復合材料在電動車輛電池包中的應用及分析

劉朝暉(山東雙一科技股份有限公司，山東 德州 253000)

0 引言

現在我國的汽車領域發展十分迅猛，尤其是電動汽車行業。由于能源壓力問題日益嚴重，國家出臺了相關的政策扶持新能源電動汽車的發展。復合材料作為一種優勢明顯的新型材料廣泛應用于各種類型的汽車上。在當前的純電動汽車領域，很多汽車制造廠商已經普遍著手于電池包的研發和應用，但是該行業還存在著諸如產品的規模化、產業化及系列化發展嚴重不足，復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 電動車輛的發展背景

二十一世紀以來，能源問題日益凸顯，傳統的化石能源在未來幾十年內將面臨枯竭的問題，新能源代替傳統的能源發電成為一種新的發展趨勢，電動車輛也將會成為時代主流。這些年來，我國政府相關部門為了推動我國電動車行業的快速發展，已經陸續推出了一系列的相關政策措施，同時還推出了示范性的運營活動。國內外不少的汽車廠商都通過各式各樣的方式宣布進軍電動汽車領域，在全世界投資領域都赫赫有名的哈撒韋等也都十分看好電動車輛的發展，并投資了國內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合材料，液體冷卻系統是用了專門的導熱介質可以達到很好的冷卻效果，整個電池包所采用的模塊化設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展方向，而且也是一種重要的節能手段，所以說它對于目前電動汽車的研究和發展而言有著極其重大意義。電動汽車輕量化的實現主要是通過選用強度高、質量輕的新材料和新穎的設計。然而電池包作為組成電動汽車的關鍵部件，它的輕量化同樣是實現提高汽車續航里程的重要途徑之一。

2 復合材料的發展及應用

顧名思義，復合材料是由至少兩種物理、化學性質均不同的材料，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點，又可以摒棄各組分的缺點，通過各材料的互補和關聯擁有全新的性能。因為復合材料普遍擁有質輕、高強、耐腐、易加工成型等優良特性，所以它已經逐漸的取代了金屬和木材等傳統材料的地位，在車輛、航空航天、建筑等眾多領域都有廣泛的應用。

而在汽車行業里，多用復合材料制造汽車車身、傳動軸、受力構件及內部的一些重要構件，這是因為復合材料自身有特殊的振動阻尼性質，具有疲勞強度高、減輕振動、降低噪音、易加工修理等優良的特性[1]。就在2010年4月，寶馬公司和西格里集團合作，共同投資了1億美金用于修建先進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量和性能要求主要是影響車輛的續航里程。目前國家電網主導了采用復合材料的電池包，而且其在電動車輛領域已經逐步占據了關鍵市場。

3 復合材料電池包在推廣中所需要解決的問題

3.1 低成本化

復合材料與其他材料相比，它在性能這一方面更加優異，但同樣的成本會相對而言要高一些。在汽車制造行業的競爭日益激烈的背景下，雖然復合材料憑借自身優勢下占據了汽車部件的主要領域，但是由于其成本的原因，在推廣應用方面還是有一定的困難。即使是嚴格把控應用中的綜合成本(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用。因此，解決解決材料的成本問題，是在應用推廣過程中必須要解決的。

3.1.1 關鍵部件采用性能優越復合材料

在電池包的組成構件中，電池模塊支撐梁和電池包殼體等部件都是關鍵部件。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，所以它們對力學性能和功能的要求要高于其他部件。所以說，在進行材料設計時，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，在進行設計時，要選擇合適的材料增強結構強度，分析關鍵部件的有限元，形成一種最優的結構方式，來避免原材料的浪費，從而達到降低成本的目的。

3.1.2 部分部件采用價格低廉復合材料

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構件等部件。由于電池包一般來說是通過一些轉接轉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，有的部分需要達到較高的韌性，有的部分需要達到較高的剛性，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。因此在進行結構設計的過程中，要設計出剛性較大結構，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技術來形成相對較統一的結構件，這樣就可以從數量上降低成本[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構，利用梁結構來完成對接和裝配主要承重部件，以此來達到基本統一梁結構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接于梁結構上面，這樣該部件就能夠以統一的板式結構的形式成型，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。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生由電池故障而引發火災的情況。所以說在在選擇合適性能的復合材料時，要求要有優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，達不到所需的阻燃效果，加入的量過多，可能就會導致材料在復合時，增加其中的樹脂熔體的粘度，進而不利于形成樹脂基復合材料，最終造成該復合材料的力學性能下降。因此，在合理選擇復合材料時需要綜合力學性能、絕緣性能和阻燃能力等多方面的影響因素。

3.4 規模化及規范化

由于目前國內各大廠商所生產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，因此推動電池包的規范化勢在必行。現在國家電網公司已經主導生產出采用復合材料的電池包，它在電動車輛領域已經逐步占據了大量的市場份額，但是這種復合材料電池只被應用于小型車輛。雖然說國家電網在大型車輛領域也推出了電池包，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，并沒有達到輕量化的要求。總的來說國家電網所主導的這款電池包，還是在一定程度上推動了電池包的規范化。現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量要求，所以說只有復合材料的電池包才能夠滿足高質量要求。

4 先進復合材料在電池箱蓋中的應用

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

4.1 先進復合材料的性能優勢

隨著復合材料在汽車領域的逐漸推廣應用，以及新能源汽車對于減重效果的進一步提高，傳統的SMC、RTM等工藝制作的電池箱體已經不能滿足汽車廠的需要，需要再進一步降低電池箱體的重量；同時，國家對于電池包的測試標準也做了很大的修改，對于電池包的火燒滴落有了更高的要求。新標準中規定要求電池蓋在火燒后不能有燒穿的現象。

因此，預浸料模壓工藝制作的電池箱蓋逐漸得到汽車廠家的青睞，預浸料具有優異的力學性能，普通的玻纖預浸料其拉伸強度>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，而預浸料產品只需要1.2～1.5mm即可，重量能減少1/2。因預浸料內部纖維為連續纖維，因此在能夠保證產品整體性能，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，避免火燒試驗中被燒穿。

4.2 先進復合材料在快速生產制造方面的提升

隨著汽車廠對先進復合材料應用越來越多，為了滿足汽車行業產能的需求，很多材料廠家已開發出能夠快速固化成的材料，使得產品成型時間縮短到10分鐘以內。國內如中航復材、江蘇恒神、蕪湖艾達索、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浸料。同時為了迎合汽車廠家的大批量產能，中端制作企業也在努力探索開發能夠快速生產的制作工藝，如山東雙一科技、蘇州銀禧等也先后開發了適合自己的生產工藝。

5 應用實例分析

中航復合材料和一汽集團合作，共同研發了一款輕量化的復合材料電池。這款新型的復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量有1550千克，車載的動力電池的質量是450千克，充一次電后可行駛的里程數為186千米。當換用輕量化的碳纖維復合材料電池包后，車的整體質量減輕539千克，質量減少了1/3左右，與此同時，一次充電的行駛里程增加了89.5千米，里程數提高了約一半。倘若是不改變續航里程，只改變電池包的質量，那么車載動力電池只需要250千克就可以達到行駛里程的要求，電池包的質量減少近一半，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是很有意義的。

6 結語

在現階段的研究基礎上，研發出低成本、高性能的復合材料，探尋高效的工業化生產技術，是目前發展的首要目標。該目標可分為兩個基本點，一個是在汽車零部件領域，要加快研發出符合規范化、系列化要求的復合材料電池包和其中的關鍵構件，以此來提高我國的自主研發水平和市場競爭力；另一個是在電池包行業，要著力于提高產品的規模化，進而推動我國電池包的行業的規范化。復合材料電池包行業的發展也將推動電動汽車行業的告訴發展，也可以達到節約資源的目的。