連續纖維增強復合材料在動力電池箱蓋上的應用

王鵬　張新意　孫啟坤　黃榮　袁文靜

摘 要：動力電池能量密度是影響電動汽車續航、能耗的一項關鍵指標，輕量化復合材料用于動力電池殼體實現減重是提高電池能量密度的有效途徑。文章首先回顧了復合材料概念及其用于動力電池上蓋與其他材料的特性對比，然后針對某純電動車型電池箱蓋，選用高強度樹脂基連續玻纖增強復合材料制作了方案，并對方案進行了仿真分析和實測驗證。通過該方案與金屬材質方案的對比，展現了復合材料在動力電池箱蓋輕量化方面的優勢和應用潛力。

關鍵詞：電動汽車 動力電池箱蓋 復合材料

1 引言

進入21世紀以來，隨著鋰離子電池技術的發展成熟，電動汽車迎來了快速發展。尤其是近幾年，電動汽車滲透率快速上升，已經形成了對于傳統燃油車的顛覆性發展趨勢。

但目前電動汽車的續航里程焦慮、冬季續航衰減、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可。改善這些問題需要對動力電池技術進行進一步的創新和發展，而電池技術的創新與新材料的開發和應用息息相關，包括電芯內電極材料等，也包括系統集成層面殼體材料等。

動力電池殼體，包括電池系統箱體、上蓋等，目前較多采用金屬材質，包括鋼、鋁等。金屬材質強度高、技術成熟，可以很好地滿足電池殼體的機械承載性能需求。但隨著對電池能量密度、保溫性能等的需求逐步提升，金屬材質在重量、導熱率等方面的劣勢逐步凸顯。

對此，采用輕量化復合材料取代或部分取代金屬材質，已成為電池殼體的一項重要技術發展趨勢，得到越來越多的關注和探索應用。尤其是復合材料上蓋等已經在市場量產車型上實現大規模量產應用，且使用范圍和用量還在不斷擴大和提升，未來將發揮越重要的作用。

本文將對復合材料在動力電池箱蓋中的應用進行探討，包括復合材料的簡要概述，結合不同材質橫向對比和具體方案的評估分析，以此對該項應用技術的問題和發展趨勢，進行分析和展望。

2 復合材料應用概述

2.1 復合材料概述

復合材料是指由兩種或兩種以上不同組分材料復合而成的材料。在汽車領域，樹脂基纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，FRP）已經得到了大范圍的應用，其最常見的應用場景是取代傳統金屬材質以實現輕量化，包括車身、內外飾件、底盤護板等。

按樹脂基體的加工特性，FRP可分為熱固性復合材料和熱塑性復合材料，在汽車領域都有大規模應用。常見熱固性樹脂有環氧樹脂等，其特性是一次性加熱固化成型，不能重復加工，具有高強度、耐熱性好、電性能優良、抗腐蝕、耐老化、尺寸穩定性好等優勢。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，可重復加工，具有抗沖擊韌性好、加工便利、可回收等優勢。

汽車用纖維增強復合材料中常用纖維有碳纖維、玻璃纖維等。其中碳纖維強度更高，價格也更高。玻璃纖維強度低一些，成本也更低廉。

增強纖維按其在復合材料制品中保留的纖維尺寸可以分為短纖維、長纖維、連續纖維等。其中連續纖維增強復合材料的強度、剛度、耐沖擊性等性能最優，在汽車輕量化方面具有巨大應用潛力。

2.2 復合材料成型工藝

樹脂基復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]。適用于箱蓋產品大型面板結構的主要是模壓成型、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模內，經加熱、加壓固化成型的方法。采用模壓成型的非連續纖維熱固性復合材料有SMC（片狀模塑料）、BMC （塊狀模壓料）、TMC（厚片狀模塑料）等；模壓成型非連續纖維熱塑性復合材料有 GMT（玻璃纖維氈熱塑性塑料）、LFT-D（長纖維增強熱塑性復合材料直接在線生產工藝制品）、LFT-G（長纖維熱塑性顆粒注射制品）等；模壓成型連續纖維復合材料有PCM（預浸料模壓成型）、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材料并固化成型的工藝方法[5]。傳統RTM工藝存在一些弊端，如樹脂浸漬率不高導致氣孔等缺陷、樹脂流動會沖散纖維造成纖維屈曲/分布不均、大型制品樹脂流動不均勻等問題；對此又改進發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相對于傳統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數的制品。

3 復合材料用于動力電池箱蓋

目前常見的動力電池箱蓋材質有鋼、鋁合金、復合材料等。

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

鋁合金材質相較鋼材質，具有更高的比強度，具有輕量化優勢。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生產氧化層，其本身具有較好的防腐能力。不過由于具有導電性、熔點低的特性，可對其進行電泳/噴塑處理、噴涂防火涂層、貼覆防護層等以增強絕緣能力、抗熱防護能力。

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

近年來，隨著連續纖維成型工藝的發展成熟，尤其是PCM、HP-RTM等由碳纖維復合材料發展的成型工藝拓展應用到成本更低的玻纖復合材料領域，連續玻纖增強復合材料動力電池上蓋產品開始得到規模化應用。

連續玻纖增強復合材料目前可以做到比鋁合金更高的強度（抗拉強度可達到400MPa以上），同時密度比鋁合金更低（約1.9g/cm3），在滿足機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勢。但相比鋼和鋁合金，目前連續玻纖增強復合材料的成本較高。

目前已實現規?；瘧玫倪B續玻纖增強復合材料上蓋成型工藝主要是PCM和HP-RTM，兩種工藝生產的產品性能可以達到相近的水平。其中PCM工藝一次性投入成本（設備、模具）相對較低，原材料為預浸料，需人工鋪設，生產效率略低，比較適于小批量/樣件生產。HP-RTM成型設備復雜，投資較高，模具費較高，原材料為干纖維布，人工鋪設量較少，樹脂真空高壓注入，生產效率高較，產品表面狀態好。

4 復合材料動力電池方案評估

以北汽某款純電動車汽車動力電池產品為例，進行復合材料動力電池方案的具體評估。

4.1 上蓋的基本技術要求

動力電池上蓋設計需滿足以下主要技術要求：

1）結構適配性要求：形狀尺寸（含公差）滿足與箱體、車身等結構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、機械沖擊、碰撞、濕熱循環、浸水、外部火燒、電池熱擴散、溫度沖擊、鹽霧等工況的要求；

3）重量指標要求：滿足對于上蓋的重量分解指標要求；

4）成本指標要求：滿足對于上蓋單件成本、模具費等成本費用預算要求；

5）制造要求：滿足工藝可實現性、量產可行性、生產效率要求；

6）材料要求：阻燃、禁限用物質要求；

7）外觀及標識要求等。

上述產品級需求分解到材料級，對應的材料性質包括力學性能、防火耐溫性能、防腐性能、密度、工藝成型特性等。

4.2 復合材料上蓋方案

基于項目電池系統結構整體需求，形成如圖1所示上蓋產品設計，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，其他局部位置根據成型和剛度/強度要求做加厚處理。

方案采用HP-RTM工藝成型，原材料采用阻燃環氧樹脂和連續玻璃纖維布，成品玻纖含量60%。主要材料參數：密度1.9g/cm?，拉伸強度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。復合材料上蓋方案在重量方面有明顯優勢。

4.3 復合材料上蓋仿真分析

基于上述方案進行上蓋機械性能仿真模型搭建。模型采用Shell單元，單元尺寸4mm，數量179414。

經過仿真計算，1.5mm厚度方案及1.2mm厚度方案上蓋一階整體模態，以及搭載整包振動、機械沖擊等工況下應力值等均滿足設計要求。其中1.5mm方案相較1.2mm方案具有更高的模態，在振動、沖擊工況的應力表現方面二者結果差別不大。所以基于上述結果，考慮重量和成本，優先采用1.2mm方案。

4.4 復合材料上蓋搭載測試驗證

基于上述1.2mm厚度復合材料上蓋方案，制備了相應樣品，根據GB 38031-2020對電池包的要求，搭載電池包進行了振動、機械沖擊、外部火燒等測試驗證，均通過測試，滿足設計要求。

其中在外部火燒測試中，電池包整體在油盆上方經過70s直接燃燒和60s間接燃燒，其中復合材料上蓋樹脂基體發生燃燒碳化，剩余玻纖層整體結構保持較為完整，火盤移開后電池包無明火等危害現象，測試通過。

5 結論

樹脂基連續玻纖增強復合材料具備較高的強度，在電池上蓋輕量化方面具有很大應用潛力。以北汽某款純電動車汽車動力電池產品為例，設計復合材料上蓋方案，通過仿真分析確認可行性，采用HP-RTM工藝成型制造樣品，支持整包通過各項測試驗證。

經過方案及實測對比，樹脂基連續玻纖增強復合材料上蓋可以滿足安全性等設計要求，相較金屬材質上蓋具有明顯輕量化優勢。未來將會在更多的項目中得到量產應用，對電池和整車的輕量化、進而對車輛續航等性能的提升做出貢獻。

參考文獻：

[1]左可雷，關世偉. 復合材料在汽車輕量化設計中的應用[J]. 裝備制造技術，2015， 05-0258-03.

[2]何亞飛，矯維成，楊帆，等. 樹脂基復合材料成型工藝的發展[J]. 纖維復合材料，2011（02）：7-13.

[3]朱楠，彭德功，李軍，等. 復合材料模壓成型工藝研究[J]. 纖維復合材料，2020，37（2）： 7-13.

[4]鐘正. 碳纖維復合材料力學行為及斷裂失效模式仿真[D]. 大連：大連理工大學，2021.

[5]朱怡臻，王瑛，陳鳴亮，等.先進樹脂基復合材料RTM成型工藝研究及應用進展[J]. 塑料工業，2020，48（5）： 18-22.