(dá)到5000萬(wàn)輛/年。

　　

　　動(dòng)力總成技術(shù)中范式轉(zhuǎn)變?cè)诖笠?guī)模引入對(duì)堅(jiān)固的電池外殼系統(tǒng)的需求，該系統(tǒng)能夠滿足嚴(yán)格的機(jī)械和沖擊要求，以及在電池起火時(shí)保護(hù)車輛乘員的防火、防煙和毒性性能。此外，由于電池組給車輛增加了很大的重量，因此要求盡可能的減輕外殼的重量。

　　

　　由于所有這些原因，復(fù)合材料在電池外殼應(yīng)用中被證明是非常有利的，并且這些結(jié)構(gòu)正在為復(fù)合材料在地面運(yùn)輸中，諸如汽車、卡車、公共汽車和其他車輛中的使用提供了主要機(jī)會(huì)。

　　

　　

　　

　　組裝完成的電池外殼

　　

　　多家材料供應(yīng)商、汽車制造商和復(fù)合材料制造商宣布了電動(dòng)汽車用電池外殼解決方案。

　　

　　隨著原始設(shè)備制造商試圖增加BEV的行駛里程，復(fù)合材料有助于抵消電池重量，同時(shí)通過(guò)輕型電池外殼提高安全性。

　　

　　例如，帝人汽車技術(shù)（美國(guó)密歇根州奧本山）在北美、歐洲和亞洲擁有壓塑復(fù)合電動(dòng)汽車電池蓋和全外殼十多年，主要使用短纖維/熱固性片狀模塑料 (SMC)。不過(guò)，該公司已開(kāi)始探索使用樹(shù)脂傳遞模塑 (RTM) 和濕壓模塑工藝的連續(xù)增強(qiáng)材料。帝人也在研究混合材料方法，使用長(zhǎng)纖維局部增強(qiáng)短切纖維材料，并致力于為其更高容量的材料創(chuàng)建材料卡（用于模擬軟件）以幫助其客戶開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。

　　

　　復(fù)合材料風(fēng)力葉片生產(chǎn)商TPI Composites Inc.（美國(guó)亞利桑那州斯科茨代爾）也在生產(chǎn)復(fù)合材料電池外殼組件，包括用于多個(gè)地區(qū)的大型項(xiàng)目，以及為預(yù)計(jì)將于2023年至2024年推出的4-8級(jí)電動(dòng)卡車開(kāi)發(fā)電池外殼。該公司花了六年時(shí)間開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證各種材料/工藝選項(xiàng)，以滿足一系列質(zhì)量、成本和其他性能要求。這些主要基于浸漬酚醛或高溫阻燃環(huán)氧樹(shù)脂的連續(xù)纖維（玻璃、碳或混合物），用于高壓RTM、濕復(fù)合成型和其他技術(shù)。

　　

　　聚氨酯HP-RTM電池上殼體——集安全、高效和輕量化為一體

　　

　　　　

　　高新技術(shù)企業(yè)卡淶科技與科思創(chuàng)共同推出了使用高壓樹(shù)脂傳遞模塑成型（HP-RTM）工藝的聚氨酯電池包上殼體解決方案，并在主流動(dòng)力電池制造商實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。本次合作研發(fā)開(kāi)創(chuàng)了聚氨酯復(fù)合材料在新能源汽車電池包領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　

　　聚氨酯HP-RTM制造工藝實(shí)現(xiàn)“以塑代鋼”，可用于電池包。

　　

　　據(jù)介紹，該款聚氨酯電池包上殼體解決方案在今年通過(guò)了歐盟REACH和RoHS認(rèn)證，以及中國(guó)GB38031-2020的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試，并在機(jī)械性能、高溫高濕老化、氙燈老化、耐酸、耐堿、耐高溫和絕緣性能等一系列標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試中表現(xiàn)出色。全新的聚氨酯HP-RTM制造工藝實(shí)現(xiàn)了“以塑代鋼”的減重要求。

　　

　　

　　

　　相較于其他工藝，全新的HP-RTM工藝使用自動(dòng)化鋪層技術(shù)，效率大幅提升，降低了制造成本。生命周期評(píng)估顯示，相較傳統(tǒng)金屬工藝，使用HP-RTM工藝產(chǎn)生的二氧化碳排放也更低。

　　

　　此外，電池包減重可以為整車降低碳排放的同時(shí)增加電動(dòng)車的續(xù)航里程，一舉兩得。采用此HP-RTM聚氨酯復(fù)合材料制備的電池包上殼體，得益于其強(qiáng)大的物理性能和低密度優(yōu)勢(shì)，可輕松實(shí)現(xiàn)輕薄電池殼解決方案的量產(chǎn)。

　　

　　整個(gè)殼體平均厚度在1.5mm左右，最薄可以做到0.8mm。在確保輕量化的同時(shí)，還能保持高強(qiáng)度和高韌性的特性，在目前所有非金屬解決方案中，優(yōu)勢(shì)突出。

　　

　    *  比強(qiáng)度鋼輕60%

　　

　　*   比SMC輕50%

　　

　　*  比鋁合金輕20%

　　

　　

　　

　　相較于預(yù)浸料工藝，HP-RTM工藝通過(guò)優(yōu)化纖維鋪層設(shè)計(jì)，在相當(dāng)大的程度上實(shí)現(xiàn)了鋪層的自動(dòng)化，大大地提升了生產(chǎn)效率。而且，其模具費(fèi)用、操作人工、運(yùn)營(yíng)成本和質(zhì)量穩(wěn)定性都有大幅提升。

　　

　　

　　

　　HP-RTM工藝只需在預(yù)成型階段安排少量工位，同時(shí)利用一臺(tái)注膠機(jī)配合兩臺(tái)壓機(jī)的“一拖二”設(shè)計(jì)，在縮短產(chǎn)品成型周期以提高生產(chǎn)效率的同時(shí)確保了成本的可控性。除此之外，預(yù)浸料的存放對(duì)溫度和濕度有嚴(yán)格的生產(chǎn)管理要求，而HP-RTM的工藝路線則較為寬容。

　　

　　以預(yù)制件生產(chǎn)復(fù)雜的車輛結(jié)構(gòu)件

　　

　　　　

　　Cannon Tipos公司和Coriolis復(fù)合材料公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種制造工藝，可以從接近凈形的干預(yù)制件中制造出復(fù)雜的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）部件作為半成品。

　　

　　該工藝的關(guān)鍵組成部分是高壓樹(shù)脂傳遞模塑（HP-RTM）工藝和Coriolis的自動(dòng)纖維定位（AFP）。該合作產(chǎn)生的組件目前正在進(jìn)行適合批量生產(chǎn)的測(cè)試。該工藝實(shí)現(xiàn)了20秒的生產(chǎn)循環(huán)節(jié)拍時(shí)間，并顯示出符合要求的機(jī)械性能，但重量最多減輕了80%。

　　

　　該公司生產(chǎn)的自動(dòng)纖維放置（AFP）設(shè)備允許連續(xù)纖維或短纖維以不同的方向放置，甚至是復(fù)雜的幾何表面，同時(shí)最大限度地減少材料浪費(fèi)。

　　

　

　　

　　干式AFP二維預(yù)制件由單向（UD）取向碳纖維的優(yōu)化纖維薄片組成，每層纖維重量為280克/平方米，纖維體積分?jǐn)?shù)為55%。一種特殊的粘結(jié)劑技術(shù)被用于注射快速固化的兼容環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)。改進(jìn)預(yù)制件的可塑性、纖維浸漬和可修剪性（使用三維水刀工藝），以實(shí)現(xiàn)接近凈成形的幾何形狀，可將總體廢品率降低達(dá)50%。

　　

　　Cannon Tipos鋼制模具的設(shè)計(jì)壓力最高可達(dá)120巴。最小化的微孔確保了樹(shù)脂與固化劑在恒定溫度下的最佳反應(yīng)，最大偏差為2℃。此外，在注射階段有最小的背壓，真空時(shí)間應(yīng)最大化，以避免沖刷損失和氣泡的產(chǎn)生。由于高度拋光的腔體與Coriolis的預(yù)制件技術(shù)相結(jié)合，部件的表面質(zhì)量特別好。