復合材料在新能源汽車電池包上蓋的輕量化發展中的應用

程曉奕 姜海燕

摘要：無論是對傳統燃油汽車，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機構，在電池包系統中占據重要位置，而且其整備質量目前偏大，具有較大的輕量化空間。本文對比了SMC、PCM和HP-RTM等三種復合材料在電池包上蓋的應用的特點和存在的問題。

關鍵詞：輕量化;電池包;復合材料

隨著世界能源危機和環境污染問題日益嚴重，汽車輕量化越來越受到人們的關注。輕量化對汽車節能減排的效果非常顯著。試驗證明，對于傳統燃油汽車，汽車整備質量每減輕10%，可降低油耗6%～8%，排放下降3%～4%;對于新能源純電動汽車，汽車整備質量每減少10%，電耗下降5.5%，續航里程增加5.5%。同時汽車質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量減輕，而是在保證安全性能和強度的前提下，盡可能地降低整備質量，并保證成本在合理范圍內，以實現安全性和經濟性的平衡[2]。電池包箱體作為動力電池的承載和防護機構，在電池包系統中占據重要位置，而且其整備質量目前偏大，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，使得其輕量化發展和功能化發展具有很強的緊迫性。

電池包上蓋輕量化材料應用主要包括鋁合金材料、高強鋼材料和復合材料。其中，由于鋁合金材料自身的熔點在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雜性，不利于高強鋼材料成型，所以應用范圍受限。

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

1、SMC工藝復合材料方案

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復合材料電池包上蓋的特點和問題

設計方面：各項同性材料;纖維取向不可設計，導致在實際應用過程中不可根據具體的受力情況進行專有的鋪層設計，輕量化效果差。

力學性能：拉伸強度為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，切邊打孔容易發生劈裂，針對電池箱上蓋的表征：在打孔過程中易產生肉眼不可見的微裂紋，后期由于不可避免的整車的動態疲勞，微裂紋將擴展，后期將產生氣密性失效的風險。

成型工藝：由于整車一節頻率以及其他力學性能的要求，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優勢是可自由實現變厚度。

減重效果：在同等力學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，造成該局部的產品實際強度要低于設計強度，當電池包發生熱失控現象時，由于該位置的強度問題，造成產品局部開裂，后有火苗外竄現象。嚴重威脅整車以及駕駛人員的的生命安全。

2、PCM工藝復合材料方案

PCM為將連續纖維預浸料放入模具，然后加壓、加熱使其固化成型的復合材料。

PCM復合材料電池包上蓋的特點和問題

原材料：預浸料，玻纖與樹脂預混合，樹脂對玻纖的初始浸潤率在50%-60%，成型過程是將預浸料根據產品造型在模具中進行鋪放，后合模，對模具加壓加熱，通過該過程的加壓、加熱實現樹脂對纖維的二次浸潤。

力學性能：拉伸強度為400 MPa左右，具體數值與選擇的纖維類型有強相關性;模量為22 GPa左右，具體數值與選擇的纖維類型有強相關性。

成型工藝：預浸料模壓;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）;可實現變厚度;對于復雜型面的成型有一定的局限性;生產節拍8-10min（取決于樹脂的固化特性）。

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

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

3、HP-RTM工藝復合材料

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

HP-RTM復合材料電池包上蓋的特點和問題

原材料：為干態纖維布和液態樹脂，且液態樹脂是通過成型過程的高壓與干態樹脂實現在線結合。

力學性能：拉伸強度為500 MPa左右，具體數值與選擇的纖維類型有強相關性;模量為28-30 GPa左右，具體數值與選擇的纖維類型有強相關性。

成型工藝：液態樹脂通過高壓注射與纖維布結合，并通過高溫成型;可實現變厚度;對于復雜型面的可加工性較PCM高;生產節拍5-8min（取決于樹脂的固化特性以及自動化程度）。

成本：對于批量產品，產品單價較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，對設備人員素質較PCM工藝高。

小 ? 結：

1. 在同一工況要求條件下，相較于SMC材料，連續玻纖復合材料（PCM、HP-RTM）上蓋的理論重量較SMC產品減重30-40%，是否能進一步減重，需根據具體項目的詳細設計來做判定;

2. 連續纖維復合材料上蓋不存在SMC產品由于微裂紋擴展導致的氣密性失效問題;

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

4. HP-RTM工藝復合材料上蓋相較于PCM工藝復合材料上蓋在產品一致性、氣密可靠性、產品現有成本以及未來降本空間等方面都有較強優勢。

參考文獻：

[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，汽車工藝師，2019.02

[2] 王青春;劉培勇;龍玲;趙娟妮. 重型卡車車架結構改進與輕量化設計研究，機械強度，2016.04

作者簡介：

程曉奕（1983-），女，專利審查員，主要從事化學領域的發明專利實質審查工作;

姜海燕（1982-），女，專利審查員，主要從事化學領域的發明專利實質審查工作，貢獻等同第一作者。