連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在動(dòng)力電池箱蓋上的應(yīng)用

王鵬　張新意　孫啟坤　黃榮　袁文靜

摘 要：動(dòng)力電池能量密度是影響電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航、能耗的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，輕量化復(fù)合材料用于動(dòng)力電池殼體實(shí)現(xiàn)減重是提高電池能量密度的有效途徑。文章首先回顧了復(fù)合材料概念及其用于動(dòng)力電池上蓋與其他材料的特性對(duì)比，然后針對(duì)某純電動(dòng)車型電池箱蓋，選用高強(qiáng)度樹脂基連續(xù)玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料制作了方案，并對(duì)方案進(jìn)行了仿真分析和實(shí)測驗(yàn)證。通過該方案與金屬材質(zhì)方案的對(duì)比，展現(xiàn)了復(fù)合材料在動(dòng)力電池箱蓋輕量化方面的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 動(dòng)力電池箱蓋 復(fù)合材料

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展成熟，電動(dòng)汽車迎來了快速發(fā)展。尤其是近幾年，電動(dòng)汽車滲透率快速上升，已經(jīng)形成了對(duì)于傳統(tǒng)燃油車的顛覆性發(fā)展趨勢。

但目前電動(dòng)汽車的續(xù)航里程焦慮、冬季續(xù)航衰減、電池安全等問題，仍然在一定程度上阻礙著其獲得更廣泛市場的認(rèn)可。改善這些問題需要對(duì)動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的創(chuàng)新和發(fā)展，而電池技術(shù)的創(chuàng)新與新材料的開發(fā)和應(yīng)用息息相關(guān)，包括電芯內(nèi)電極材料等，也包括系統(tǒng)集成層面殼體材料等。

動(dòng)力電池殼體，包括電池系統(tǒng)箱體、上蓋等，目前較多采用金屬材質(zhì)，包括鋼、鋁等。金屬材質(zhì)強(qiáng)度高、技術(shù)成熟，可以很好地滿足電池殼體的機(jī)械承載性能需求。但隨著對(duì)電池能量密度、保溫性能等的需求逐步提升，金屬材質(zhì)在重量、導(dǎo)熱率等方面的劣勢逐步凸顯。

對(duì)此，采用輕量化復(fù)合材料取代或部分取代金屬材質(zhì)，已成為電池殼體的一項(xiàng)重要技術(shù)發(fā)展趨勢，得到越來越多的關(guān)注和探索應(yīng)用。尤其是復(fù)合材料上蓋等已經(jīng)在市場量產(chǎn)車型上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用，且使用范圍和用量還在不斷擴(kuò)大和提升，未來將發(fā)揮越重要的作用。

本文將對(duì)復(fù)合材料在動(dòng)力電池箱蓋中的應(yīng)用進(jìn)行探討，包括復(fù)合材料的簡要概述，結(jié)合不同材質(zhì)橫向?qū)Ρ群途唧w方案的評(píng)估分析，以此對(duì)該項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)的問題和發(fā)展趨勢，進(jìn)行分析和展望。

2 復(fù)合材料應(yīng)用概述

2.1 復(fù)合材料概述

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同組分材料復(fù)合而成的材料。在汽車領(lǐng)域，樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，F(xiàn)RP）已經(jīng)得到了大范圍的應(yīng)用，其最常見的應(yīng)用場景是取代傳統(tǒng)金屬材質(zhì)以實(shí)現(xiàn)輕量化，包括車身、內(nèi)外飾件、底盤護(hù)板等。

按樹脂基體的加工特性，F(xiàn)RP可分為熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料，在汽車領(lǐng)域都有大規(guī)模應(yīng)用。常見熱固性樹脂有環(huán)氧樹脂等，其特性是一次性加熱固化成型，不能重復(fù)加工，具有高強(qiáng)度、耐熱性好、電性能優(yōu)良、抗腐蝕、耐老化、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。常見熱塑性樹脂有聚丙烯（PP）、尼龍/聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯（PE）等，其特性是受熱軟化、冷卻硬化，可重復(fù)加工，具有抗沖擊韌性好、加工便利、可回收等優(yōu)勢。

汽車用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中常用纖維有碳纖維、玻璃纖維等。其中碳纖維強(qiáng)度更高，價(jià)格也更高。玻璃纖維強(qiáng)度低一些，成本也更低廉。

增強(qiáng)纖維按其在復(fù)合材料制品中保留的纖維尺寸可以分為短纖維、長纖維、連續(xù)纖維等。其中連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度、耐沖擊性等性能最優(yōu)，在汽車輕量化方面具有巨大應(yīng)用潛力。

2.2 復(fù)合材料成型工藝

樹脂基復(fù)合材料成型工藝有模壓成型、樹脂傳遞成型、纖維纏繞成型法、拉擠成型法等[1-5]。適用于箱蓋產(chǎn)品大型面板結(jié)構(gòu)的主要是模壓成型、樹脂傳遞成型工藝。

其中模壓成型是將一定量的模壓料加入金屬對(duì)模內(nèi)，經(jīng)加熱、加壓固化成型的方法。采用模壓成型的非連續(xù)纖維熱固性復(fù)合材料有SMC（片狀模塑料）、BMC （塊狀模壓料）、TMC（厚片狀模塑料）等；模壓成型非連續(xù)纖維熱塑性復(fù)合材料有 GMT（玻璃纖維氈熱塑性塑料）、LFT-D（長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料直接在線生產(chǎn)工藝制品）、LFT-G（長纖維熱塑性顆粒注射制品）等；模壓成型連續(xù)纖維復(fù)合材料有PCM（預(yù)浸料模壓成型）、WCM（濕法模壓成型）等。

樹脂傳遞模塑成型（RTM）工藝是將樹脂注入到閉合模具中浸潤增強(qiáng)材料并固化成型的工藝方法[5]。傳統(tǒng)RTM工藝存在一些弊端，如樹脂浸漬率不高導(dǎo)致氣孔等缺陷、樹脂流動(dòng)會(huì)沖散纖維造成纖維屈曲/分布不均、大型制品樹脂流動(dòng)不均勻等問題；對(duì)此又改進(jìn)發(fā)展了了高壓樹脂傳遞模塑成型（HP-RTM） ，真空輔助樹脂灌注工藝（VARTM）等工藝。其中HP-RTM相對(duì)于傳統(tǒng)RTM，主要是提升注膠壓力，借助高壓制造出低孔隙率和高纖維體積分?jǐn)?shù)的制品。

3 復(fù)合材料用于動(dòng)力電池箱蓋

目前常見的動(dòng)力電池箱蓋材質(zhì)有鋼、鋁合金、復(fù)合材料等。

其中鋼材質(zhì)具有強(qiáng)度高、成本低的優(yōu)勢。為了滿足輕量化需求，目前多采用高強(qiáng)度鋼，如HC340/DP590等，厚度可以做到0.8mm、0.7mm。為了滿足防腐要求，一般進(jìn)行表面電泳處理。為了提升熱防護(hù)能力，還可噴涂防火涂層等。

鋁合金材質(zhì)相較鋼材質(zhì)，具有更高的比強(qiáng)度，具有輕量化優(yōu)勢。一般多采用5系鋁合金沖壓成型，厚度可以做到1.5mm、1.2mm。鋁合金在空氣中自動(dòng)生產(chǎn)氧化層，其本身具有較好的防腐能力。不過由于具有導(dǎo)電性、熔點(diǎn)低的特性，可對(duì)其進(jìn)行電泳/噴塑處理、噴涂防火涂層、貼覆防護(hù)層等以增強(qiáng)絕緣能力、抗熱防護(hù)能力。

復(fù)合材料方面，早期在動(dòng)力電池殼體中的應(yīng)用主要是采用SMC等非連續(xù)玻纖工藝制作電池上蓋等。比如北汽EU5等車型動(dòng)力電池上蓋。但SMC工藝由于采用短纖維，材料強(qiáng)度不高（拉伸強(qiáng)度一般小于100MPa），為了滿足機(jī)械性能要求，一般厚度在2mm或2.5mm以上，輕量化效果不佳。

近年來，隨著連續(xù)纖維成型工藝的發(fā)展成熟，尤其是PCM、HP-RTM等由碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的成型工藝拓展應(yīng)用到成本更低的玻纖復(fù)合材料領(lǐng)域，連續(xù)玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料動(dòng)力電池上蓋產(chǎn)品開始得到規(guī)?；瘧?yīng)用。

連續(xù)玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料目前可以做到比鋁合金更高的強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度可達(dá)到400MPa以上），同時(shí)密度比鋁合金更低（約1.9g/cm3），在滿足機(jī)械性能的前提下厚度可以做到1.2mm甚至更薄，輕量化效果更為顯著。此外其連續(xù)玻纖組分具有一定的抗火燒性能（樹脂基體燃燒碳化），整體本身具有絕緣性，在安全性方面相較鋁合金更具優(yōu)勢。但相比鋼和鋁合金，目前連續(xù)玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的成本較高。

目前已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的連續(xù)玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料上蓋成型工藝主要是PCM和HP-RTM，兩種工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品性能可以達(dá)到相近的水平。其中PCM工藝一次性投入成本（設(shè)備、模具）相對(duì)較低，原材料為預(yù)浸料，需人工鋪設(shè)，生產(chǎn)效率略低，比較適于小批量/樣件生產(chǎn)。HP-RTM成型設(shè)備復(fù)雜，投資較高，模具費(fèi)較高，原材料為干纖維布，人工鋪設(shè)量較少，樹脂真空高壓注入，生產(chǎn)效率高較，產(chǎn)品表面狀態(tài)好。

4 復(fù)合材料動(dòng)力電池方案評(píng)估

以北汽某款純電動(dòng)車汽車動(dòng)力電池產(chǎn)品為例，進(jìn)行復(fù)合材料動(dòng)力電池方案的具體評(píng)估。

4.1 上蓋的基本技術(shù)要求

動(dòng)力電池上蓋設(shè)計(jì)需滿足以下主要技術(shù)要求：

1）結(jié)構(gòu)適配性要求：形狀尺寸（含公差）滿足與箱體、車身等結(jié)構(gòu)的可裝配性和安全間隙要求；

2）安全性及可靠性要求：需支持整包滿足振動(dòng)、機(jī)械沖擊、碰撞、濕熱循環(huán)、浸水、外部火燒、電池?zé)釘U(kuò)散、溫度沖擊、鹽霧等工況的要求；

3）重量指標(biāo)要求：滿足對(duì)于上蓋的重量分解指標(biāo)要求；

4）成本指標(biāo)要求：滿足對(duì)于上蓋單件成本、模具費(fèi)等成本費(fèi)用預(yù)算要求；

5）制造要求：滿足工藝可實(shí)現(xiàn)性、量產(chǎn)可行性、生產(chǎn)效率要求；

6）材料要求：阻燃、禁限用物質(zhì)要求；

7）外觀及標(biāo)識(shí)要求等。

上述產(chǎn)品級(jí)需求分解到材料級(jí)，對(duì)應(yīng)的材料性質(zhì)包括力學(xué)性能、防火耐溫性能、防腐性能、密度、工藝成型特性等。

4.2 復(fù)合材料上蓋方案

基于項(xiàng)目電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體需求，形成如圖1所示上蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)，上蓋長度1953mm，寬度1406mm，高度40mm，主體厚度1.5mm或1.2mm，法蘭面厚度3mm，其他局部位置根據(jù)成型和剛度/強(qiáng)度要求做加厚處理。

方案采用HP-RTM工藝成型，原材料采用阻燃環(huán)氧樹脂和連續(xù)玻璃纖維布，成品玻纖含量60%。主要材料參數(shù)：密度1.9g/cm?，拉伸強(qiáng)度420MPa，拉伸模量22GPa，斷裂延伸率1.8%。

1.5mm方案整體重量約9.1kg，1.2mm方案整體重量約7.8kg，包含固定點(diǎn)處金屬襯套。同尺寸0.7mm厚度鋼蓋重量15.6kg，1.2mm厚度鋁合金蓋重量9.7kg。復(fù)合材料上蓋方案在重量方面有明顯優(yōu)勢。

4.3 復(fù)合材料上蓋仿真分析

基于上述方案進(jìn)行上蓋機(jī)械性能仿真模型搭建。模型采用Shell單元，單元尺寸4mm，數(shù)量179414。

經(jīng)過仿真計(jì)算，1.5mm厚度方案及1.2mm厚度方案上蓋一階整體模態(tài)，以及搭載整包振動(dòng)、機(jī)械沖擊等工況下應(yīng)力值等均滿足設(shè)計(jì)要求。其中1.5mm方案相較1.2mm方案具有更高的模態(tài)，在振動(dòng)、沖擊工況的應(yīng)力表現(xiàn)方面二者結(jié)果差別不大。所以基于上述結(jié)果，考慮重量和成本，優(yōu)先采用1.2mm方案。

4.4 復(fù)合材料上蓋搭載測試驗(yàn)證

基于上述1.2mm厚度復(fù)合材料上蓋方案，制備了相應(yīng)樣品，根據(jù)GB 38031-2020對(duì)電池包的要求，搭載電池包進(jìn)行了振動(dòng)、機(jī)械沖擊、外部火燒等測試驗(yàn)證，均通過測試，滿足設(shè)計(jì)要求。

其中在外部火燒測試中，電池包整體在油盆上方經(jīng)過70s直接燃燒和60s間接燃燒，其中復(fù)合材料上蓋樹脂基體發(fā)生燃燒碳化，剩余玻纖層整體結(jié)構(gòu)保持較為完整，火盤移開后電池包無明火等危害現(xiàn)象，測試通過。

5 結(jié)論

樹脂基連續(xù)玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料具備較高的強(qiáng)度，在電池上蓋輕量化方面具有很大應(yīng)用潛力。以北汽某款純電動(dòng)車汽車動(dòng)力電池產(chǎn)品為例，設(shè)計(jì)復(fù)合材料上蓋方案，通過仿真分析確認(rèn)可行性，采用HP-RTM工藝成型制造樣品，支持整包通過各項(xiàng)測試驗(yàn)證。

經(jīng)過方案及實(shí)測對(duì)比，樹脂基連續(xù)玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料上蓋可以滿足安全性等設(shè)計(jì)要求，相較金屬材質(zhì)上蓋具有明顯輕量化優(yōu)勢。未來將會(huì)在更多的項(xiàng)目中得到量產(chǎn)應(yīng)用，對(duì)電池和整車的輕量化、進(jìn)而對(duì)車輛續(xù)航等性能的提升做出貢獻(xiàn)。

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