復(fù)合材料在電動車輛電池包中的應(yīng)用及分析

劉朝暉(山東雙一科技股份有限公司，山東 德州 253000)

0 引言

現(xiàn)在我國的汽車領(lǐng)域發(fā)展十分迅猛，尤其是電動汽車行業(yè)。由于能源壓力問題日益嚴(yán)重，國家出臺了相關(guān)的政策扶持新能源電動汽車的發(fā)展。復(fù)合材料作為一種優(yōu)勢明顯的新型材料廣泛應(yīng)用于各種類型的汽車上。在當(dāng)前的純電動汽車領(lǐng)域，很多汽車制造廠商已經(jīng)普遍著手于電池包的研發(fā)和應(yīng)用，但是該行業(yè)還存在著諸如產(chǎn)品的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化及系列化發(fā)展嚴(yán)重不足，復(fù)合材料成本高等問題，需要在日后的研究中來解決這些問題。

1 電動車輛的發(fā)展背景

二十一世紀(jì)以來，能源問題日益凸顯，傳統(tǒng)的化石能源在未來幾十年內(nèi)將面臨枯竭的問題，新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的能源發(fā)電成為一種新的發(fā)展趨勢，電動車輛也將會成為時代主流。這些年來，我國政府相關(guān)部門為了推動我國電動車行業(yè)的快速發(fā)展，已經(jīng)陸續(xù)推出了一系列的相關(guān)政策措施，同時還推出了示范性的運營活動。國內(nèi)外不少的汽車廠商都通過各式各樣的方式宣布進(jìn)軍電動汽車領(lǐng)域，在全世界投資領(lǐng)域都赫赫有名的哈撒韋等也都十分看好電動車輛的發(fā)展，并投資了國內(nèi)外不少的電動車輛廠商。

在第14屆國際汽車展覽會上，多家汽車廠商推出了多種不同款式、不同類型的電動汽車，這些電動汽車的電池包殼體多是采用的高性能的復(fù)合材料，液體冷卻系統(tǒng)是用了專門的導(dǎo)熱介質(zhì)可以達(dá)到很好的冷卻效果，整個電池包所采用的模塊化設(shè)計使得它的整體性能、布置都更上一層樓。并且輕量化不僅是電動車輛的發(fā)展方向，而且也是一種重要的節(jié)能手段，所以說它對于目前電動汽車的研究和發(fā)展而言有著極其重大意義。電動汽車輕量化的實現(xiàn)主要是通過選用強度高、質(zhì)量輕的新材料和新穎的設(shè)計。然而電池包作為組成電動汽車的關(guān)鍵部件，它的輕量化同樣是實現(xiàn)提高汽車?yán)m(xù)航里程的重要途徑之一。

2 復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用

顧名思義，復(fù)合材料是由至少兩種物理、化學(xué)性質(zhì)均不同的材料，以特定的比例、形式、分布組合而成的新材料，他既有各組分材料的優(yōu)點，又可以摒棄各組分的缺點，通過各材料的互補和關(guān)聯(lián)擁有全新的性能。因為復(fù)合材料普遍擁有質(zhì)輕、高強、耐腐、易加工成型等優(yōu)良特性，所以它已經(jīng)逐漸的取代了金屬和木材等傳統(tǒng)材料的地位，在車輛、航空航天、建筑等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

而在汽車行業(yè)里，多用復(fù)合材料制造汽車車身、傳動軸、受力構(gòu)件及內(nèi)部的一些重要構(gòu)件，這是因為復(fù)合材料自身有特殊的振動阻尼性質(zhì)，具有疲勞強度高、減輕振動、降低噪音、易加工修理等優(yōu)良的特性[1]。就在2010年4月，寶馬公司和西格里集團(tuán)合作，共同投資了1億美金用于修建先進(jìn)的汽車碳纖維制造工廠，后來這家工廠推出了新型的碳纖維輕量化新能源汽車。電動汽車電池包的質(zhì)量和性能要求主要是影響車輛的續(xù)航里程。目前國家電網(wǎng)主導(dǎo)了采用復(fù)合材料的電池包，而且其在電動車輛領(lǐng)域已經(jīng)逐步占據(jù)了關(guān)鍵市場。

3 復(fù)合材料電池包在推廣中所需要解決的問題

3.1 低成本化

復(fù)合材料與其他材料相比，它在性能這一方面更加優(yōu)異，但同樣的成本會相對而言要高一些。在汽車制造行業(yè)的競爭日益激烈的背景下，雖然復(fù)合材料憑借自身優(yōu)勢下占據(jù)了汽車部件的主要領(lǐng)域，但是由于其成本的原因，在推廣應(yīng)用方面還是有一定的困難。即使是嚴(yán)格把控應(yīng)用中的綜合成本(包括加工成型、裝配等方面)，使其低于其他材料，也會因為材料的價格而難以被推廣應(yīng)用。因此，解決解決材料的成本問題，是在應(yīng)用推廣過程中必須要解決的。

3.1.1 關(guān)鍵部件采用性能優(yōu)越復(fù)合材料

在電池包的組成構(gòu)件中，電池模塊支撐梁和電池包殼體等部件都是關(guān)鍵部件。這些零部件在電池包中主要是起到承受電池的重量，也要有足夠的抗震性能，所以它們對力學(xué)性能和功能的要求要高于其他部件。所以說，在進(jìn)行材料設(shè)計時，既要保障安全性和滿足特定的使用要求，又要盡量的去降低原材料和工藝制造過程中的成本。因此，在進(jìn)行設(shè)計時，要選擇合適的材料增強結(jié)構(gòu)強度，分析關(guān)鍵部件的有限元，形成一種最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方式，來避免原材料的浪費，從而達(dá)到降低成本的目的。

3.1.2 部分部件采用價格低廉復(fù)合材料

這里所講到的部分部件通常指的是電池包的蓋子和固定結(jié)構(gòu)件等部件。由于電池包一般來說是通過一些轉(zhuǎn)接轉(zhuǎn)置安裝在電動車輛上的，電池包的蓋子和車輛間是有間隙存在的，所以它的上部是不用承受載荷的。在選擇這些部件的材料時，可以選擇一些相對便宜的復(fù)合材料，以此來降低電池包成本。

3.2 多品種、系列化

在電池包中不同的不同部位、不同功用的零部件對材料在性能方面的要求都是不同的，有的部分需要達(dá)到較高的韌性，有的部分需要達(dá)到較高的剛性，而有的部分則需要又較高的阻燃、絕緣能力。因此，必須要研發(fā)出多品種、系列化的材料，來滿足性能和使用方面的各種不同要求。

有的零部件主要起到承力的作用，工作中需要滿足承受較大的載荷和較小變形量，所以對材料的剛度要求較高。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，要設(shè)計出剛性較大結(jié)構(gòu)，可以采用高模量的材料。電池包的外殼、蓋子，電池包的承重部件，與車輛之間的轉(zhuǎn)接裝置以及電池的固定裝置等部件都是電池包的主要部件，這些零部件的形狀、尺寸大體上都是不一樣的。這些部件可以通過改進(jìn)技術(shù)來形成相對較統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)件，這樣就可以從數(shù)量上降低成本[2]。在這方面可以采取如下的兩種措施：一是電池包的承重部件，這一部分可以采用梁式結(jié)構(gòu)，利用梁結(jié)構(gòu)來完成對接和裝配主要承重部件，以此來達(dá)到基本統(tǒng)一梁結(jié)構(gòu)和大大降低成本的目的；二是電池包中如電池包外殼、蓋子等為主的承力較小的部件，這些部件可以以連接的方式轉(zhuǎn)接于梁結(jié)構(gòu)上面，這樣該部件就能夠以統(tǒng)一的板式結(jié)構(gòu)的形式成型，同時還能夠極大的降低成本。

3.3 材料性能

電池作為電池包中的電量儲存單元，在貯存和使用的過程中必須擁有一定的安全系數(shù)。因此，從安全方面來說，電池在充電和放電中，電池包要保持絕對的絕緣，同時它還需要有良好的阻燃能力，這是為了避免汽車在行駛途中發(fā)生由電池故障而引發(fā)火災(zāi)的情況。所以說在在選擇合適性能的復(fù)合材料時，要求要有優(yōu)良的絕緣性能和良好的阻燃能力。同時也可以在材料的制備階段，加入一定量的阻燃劑，這是因為加入的量過少，達(dá)不到所需的阻燃效果，加入的量過多，可能就會導(dǎo)致材料在復(fù)合時，增加其中的樹脂熔體的粘度，進(jìn)而不利于形成樹脂基復(fù)合材料，最終造成該復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。因此，在合理選擇復(fù)合材料時需要綜合力學(xué)性能、絕緣性能和阻燃能力等多方面的影響因素。

3.4 規(guī)?；耙?guī)范化

由于目前國內(nèi)各大廠商所生產(chǎn)的電池包在在外形和尺寸等方面基本上都是不一樣的，它的模塊化暫時無法實現(xiàn)，因此推動電池包的規(guī)范化勢在必行?，F(xiàn)在國家電網(wǎng)公司已經(jīng)主導(dǎo)生產(chǎn)出采用復(fù)合材料的電池包，它在電動車輛領(lǐng)域已經(jīng)逐步占據(jù)了大量的市場份額，但是這種復(fù)合材料電池只被應(yīng)用于小型車輛。雖然說國家電網(wǎng)在大型車輛領(lǐng)域也推出了電池包，但是該款電池包的箱體部分是由鋼板焊接而成，整個電池包的重量比較重，并沒有達(dá)到輕量化的要求?？偟膩碚f國家電網(wǎng)所主導(dǎo)的這款電池包，還是在一定程度上推動了電池包的規(guī)范化。現(xiàn)在市場上的小型電動車多是采用的底盤懸掛式電池包，小型的電動車輛對整個車體和電池包都有著很高的質(zhì)量要求，所以說只有復(fù)合材料的電池包才能夠滿足高質(zhì)量要求。

4 先進(jìn)復(fù)合材料在電池箱蓋中的應(yīng)用

電池包的輕量化是電池包的一大發(fā)展趨勢，而電池包上的殼體采用了合適的復(fù)合材料后可以取代金屬材料，以此達(dá)到輕量化的目標(biāo)。

4.1 先進(jìn)復(fù)合材料的性能優(yōu)勢

隨著復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的逐漸推廣應(yīng)用，以及新能源汽車對于減重效果的進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)的SMC、RTM等工藝制作的電池箱體已經(jīng)不能滿足汽車廠的需要，需要再進(jìn)一步降低電池箱體的重量；同時，國家對于電池包的測試標(biāo)準(zhǔn)也做了很大的修改，對于電池包的火燒滴落有了更高的要求。新標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定要求電池蓋在火燒后不能有燒穿的現(xiàn)象。

因此，預(yù)浸料模壓工藝制作的電池箱蓋逐漸得到汽車廠家的青睞，預(yù)浸料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，普通的玻纖預(yù)浸料其拉伸強度>400MPa，拉伸模量>25GPa，彎曲強度>500MPa，彎曲模量>25GPa，完全能夠滿足電池箱體的進(jìn)一步輕量化要求，例如：相同強度要求情況下，SMC電池蓋需要做到3mm厚，而預(yù)浸料產(chǎn)品只需要1.2～1.5mm即可，重量能減少1/2。因預(yù)浸料內(nèi)部纖維為連續(xù)纖維，因此在能夠保證產(chǎn)品整體性能，在火燒試驗中即使樹脂完全燒蝕，剩余的纖維也能保持其形態(tài)，避免火燒試驗中被燒穿。

4.2 先進(jìn)復(fù)合材料在快速生產(chǎn)制造方面的提升

隨著汽車廠對先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用越來越多，為了滿足汽車行業(yè)產(chǎn)能的需求，很多材料廠家已開發(fā)出能夠快速固化成的材料，使得產(chǎn)品成型時間縮短到10分鐘以內(nèi)。國內(nèi)如中航復(fù)材、江蘇恒神、蕪湖艾達(dá)索、威海光威等材料廠先后推出了滿足電池箱體要求的玻纖預(yù)浸料。同時為了迎合汽車廠家的大批量產(chǎn)能，中端制作企業(yè)也在努力探索開發(fā)能夠快速生產(chǎn)的制作工藝，如山東雙一科技、蘇州銀禧等也先后開發(fā)了適合自己的生產(chǎn)工藝。

5 應(yīng)用實例分析

中航復(fù)合材料和一汽集團(tuán)合作，共同研發(fā)了一款輕量化的復(fù)合材料電池。這款新型的復(fù)合材料電池箱重量僅僅只有19公斤，而若是殼體材料用金屬制作，那么電池包的重量將達(dá)到110公斤，在重量上減少了五倍多。這里有一個實際的例子：一輛裝備齊全的新能源電動汽車質(zhì)量有1550千克，車載的動力電池的質(zhì)量是450千克，充一次電后可行駛的里程數(shù)為186千米。當(dāng)換用輕量化的碳纖維復(fù)合材料電池包后，車的整體質(zhì)量減輕539千克，質(zhì)量減少了1/3左右，與此同時，一次充電的行駛里程增加了89.5千米，里程數(shù)提高了約一半。倘若是不改變續(xù)航里程，只改變電池包的質(zhì)量，那么車載動力電池只需要250千克就可以達(dá)到行駛里程的要求，電池包的質(zhì)量減少近一半，同樣的成本也可以減少一半左右。所以說，電池包輕量化對于汽車行業(yè)是很有意義的。

6 結(jié)語

在現(xiàn)階段的研究基礎(chǔ)上，研發(fā)出低成本、高性能的復(fù)合材料，探尋高效的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，是目前發(fā)展的首要目標(biāo)。該目標(biāo)可分為兩個基本點，一個是在汽車零部件領(lǐng)域，要加快研發(fā)出符合規(guī)范化、系列化要求的復(fù)合材料電池包和其中的關(guān)鍵構(gòu)件，以此來提高我國的自主研發(fā)水平和市場競爭力；另一個是在電池包行業(yè)，要著力于提高產(chǎn)品的規(guī)模化，進(jìn)而推動我國電池包的行業(yè)的規(guī)范化。復(fù)合材料電池包行業(yè)的發(fā)展也將推動電動汽車行業(yè)的告訴發(fā)展，也可以達(dá)到節(jié)約資源的目的。