【技术干货】一文详解电动汽车轻量化的必要性，复合材料电池壳特性及国外主要的加工商

汽车轻量化的必要性

汽车制造商正在集中精力开发用于大规模生产的新型驱动类型，并使客户能够方便地使用这些新驱动，以满足有关减少汽车排放的法律规定。在这个过程中，传动系统的电气化是非常重要的。除了燃料电池推进等概念外，未来几年，混合动力、插电式混合动力或纯电动汽车将在汽车市场发挥越来越重要的作用。

然而目前，一些替代性汽车尤其是电动汽车尚未达到与汽油或柴油动力汽车相当的续航里程。提高续航里程的途径很多，一种选择是安装一个大得多的储能装置，但是，这将对车辆的重量产生负面影响；另一种可能性是提高存储单元内的能量密度。不幸的是，目前还无法确定电池的比能量容量是否以及何时能与汽油和柴油等传统燃料产生的值相媲美。

延长汽车的续航里程的另一种可能性是提高车辆的整体效率，从而减少消耗。除了动力系统的优化措施外，还必须降低行驶阻力，而汽车重量在这方面起着重要作用。因此，轻量化设计不仅对电动汽车很重要，而且对采用内燃机的传统动力汽车也很重要。

每减重100公斤，二氧化碳排放量可减少约10克/公里，油耗可减少0.45升/100公里。由于二次效应，额外部件和组装件的重量最多可减少37公斤，重量会螺旋式下降。以电动汽车为例，电池成本也有望降低约5%。此外，低重量对驾驶动力学也有积极影响。

复合材料电池外壳的优势

就电动汽车而言，重型电池和所需的保护外壳可以通过轻量化设计进行部分补偿，以提高车辆效率，并为驾驶员提供最大可能的续航里程。电动汽车的电池外壳目前主要由铝和钢制成。相比之下，复合材料设计的电池壳重量减轻了40%，如下图所示，同时具有相近的机械性能。

 复合材料电池外壳

最重要的是，底板和盖子的设计对复合材料外壳的良好性能至关重要：它将夹层芯（例如由PET、EPDM或泡沫铝和类似材料制成）与几层碳纤维或玻璃纤维织物结合在一起。根据需要，可以使用垫子、织物或纤维网，如下图所示。该加工是在使用快速固化的硬塑性树脂的自动压制过程中进行的，这使得能够实现大批量高质量地生产。

电池壳生产用纺织品半成品

构件的刚度在很大程度上取决于所使用的夹层结构。通常，铝组件可以用CFRP组件代替。电池外壳的这种刚度特别重要，因为在大多数电动汽车中，电池外壳对白车身的整体刚度做出了重要贡献，并且是车辆结构的支撑元件，如下图所示。电池外壳能够承受通常的正面或后端碰撞测试以及绝对关键的侧面碰撞场景所产生的应力。此外，纤维增强部件的高比刚度与低重量和良好的阻尼性能相结合，对车辆的噪声、振动、不平顺性（NVH）性能也产生了积极影响。

全电动汽车中的大多数电池箱都采用纤薄设计，它们用于容纳电池模块，使车身更加坚固

纤维增强塑料的另一个优点是导热率较低，例如，与铝相比，碳纤维增强塑料导热率低约200倍，这通常会使额外的电池绝缘变得多余，并比经典的金属外壳概念提供更好的冷热防护。目前常用的锂离子电池的理想工作温度在10到40°C之间，因此在许多情况下，有必要主动加热或冷却电池。当使用复合材料时，由于材料的隔热效果，与其他概念相比，热调节所需的能量更少，这进一步提高了车辆的效率并降低了总功耗。

在防火方面，使用纤维增强塑料作为电池外壳也是可能的。这种材料具有自熄性，可抑制火灾的发展，并且只能在有限的范围内将电池燃烧产生的极端热量传递给相邻部件和车辆内部，以便乘客和应急服务人员在发生紧急情况时获得宝贵的时间。

复合材料电池外壳的主要加工商

加拿大Magna International 公司：公司Magna Exteriors部门自2019年以来，便参与了复合材料电池外壳开发活动，专注于使用阻燃不饱和聚酯（UP）或乙烯基酯（VE）树脂的模压SMC。

德国STS Group AG：自2019年以来已为中国的多个项目提供SMC电池盖，该公司于2022年开始在弗吉尼亚州建造一座新的SMC模塑工程。STS集团花了三年时间验证了连续玻璃或碳纤维增强的酚醛树脂和环氧树脂，这些基体可以在长期暴露于高温后提供残余机械性能。

TPI Composites 公司：这家复合材料风电叶片生产商也在生产复合材料电池外壳组件，为预计于2023-2024年推出的4-8类电动卡车开发电池外壳，公司花了六年时间开发和验证各种材料/工艺，主要是基于连续纤维(玻璃纤维、碳纤维或混合物）浸渍酚醛树脂或高温阻燃环氧树脂，采用高压RTM、湿法复合成型和其他技术。

德国Kautex Textron GmbH&Co.KG与材料供应商Lanxess AG合作：探索使用热塑性复合材料替代大型电动汽车电池外壳上的钢和铝。对于一款C级（中型）轿车，展示了一个1400×1400毫米的电池外壳，包括一个连接到一体式防撞结构的托盘、车底保护装置和顶盖。结构件使用Durethan B24CHM2.0玻璃纤维增强PA6，采用压缩D-LFT（长纤维热塑性塑料）制造，这是一种适合快速、经济地生产大型部件的一步法工艺。

Kautex Textron和Lanxess AG联合开发的全热塑性复合材料电动汽车电池外壳(上)，而Ballard Power继续使用复合材料并随着全球需求的增长增加其燃料电池制造能力(下)

美国Lyondell Basell Industries公司：自2016年以来一直为商用电动汽车电池外壳项目提供SMC。Lyondell Basell已将其锻造Preg连续单轴、双轴和三轴碳纤维增强混合SMC与高强度Premi SMC和高温Quantum ESC SMC等级共同模压，以优化质量和性能。

美国Teijin Automotive Technologies：在北美、欧洲和亚洲拥有十多年的压模复合材料EV电池盖和完整外壳的经验，主要使用短纤维/热固性片状模塑复合材料（SMC）。Teijin也在研究混合材料方法，使用长纤维局部增强短纤维材料，并致力于为其大批量材料创建材料卡片(用于模拟软件)，以帮助客户开发新产品。

日本三菱化学（Mitsubishi Chemical Group Corp.，MCG）：已在全球范围内为复合材料电动汽车电池外壳提供材料，包括GMT和GMTex材料。该公司正在开发创新的多功能材料，以承受热失控事件，例如用于电池外壳的新型阻燃热塑性复合材料，该材料已通过了在1000°C火焰中暴露超过5分钟的测试。该公司还在探索将生物基热固性树脂系统用于其玻璃纤维和碳纤维增强预浸料。

三菱化学电池外壳中的热塑性复合材料

沙特SABIC：为中国市场的本田汽车公司电动汽车提供阻燃短玻璃纤维增强聚丙烯（PP）树脂，该聚合物在暴露于火焰时可形成膨胀焦，使其具有自熄行为。这是第一个通过中国GB 18384-2020规范的盖子。与金属电池外壳相比，SABIC的注塑热塑性塑料可节省40%的重量，有助于延长行驶里程，同时功能集成简化了组装并降低了成本。

集成膨胀型阻燃电池盒盖，1.6×1.4米的盖子由一种短玻璃纤维增强聚丙烯复合材料制成，适用于本田在中国市场制造的电动汽车

德国SGL Carbon：于 2021 年便开始为北美汽车制造商生产电池外壳的碳纤维和玻璃纤维复合材料顶层和底层。大容量应用是电动汽车底盘的关键部件，满足重量、刚度、冲击防护、热管理、防火以及水和气体防渗的严格要求。