電池是電動汽車最重要的核心部件之一，無論是面對高溫、涉水乃至撞擊，保護電池的安全都不可忽視。要保護電池的安全，電池的外殼是重中之重。國內地區部分生產企業創新的電池殼體成了保障安全的一大利器！

由于電池是電動汽車的核心關鍵部件，電動汽車研究工作者已經把注意力集中在電動車的電池，并且尋找理想的材料來保護電池。而鋼鐵是批量生產中最經濟和可持續的電池外殼材料。

電池殼體如何起到保護作用和電池外殼必須滿足的條件是什么？

電池殼體是電動車的必要組成部分，容納高壓電池、電子元件、傳感器和連接器，幫助保護車輛的整體結構和安全，使關鍵部件免受潛在的外力沖擊、受熱和滲水的影響。

純電動車的電池殼體都比較大，一般長有兩米左右，寬一米四左右。這么大的產品要保證防水氣密性在技術上是非常有挑戰的。

一方面在產品設計和制造工藝上國內有的公司采用可以防漏的各種技術，另一方面每一個電池盒產品下線前都要通過嚴格的氣密性檢測。

同時，電池外殼的主要任務是保護電池模塊。它們是驅動系統和結構元件之間的接口，因此是電動汽車中最重要的組件之一。

為了確保有效的保護，它必須足夠穩定，以在發生事故時保護電池模塊不受損壞。內置的冷卻系統還可以防止電池模塊過熱。最后，盡管受到環境影響，電池外殼必須具有極強的抗腐蝕能力，才能保護電池可以正常使用多年。

值得一提的是：由于電動汽車充電過程時間較短，電流強度大，使用頻率高，所以在保證良好的絕緣性同時還要求電池外殼材料具有一定的耐高溫、耐老化性能，并且在燃燒時具有無鹵阻燃和低煙密度。

熱塑與增強塑料材質在電動汽車電池外殼盒子上的制造過程和價值體現分析

相較于金屬組件，大面積全塑料外殼既能夠縮短循環時間，還有助于減輕車輛重量，從而可以使電動汽車（EVs）的續航里程增加。

朗盛（Lanxess）和考泰斯·德事隆集團（Kautex Textron）花了幾年時間合作研究電動汽車的電池外殼是否可以由工程熱塑性塑料設計和制造。

使用直接長纖維熱塑性塑料(D-LFT)和聚酰胺6 (PA 6)樹脂，他們在可行性研究中開發了一種技術演示器。

這項研究系統尺寸為1,400*1,400毫米（長*寬），是一個復雜的大型全塑料外殼，重量在兩位數千克范圍內。

該研究項目的目標是要證明熱塑性塑料相較于金屬在重量和減少成本、功能綜合和電絕緣性能上是很占優勢的。

考斯特產品研發總監FelixHaas解釋道：“作為第一步，我們已經不再使用金屬加固結構，同時證明了我們可以商業化生產這些復雜且大型元件”。

朗盛電子動力系統項目經理ChristopherHoefs博士補充道：“考斯特和朗盛希望可以利用合作的結果與汽車制造商一起進入批量生產的研發項目”。

單階段制造過程：該演示器是基于C段電動汽車上的電池外殼研制的。它是由帶防撞結構的殼體托盤、殼體蓋和車底保護裝置組成。

外殼組件采用單級D-LFT成型工藝生產，而朗盛則優化了杜蕾森B24CMH2.0聚酰胺6 (PA 6)作為模塑料。

考斯特將PA6與玻璃纖維粗紗混合用于該工藝。使用朗盛的Tepex dynalite纖維增強熱塑性復合材料完成外殼結構的局部加固。

Haas解釋：“該過程能夠縮短周期，因此相比于在鋼或鋁的加工周期，這種方法更具有經濟性”。

根據了解獲悉，該驗證是基于C段電動汽車上的電池外殼研制的。它是由帶防撞結構的殼體托盤、殼體蓋和車底保護裝置組成。

如今，高電壓電池的外殼最初是由擠壓鋼或鋁材質制成的。

取決于車輛類別，外殼的長度可超過2,000毫米，寬度可超過1,500毫米。尺寸、部件數量以及眾多的制造和組裝步驟使得金屬外殼成本非常高。

例如，由鋼絞線壓制型材制成的復雜結構需要很多輔助操作，如焊接、打孔、固定等。

此外，在額外的工藝步驟中，必須通過陰極浸涂保護金屬部件免受腐蝕。

簡化組裝和物流：Hoefs說：“另一方面，塑料可以充分設計。通過集成緊固件和熱管理組件，電池外殼的單個組件數量可以大大減少。簡化了組裝和物流工作，從而減少成本”。

塑料還具有耐腐蝕性和絕緣性。例如，塑料可以減少系統短路的風險。塑料的低密度和輕質結構可以使外殼重量降低，這有利于增加電動汽車的續航里程。

高壓電池外殼必須高度滿足各種需求。例如，必須堅硬且結實，能夠在發生碰撞時吸收大量能量。這是通過機械沖擊和擠壓試驗進行測試的。在汽車起火或碰到電池熱失控的情況下，外殼必須是阻燃的。最終，外殼必須集成到車輛結構中。

Hoefs說：“我們將在優化元件生產和結構設計上繼續努力。我們的目標是以虛擬方式展開工作，在原型試驗中節省成本，縮短未來系列元件的上市時間”。

與此同時，最近幾年來，增強塑料在汽車電池盒中也是關注點超級高，例如SGLCarbon與中國汽車制造商NIO合作開發復合材料電池盒這個事情就能夠說明問題，SGLCarbon（德國威斯巴登）宣布，它已與中國汽車制造商NIO合作，為電動汽車開發碳纖維增強塑料（CFRP）原型電池外殼。

據稱CFK電池盒比傳統的鋁制或鋼制電池盒輕40％，并且與鋁相比，具有高剛性和約200倍的導熱性。“此外，復合材料在水和氣密性以及耐腐蝕性方面也具有最佳值”，西格里復合材料 -纖維和材料業務部門汽車市場部門經理SebastianGrasser表示。箱底和蓋子包括夾層芯和幾層碳凝膠。

用于生產地板和蓋子的工具設計是在SGL的輕量級和應用中心開發的，這些部件的碳纖維是在位于美國華盛頓州MosesLake和英國Ord的Muir的SGL工廠生產的。在德國瓦克斯多夫加工成稀松布。

SGL在奧地利Riedim Innkreis 的工廠進行了地板和蓋子的生產以及各個部件的組裝。據說電池的外殼特別輕，穩定且安全。

據報道，整個電池盒，包括電池，也可以在三分鐘內在NIO自己的交換站更換。

西格里碳素公司預計，隨著電動汽車的增加，汽車行業電池箱輕量化解決方案的需求將在未來幾年內急劇增加。

該公司已經與各合作伙伴合作，進一步開發由復合材料制成的不同電池盒，這些電池盒將來可以擴展到各種尺寸和設計的電動汽車電池。

“輕量化結構是NIO技術路線圖的核心要素之一"。

采用復合材料，特別是在電池盒系統中使用高性能碳纖維，我們的車輛提供更好的動態驅動性能，更長的續航里程和非常高的能量密度電池組（超過180Wh / kg）。

這些功能非常適合NIO品牌價值，如終極產品和系統效率。

高性能復合材料電池包殼體的開發與驗證分析

為滿足更加嚴苛的排放法規，汽車制造商正致力于開發可規模化生產的動力驅動系統。

純電動、混合動力、插電式混合動力、燃料電池等汽車類型將在未來的汽車市場中發揮越來越重要的作用。

但是，目前電動車的續航還尚未達到汽油或柴油車的標準。

電動車增加續航的方法一般有兩種：一種是安裝大容量儲能系統，但這會增加車輛重量；另一種是選用高能量密度的儲能材料，但是目前電池的能量密度還達不到應用需求。

此外，提高車輛整體效率是減少燃料消耗的有效方式。除了上述動力總成中的優化措施外，還需要通過減重來降低行駛阻力，從而實現節能減排。

因此，輕量化不僅是燃油車的需求，對電動車來說也非常重要。

一般而言，重量減輕100公斤，可減少約10克/公里的二氧化碳排放量，最多可減少0.45升/100公里的油耗。

對于電動車，電池包殼體的輕量化不僅可以使汽車高效運行，還將提供更大的續航。

但是電池包殼體的設計在輕量化的同時，還需要盡可能地可靠和安全。

這就需要考慮其防火安全性、剛性、熱管理、電磁兼容性和抗腐蝕性能等諸多因素。

1.復合材料電池包殼體的模塊化設計

當前，電動汽車的電池包殼體主要由鋁和鋼制成。

相比之下，SGLCarbon開發的如圖所示的復合材料電池盒可實現40%的減重，其相關機械性能對比如下圖。

電池包殼體的底板和上蓋的設計對于殼體的性能具有較大的影響。

復合材料電池包殼體一般采用三明治結構設計：采用PET、EPDM、泡沫鋁等類似的芯層材料，與多層碳纖維或玻璃纖維織物復合材料結合，采用快速固化的樹脂材料經模壓成型。

其中，織物的形式可以是軸向織物、機織物、或者無紡布等，具體如下圖。從纖維到預浸料，再到成品的工藝流程如下圖所示。

同時，材料可以靈活地相互組合以匹配相應的應用需求。特別是沿纖維拉伸方向定位的紡織層具有較好的定性，可較為容易地應用于部件的設計。

因此，通過纖維或織物的鋪層方向設計可實現不同要求的受力，從而有效地進行材料利用。

2. 電動汽車電池包殼體的性能要求如下

機械性能：

電池包殼體的剛度特別重要，在多數電動汽車中，電池包殼體是車輛結構的重要組成部分，其性能對白車身的整體剛度起著重要作用。這需要電池包殼體滿足正碰和側碰的安全要求。

如圖，電池包殼體的剛性在很大程度上取決于所使用的三明治結構，一般采用泡沫鋁材料作為夾心層材料。

此外，纖維增強部件的高比剛度、低重量和良好的阻尼特性也對車輛的噪聲、振動、NVH性能具有積極影響。

熱管理和阻燃性：

復合材料電池包殼體的另一個優勢是碳纖維增強復合材料的導熱系數比鋁合金低200倍，且其具有更好的絕緣性，因此復合材料電池包殼體比傳統金屬殼體能更好的抵御高低溫的性能。

目前普遍使用的鋰離子電池的理想工作溫度在10至40°C之間，一般需要增加冷/熱管理系統。

而復合材料殼體具有更好的隔熱效果，在熱條件時所需的能量更少，進一步提高了車輛的效率，降低了總功耗。

除了對熱管理的積極影響外，低導熱系數也是有效阻燃的極佳先決條件。

通過添加阻燃劑，復合材料殼體可輕松滿足UL94-V-0、UL94-5VB等阻燃要求。  

研究人員對樣本面板材料進行了比較測試：將樣件暴露在距離800℃火焰只有幾厘米的地方，測量另一側溫度。

由于鋁合金在660℃左右的溫度下就達到熔點，因此，選擇了鋼板、標準熱固性樹脂復合材料和上述添加阻燃劑的三明治復合材料樣本進行了測試，結果如圖。

另一側的溫度分別為：鋼：30秒后約為750°C、標準的熱固性樹脂環氧復合材料：60s后約550°C、添加阻燃劑的三明治結構材料：180s后約350°C。

上述結果表明，三明治結構復合材料電池包殼體具有優異的阻燃特性。同時，該材料還具有自熄性，可防止火災的發生。

并且由于熱導率低，在發生火災時，復合材料殼體僅能將電池燃燒產生的高熱量有限地傳遞到相鄰部件和乘員艙，這將為乘務人員的逃生贏得寶貴時間。

其他性能：

此外，SGL Carbon開發的三明治電池包殼體還可以更好地滿足防腐蝕性要求，可提供更好的密封性。

通過纖維鋪層和纖維體積含量的設計，可實現關鍵區域的電磁屏蔽。

同時，復合材料的應用提供了更多集成化設計的空間，相關增強組件、附加元件、連接組件、傳感器等都可實現集成化設計。

因此，合適的材料用在合適的地方，SGLCarbon通過使用高性能碳纖維復合材料設計開發的三明治電池包殼體減輕了產品質量、提高了系統效率，同時還有助于提升整車的動態駕駛性能，提升續航里程。

目前，SGLCarbon已與蔚來汽車合作，為高性能電動汽車開發碳纖維增強塑料電池外殼的原型。

未來，SGLCarbon還將與更多的合作伙伴開發不同尺寸、適用于不同電動汽車的復合材料電池包。

來源：中歐SENIA，Smart Energy Expo