跳出框框思考：电池外壳的轻量化
电动汽车(EV)结构的轻量化是帮助延长续航里程的一个关键因素，这是加速电动车普及的必要条件。一个具体的减重对象是用来放置电池的电池盒。
迄今为止，既要支撑电池重量又要保护电池的要求往往使这些外壳本身变得沉重。不过，现在，一些研究计划正在寻求通过使用新的轻质材料应用来缓解这种情况。
在德国达姆施塔特的Fraunhofer结构耐久性和系统可靠性研究机构，一个新完成的项目开发了一种轻质电池外壳，该外壳由连续纤维增强热塑性塑料 (CFRTP) 采用创新的泡沫注塑成型工艺制成。该结构使用了两层CFRTP，中间有一层泡沫层，据称与铝制结构相比，重量可减少40%。
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三明治结构
该项目的负责人 Felix Weidmann 博士证实了这些细节。“这种结构基于三明治结构，旨在在低重量的情况下实现非常高的力学性能。这是在组件中遵循轻量级设计方法的经典方法，可以在许多应用中找到，”他说。“到目前为止，这一直非常昂贵，但我们的新材料和工艺方法在成本敏感的应用中更具竞争力。”
在制造过程中，外层首先由交叉单向(UD)胶带铺设程序形成。必要的固结过程是使用双带压机完成的，Weidmann 博士将其描述为“制造热塑性复合材料层合板最具成本效益的方法”。然后在激光切割和局部热成形过程中进行“3D预成型”，只对需要弯曲的结构部分进行加热和冷却循环，以达到所需的形状。Weidmann博士解释说：“切口和它们特定的轮廓可以折叠成3D预制件，类似于包装箱/纸箱。”
此外，Weidmann 博士说，这种“热弯曲”技术避免了材料结晶特性的更广泛的改变，否则可能会在实际的电池外壳制造过程中造成问题。“我们在需要弯曲轮廓以实现 3D 预制件的地方引入了局部热循环，”他指出。
在注射成型过程中，外层与泡沫层相结合以产生承载能力。“这基本上是聚合物界面的熔融键合过程，” Weidmann 博士说。“在加工过程中，模具和材料的温度以一种能够使泡沫芯材和复合材料面板之间牢固粘合的方式确定，” 他说，所需的注入压力非常低，泡沫芯的注射大约需要5秒钟。目前，将工件从模具中取出所需的冷却时间接近120秒，但 Weidmann 博士相信可以实现更短的时间。
虽然三明治式的材料配方已经是一种很好的实现轻量化和高强度结合的方法，但Weidmann博士表示这个项目仍然拥有许多创新功能。“在热塑性复合材料混合注射成型技术领域，这种原位CFRTP夹层成型工艺是一种非常新的工艺，”他说，“但我们是世界上唯一一家将其推向如此庞大且技术要求极高的3D结构（比如电池外壳）的公司。”
Fraunhofer 过程：
一个必须解决的特殊问题涉及三明治结构的收缩和翘曲预测，以及泡沫芯和复合材料面板之间的关键粘合发展。正如Weidmann博士指出的那样，“目前还没有商业上可用的模拟解决方案。”然而，该项目使用Weidmann博士自己开发的新方法，成功地验证了收缩和翘曲的适当模拟，以及后一种情况下的粘合行为。
因此，Weidmann博士相信最终的材料和工艺组合提供了一种吸引力的混合功能。“由于结构原因，它不需要任何金属，”他说。“这是一种完全由聚合物和复合材料制成的电池结构，可以容纳任何形状的电池。”他补充说，除了重量轻、成本低和不导电外，该技术的发展促进了设计的自由，包括几何形状和材料的选择，以支持“几乎任何应用要求，包括非常强的阻燃性”。
该项目涉及分别由菲亚特(Fiat)和依维柯(Iveco)参与的插电式电动汽车和全电动巴士的电池外壳开发，但Weidmann博士表示，已经有来自更广泛行业的令人鼓舞的反馈。此外，他说，这项技术并不局限于电池结构，还适用于任何要求成本效益轻量化设计的组件。
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联盟开发的解决方案
在德国的其他地方，一个企业联盟在过去几年的工作中开发了一种电池外壳，该外壳使用安装在铝基板上的玻璃纤维增强 SMC（片状模塑料），据称有助于减轻约 10% 的重量与常用的现有材料组合相比，不会影响机械性能。涉及的企业包括：玻璃纤维产品制造商 Lorenz Kunststofftechnik；材料化学专家赢创；材料和生产工艺开发商 Forward Engineering；电池供应商 LION Smart；复合材料专家 Vestaro 和电池外壳供应商 Minth。
Lorenz Kunststofftechnik 首席运营官 Peter Ooms 表示，该项目使用赢创的环氧固化剂来开发密度在 1.5-1.7gm/cm³ 之间的新型 SMC。“它具有出色的性能，例如大于 350 MPa 的弯曲强度、大于 18,500 MPa 的弯曲弹性模量和大于 150kJ/m2 的抗冲击性，”他报告说。“此外，通过使用环氧树脂代替通常的聚酯树脂，可以消除通常在使用玻璃纤维增强 SMC 材料时出现的其他问题。”
Ooms 表示，热性能也令人印象深刻。“该材料可在 800°C 下承受 10 分钟而不会烧穿，其绝缘性能可保护周围的组件和材料免受超过 300°C 的温度影响。此外，通过使用环氧树脂代替通常的聚酯树脂，可以消除在使用玻璃纤维增强 SMC 材料时通常会出现的其他问题。”
但是Ooms也指出了新发展中的三个特别的创新。他说：“首先，原料在20°C的常温条件下可以保存数月。”“第二是在材料中加入脱模剂，这样材料就不会粘在模具上。第三，任何使用传统或高科技SMC的客户都可以在不改变工艺的情况下使用这种材料。”
据 Ooms 称，进一步的工作是针对完全复合结构的开发，但他确认新产品已经引起了汽车行业的兴趣。“已经有几家汽车制造商做出了承诺，”他表示。
一些公司联合开发了一种电池外壳，使用玻璃纤维增强SMC安装在铝基板上，据称比常用的材料组合可减轻10%的重量。
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轻质层压板
与此同时，在英国，位于Pershore的Stalcom汽车技术公司推出了一种新的轻质层压电动车电池基板技术，暂时称为轻质层压板，该技术将铝与聚丙烯复合材料结合在一起，创造出一种所谓的“利用两种材料的最佳性能的非均质混合材料”。该产品使用了德国Huesker合成公司生产的CFRTP材料层，并使用了英国公司Powdertech Surface Science的无胶粘剂粉末粘结工艺，据称该工艺提供的粘结强度是胶粘剂同类产品的三倍。
据Stalcom董事总经理Bob Mustard 表示，该产品的一个关键元素是使用这种连接技术，该技术是由Powdertech专门开发的，用于解决与将热塑性材料粘合到金属上的相关问题。他说：“这是将金属与聚丙烯连接起来的一个突破性工艺，简单、快速且干净。”
Mustard 说，如果需要，制造过程开始于复合材料和铝层的预切割和成型，这些复合材料和铝层已经应用了粘合涂层，并将机械固定件插入到铝中。然然后将铝板在短周期压缩成型过程中热熔到聚丙烯复合材料上，制成的组件可以直接从模具中使用。他补充道，加工技术和周期时间可以变化，以适应低、中或高产量，而只需稍作工艺更改即可。他表示：“一旦冷却并从工具中取出，所得到的组件在使用前只需很少或不需要后处理。”
由于复合材料和铝的热膨胀系数不同，Mustard的设计、工具和加工需要适应这一点，以避免后续问题。然而，他强调，基本的制造过程是完全简单的。“这些材料是在传统的压缩成型工艺中组装和成型的，”他确认道。
“出于安全相关的原因，顶部和底层通常是绝缘复合材料，中间铝层为 EMC 屏蔽和接地安全提供接地层，”Mustard说。“迄今为止，已经构建并测试了三层和五层设计，其中五层设计具有两个独立的导电层，提供类似于多层 PCB 的互连可能性。”
Mustard 可以列举出与单片复合材料或均质金属相比，该材料在 EV 电池外壳和基板方面的一系列性能优势。这些包括：层间故障安全内部连接；非常高的抗穿刺性；与全铝基板相比，隔热性能得到改善，内部峰值温度降低了60°C；并易于拆卸最终层压板，以方便材料的再利用和回收。
事实上，英国小型汽车制造商瓦特电动汽车公司(Watt Electric Vehicle Company)已经指定了这种材料技术，用于其即将推出的Coupe跑车的平台，客户计划在明年第一季度交货。Mustard表示：“它构成了电池的底板，并以 'cell to chassis’ 的设计完全集成到底盘中，”Mustard 说。“这将是首批展示底盘即电池盒概念的车辆之一。”
来源 | automotive manufacturing solutions
编译 | Carbontech
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