復(fù)合材料在新能源汽車電池包上蓋的輕量化發(fā)展中的應(yīng)用

程曉奕 姜海燕

摘要：無論是對傳統(tǒng)燃油汽車，還是對新能源汽車，汽車輕量化研究均具有重要意義。電池包箱體作為動力電池的承載和防護(hù)機(jī)構(gòu)，在電池包系統(tǒng)中占據(jù)重要位置，而且其整備質(zhì)量目前偏大，具有較大的輕量化空間。本文對比了SMC、PCM和HP-RTM等三種復(fù)合材料在電池包上蓋的應(yīng)用的特點(diǎn)和存在的問題。

關(guān)鍵詞：輕量化;電池包;復(fù)合材料

隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，汽車輕量化越來越受到人們的關(guān)注。輕量化對汽車節(jié)能減排的效果非常顯著。試驗(yàn)證明，對于傳統(tǒng)燃油汽車，汽車整備質(zhì)量每減輕10%，可降低油耗6%～8%，排放下降3%～4%;對于新能源純電動汽車，汽車整備質(zhì)量每減少10%，電耗下降5.5%，續(xù)航里程增加5.5%。同時汽車質(zhì)量的降低可減小汽車制動距離，提高安全性能。所以，無論是對傳統(tǒng)燃油汽車，還是對新能源汽車，汽車輕量化研究均具有重要意義[1]。

輕量化不僅僅是簡單地將整備質(zhì)量減輕，而是在保證安全性能和強(qiáng)度的前提下，盡可能地降低整備質(zhì)量，并保證成本在合理范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)安全性和經(jīng)濟(jì)性的平衡[2]。電池包箱體作為動力電池的承載和防護(hù)機(jī)構(gòu)，在電池包系統(tǒng)中占據(jù)重要位置，而且其整備質(zhì)量目前偏大，具有較大的輕量化空間。電池包上蓋作為電池包箱體的關(guān)鍵部件，其自身的輕量化以及熱失控過程中的主要承載體，使得其輕量化發(fā)展和功能化發(fā)展具有很強(qiáng)的緊迫性。

電池包上蓋輕量化材料應(yīng)用主要包括鋁合金材料、高強(qiáng)鋼材料和復(fù)合材料。其中，由于鋁合金材料自身的熔點(diǎn)在600℃左右，在熱失控過程中（溫度在1000℃左右），容易造成火焰外露，影響整車安全。所以要配合其他防護(hù)措施，整體輕量化效果較差。同時，由于電池包上蓋本身的形狀復(fù)雜性，不利于高強(qiáng)鋼材料成型，所以應(yīng)用范圍受限。

目前電池包上蓋的復(fù)合材料輕量化方案主要有：SMC復(fù)合材料方案、PCM復(fù)合材料方案、HP-RTM復(fù)合材料方案。

1、SMC工藝復(fù)合材料方案

SMC即片狀模塑料。主要原料由SMC專用紗、不飽和樹脂、低收縮添加劑，填料及各種助劑組成。

SMC復(fù)合材料電池包上蓋的特點(diǎn)和問題

設(shè)計方面：各項同性材料;纖維取向不可設(shè)計，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用過程中不可根據(jù)具體的受力情況進(jìn)行專有的鋪層設(shè)計，輕量化效果差。

力學(xué)性能：拉伸強(qiáng)度為80～100 MPa;模量為12～14.5 GPa。

后加工：由于SMC中纖維長度短，樹脂含量高，切邊打孔容易發(fā)生劈裂，針對電池箱上蓋的表征：在打孔過程中易產(chǎn)生肉眼不可見的微裂紋，后期由于不可避免的整車的動態(tài)疲勞，微裂紋將擴(kuò)展，后期將產(chǎn)生氣密性失效的風(fēng)險。

成型工藝：由于整車一節(jié)頻率以及其他力學(xué)性能的要求，同時，因其自身成型工藝要求等，目前該材料上蓋厚度一般2mm以上;②優(yōu)勢是可自由實(shí)現(xiàn)變厚度。

減重效果：在同等力學(xué)要求及頻率要求情況下，相對鋼制件減重20%～30%。

熱失控：由于SMC加工工藝特性，在有一定深度的電池包上蓋立邊成型工程中，很難在立邊保留纖維，造成該局部的產(chǎn)品實(shí)際強(qiáng)度要低于設(shè)計強(qiáng)度，當(dāng)電池包發(fā)生熱失控現(xiàn)象時，由于該位置的強(qiáng)度問題，造成產(chǎn)品局部開裂，后有火苗外竄現(xiàn)象。嚴(yán)重威脅整車以及駕駛?cè)藛T的的生命安全。

2、PCM工藝復(fù)合材料方案

PCM為將連續(xù)纖維預(yù)浸料放入模具，然后加壓、加熱使其固化成型的復(fù)合材料。

PCM復(fù)合材料電池包上蓋的特點(diǎn)和問題

原材料：預(yù)浸料，玻纖與樹脂預(yù)混合，樹脂對玻纖的初始浸潤率在50%-60%，成型過程是將預(yù)浸料根據(jù)產(chǎn)品造型在模具中進(jìn)行鋪放，后合模，對模具加壓加熱，通過該過程的加壓、加熱實(shí)現(xiàn)樹脂對纖維的二次浸潤。

力學(xué)性能：拉伸強(qiáng)度為400 MPa左右，具體數(shù)值與選擇的纖維類型有強(qiáng)相關(guān)性;模量為22 GPa左右，具體數(shù)值與選擇的纖維類型有強(qiáng)相關(guān)性。

成型工藝：預(yù)浸料模壓;在相同工況要求下，厚度較HP-RTM工藝厚（目前受限于預(yù)浸料的纖維類型，主要為E-glass，HP-RTM可靈活選用級別更高的纖維）;可實(shí)現(xiàn)變厚度;對于復(fù)雜型面的成型有一定的局限性;生產(chǎn)節(jié)拍8-10min（取決于樹脂的固化特性）。

成本：因原材料為預(yù)浸料，綜合原材料單價較HP-RTM高，且預(yù)浸料需在低溫環(huán)境中儲存，原材料儲存成本較HP-RTM較高，PCM成型的產(chǎn)品在制造過程中基本通過人手工進(jìn)行材料鋪貼，相對HP-RTM的設(shè)備鋪貼方式，人工費(fèi)用也相對較高。

風(fēng)險問題：目前基本上是手工完成預(yù)浸料在模具內(nèi)的鋪貼，很難實(shí)現(xiàn)自動化操作，產(chǎn)品一致率較低，且需要再生產(chǎn)過程中增加較多的過程檢等工作;由于預(yù)浸料中的樹脂是通過成型過程中的高溫、高壓而實(shí)現(xiàn)的二次流動，流動的可控性相對較差，導(dǎo)致產(chǎn)品的氣密性可靠性存在的一定隱患;

3、HP-RTM工藝復(fù)合材料

HP-RTM，即高壓樹脂傳遞模塑，是通過一個混合頭，將基礎(chǔ)樹脂注入到模具內(nèi)，并浸潤其中的預(yù)成型纖維織物，最后快速固化形成高強(qiáng)度的復(fù)合材料部件。

HP-RTM復(fù)合材料電池包上蓋的特點(diǎn)和問題

原材料：為干態(tài)纖維布和液態(tài)樹脂，且液態(tài)樹脂是通過成型過程的高壓與干態(tài)樹脂實(shí)現(xiàn)在線結(jié)合。

力學(xué)性能：拉伸強(qiáng)度為500 MPa左右，具體數(shù)值與選擇的纖維類型有強(qiáng)相關(guān)性;模量為28-30 GPa左右，具體數(shù)值與選擇的纖維類型有強(qiáng)相關(guān)性。

成型工藝：液態(tài)樹脂通過高壓注射與纖維布結(jié)合，并通過高溫成型;可實(shí)現(xiàn)變厚度;對于復(fù)雜型面的可加工性較PCM高;生產(chǎn)節(jié)拍5-8min（取決于樹脂的固化特性以及自動化程度）。

成本：對于批量產(chǎn)品，產(chǎn)品單價較PCM低;后期降本空間較PCM大。

問題：單線的投入較PCM工藝高;因自動化程度高，對設(shè)備人員素質(zhì)較PCM工藝高。

小 ? 結(jié)：

1. 在同一工況要求條件下，相較于SMC材料，連續(xù)玻纖復(fù)合材料（PCM、HP-RTM）上蓋的理論重量較SMC產(chǎn)品減重30-40%，是否能進(jìn)一步減重，需根據(jù)具體項目的詳細(xì)設(shè)計來做判定;

2. 連續(xù)纖維復(fù)合材料上蓋不存在SMC產(chǎn)品由于微裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的氣密性失效問題;

3. 由于材料與加工工藝不同，連續(xù)玻纖復(fù)合材料上蓋較SMC上蓋產(chǎn)品單價上浮10-15%左右;

4. HP-RTM工藝復(fù)合材料上蓋相較于PCM工藝復(fù)合材料上蓋在產(chǎn)品一致性、氣密可靠性、產(chǎn)品現(xiàn)有成本以及未來降本空間等方面都有較強(qiáng)優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

[1] 司福建;時紅海;吳中旺;劉暢;賴興華.電池包箱體的輕量化與連接技術(shù)，汽車工藝師，2019.02

[2] 王青春;劉培勇;龍玲;趙娟妮. 重型卡車車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)與輕量化設(shè)計研究，機(jī)械強(qiáng)度，2016.04

作者簡介：

程曉奕（1983-），女，專利審查員，主要從事化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查工作;

姜海燕（1982-），女，專利審查員，主要從事化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查工作，貢獻(xiàn)等同第一作者。