無論稱作電池包、電池盒或電池盤，對電動車電池及其電氣和熱管理硬件進(jìn)行包覆和保護(hù)的結(jié)構(gòu)都可認(rèn)為是十分重要的子系統(tǒng)。主機(jī)廠（OEM）和供應(yīng)商的有關(guān)專家告訴美國工程學(xué)會媒體（SAE Media），優(yōu)化電池組涉及制造工藝調(diào)整、材料選擇、質(zhì)量和電池包平衡、安全規(guī)定達(dá)標(biāo)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計/工程挑戰(zhàn)應(yīng)對等方方面面。

【資料圖】

麥格納（Magna）全球研發(fā)集團(tuán)車身和結(jié)構(gòu)高級經(jīng)理Darren Womack問到：“你想用螺栓把電池組固定在車輛上，還是集成到車身結(jié)構(gòu)中？”他在最近的一次分析師會議上指出，熱沖壓、冷沖壓、滾壓成型、液壓成型、鑄造和鋼、鋁、復(fù)合材料和熱塑性塑料——都在電池組開發(fā)期間引發(fā)了“熱烈的討論”。

Womack指出，很顯然，主機(jī)廠希望消除多余的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電池包空間，提升質(zhì)量并降低復(fù)雜性。將電動汽車電池整合到周圍結(jié)構(gòu)涉及到各種配置。比亞迪（BYD）目前正在生產(chǎn)的電池到電池組設(shè)計，取消了中間的模塊階段，將電池直接放入電池組中。電池到底盤技術(shù)將電池單元與汽車底盤、電力驅(qū)動和熱管理系統(tǒng)整合在一起。所有的電池元件都裝在白車身中，取消了單獨的電池組結(jié)構(gòu)。

特斯拉（Tesla）和其他公司也正在研究這種設(shè)置，底盤和車輛側(cè)面是電池的底板和側(cè)面結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)合中，確保車身完整性、電池組裝配準(zhǔn)確程度和密封性至關(guān)重要。

“每個主機(jī)廠都想要一個“獨家劇本”——根據(jù)他們的標(biāo)準(zhǔn)，包括電池外形尺寸、電池尺寸和車輛，制定一個菜單?！变X專家Novelis的全球汽車戰(zhàn)略和營銷總監(jiān)Mario Greco解釋說：“沒有任何一種電池外殼的解決方案會完全適用于所有主機(jī)廠?！?/p>

例如，目前一大批解決方案可能關(guān)于一個沖壓成型的單個殼體。Greco表示，它可能包括一個集成的冷卻結(jié)構(gòu)，因為汽車結(jié)構(gòu)適合電池到底盤的設(shè)計，而不是電池到電池組結(jié)構(gòu)。“我認(rèn)為我們將看到‘滑板’和下一代非承載式車身架構(gòu)之間的融合?！盙reco指出，“主機(jī)廠正進(jìn)入電動車領(lǐng)域，現(xiàn)有企業(yè)擁有全新的非承載式車身架構(gòu)，這些架構(gòu)可以支持相當(dāng)長的一段時間?！?

廣泛的設(shè)計領(lǐng)域

麥格納公司電池托盤部全球首席工程師Gregor Klement表示，盡管液冷鋰電池組有很大的重量弊端，但降低電動車重量仍有可能實現(xiàn)。他認(rèn)為：“展望未來，我們看到越來越多的電池集成到車身中，輕金屬和復(fù)合材料都發(fā)揮了作用。麥格納研發(fā)部門正在研究電池到底盤的解決方案，我們看到客戶也在尋找類似的方向。通過消除多余的結(jié)構(gòu)部件，我們看到了在重量和成本方面得到優(yōu)化的機(jī)會?！?但他估計，電池的重量可能永遠(yuǎn)不會被完全抵消。

凱迪拉克超級豪華車型2024款Celestiq的項目工程經(jīng)理Jeremy Loveday指出，由于汽車電氣化仍處于初級階段，許多電動車子系統(tǒng)的開發(fā)正處于關(guān)鍵階段。在這種情況下，一級公司正在提供近程和遠(yuǎn)程的解決方案供主機(jī)廠評估。杜邦公司在2022年底發(fā)布的三合一電池盒概念是模塊化設(shè)計的一個新案例，整合了電池冷卻、電氣互連和結(jié)構(gòu)部件。外殼由該公司的Zytel HTN制成，使用尼龍基聚酰胺材料，可耐高溫。

據(jù)杜邦移動性和材料集團(tuán)的電池材料業(yè)務(wù)開發(fā)負(fù)責(zé)人Frank Billotto稱，這一概念支持半直接冷卻（電池通過其標(biāo)簽冷卻），并通過電氣互連方便組裝。他還表示，這種設(shè)計讓電池的能量密度更大，提高了車輛的續(xù)航能力和電池效率。

殼體之爭在工程師和材料科學(xué)家中掀起了新一輪創(chuàng)新。目前大約80%的電動車都是鋁制電池外殼，但工程師們很快注意到，根據(jù)車輛類型、工作周期、體積和成本，創(chuàng)造該領(lǐng)域的替代方案大有可為。

“我認(rèn)為未來看到更多的輕質(zhì)鋼外殼，主要是在小型、短途車輛上。”鋁型材和板材專家Constellium公司的北美汽車技術(shù)總監(jiān)Andreas Asfeth博士解釋說。他提到鋼鐵具有“強(qiáng)大的成本競爭力”，對小型車輛電池而言，相對于鋁，黑色金屬降重不成問題。

但在長途大型車輛中，“電池代表了車輛的價值，電池越大，鋁對電池組就越有意義?！盇sfeth認(rèn)為。通用汽車（GM）公司重達(dá)9000磅（4082公斤）的悍馬電動車與這一發(fā)展趨勢卻背道而馳，它采用多種材料制成電池外殼。與Model S和Model X車型相比，特斯拉也減少了Model 3和Model Y的電池外殼中鋁的含量。該公司就預(yù)計來自特斯拉柏林工廠的結(jié)構(gòu)性電池組所做的公開聲明表明，上下蓋均由鋼制成。

鋁合金規(guī)則--暫時如此

與同等比例的鋼材料設(shè)計相比，鋁制電池外殼通?？梢怨?jié)省40%的重量。根據(jù)Asfeth的說法，最適合電池外殼的合金是6000系列的鋁硅鎂銅系列--他認(rèn)為，這些合金與報廢的可回收材料高度兼容。他表示，目前最先進(jìn)的底板解決方案是峰值時效的高強(qiáng)度6111合金，與基準(zhǔn)的5754 O型回火合金相比，重量減少了30%。

根據(jù)Asfeth的說法，康采恩（Konzern）正在開發(fā)一種 “具有成本競爭力”的4xxx系列合金，它的屈服應(yīng)力擁有80-GPa的E-模量和350-MPa。該合金有可能減輕40%的重量。他補(bǔ)充說，4xxx系列的規(guī)格和寬度將與6000系列合金相似，并與傳統(tǒng)的冷成型工藝兼容。

該公司還在開發(fā)一種7075 T6合金。Asfeth告訴汽車研究中心網(wǎng)絡(luò)研討會的參會者，這種材料具有500兆帕的屈服應(yīng)力和70兆帕的E-模量。潛在的應(yīng)用包括電池組底板，其中抗沖擊性是關(guān)鍵。然而，這種新合金需要特殊的制造工藝，成本的增加可能會抵消10%的減重效果。這就是電池盒和電動車開發(fā)中需要權(quán)衡的方面。

鋁的6xxx系列合金被用于兩種不同的先進(jìn)擠壓合金中，最近Constellium公司利用這些合金來作為雙框架外殼原型的基礎(chǔ)。內(nèi)框架（在沖擊中保護(hù)電池的第二個支撐）采用了強(qiáng)度優(yōu)化的6000（HSA6系列）。潰縮區(qū)設(shè)計的外部加固結(jié)構(gòu)采用6000合金材料HCA6系列，韌性高。然而，如果該行業(yè)轉(zhuǎn)向固態(tài)鋰電池，電池包設(shè)計可能會轉(zhuǎn)變，Asfeth指出：“我們可能會看到固態(tài)電池單元本身具有一些承重功能，因此對外殼的結(jié)構(gòu)要求會降低?！?/p>

模制電池組前景

復(fù)合材料和塑料供應(yīng)商并沒因為鋁在電動車電池外殼中目前的主導(dǎo)地位而蒙蔽雙眼。他們正在開發(fā)新的材料配方和制造工藝，希望能達(dá)到甚至超越輕金屬的性能和成本競爭力。

“目前的電池組使用了大量未經(jīng)優(yōu)化的金屬。它們是利用現(xiàn)有的材料和技術(shù)設(shè)計的?！睙崴苄运芰暇揞^SABIC公司的電動汽車電池和電氣部門的全球汽車領(lǐng)導(dǎo)人Dhanendra Nagwanshi聲稱。他表示，與鋁相比，新一代熱塑性塑料可根據(jù)應(yīng)用情況降低30-50%的重量。與鋁相比，它們有同等或更好的沖擊性能，通過簡化裝配工藝來降低成本，并減少對環(huán)境的不利影響。工程師對熱塑性電動車電池托盤的興趣來源于通用汽車1990年的Impact概念車。隨后的EV-1量產(chǎn)車使用了玻璃填充的聚丙烯（PP）材料制成的托盤。

SABIC的最新創(chuàng)新成果直接瞄準(zhǔn)了鋁材料的一個弊端——高的熱傳導(dǎo)性。鋁在大約630攝氏度（1166華氏度）時開始熔化。內(nèi)部熱失控產(chǎn)生的溫度可導(dǎo)致電池起火，溫度高達(dá)1100度（華氏2012度）。鋁在高溫下也會直接燃燒，1975年美國海軍貝爾克納普號導(dǎo)彈巡洋艦與約翰-F-肯尼迪號航空母艦相撞時就是證明。由此引發(fā)的大火有效地熔化了Belknap號的大部分鋁密集型上層建筑。

Nagwanshi指出，SABIC開發(fā)的新型Stamax FR長玻璃纖維PP具有 “獨特”的阻燃性能?！斑@種材料與火接觸時，會燒焦。然后，這些焦炭會成為一個絕緣層。”他說。該公司根據(jù)電池外殼材料的UL2596標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的測試表明，這種塑料可以承受1000攝氏度的高溫30分鐘——這是鋁會穿孔的溫度閾值，他指出。關(guān)于電動車安全的20號全球技術(shù)法規(guī)（GTR 20），其目的是在熱失控期間保護(hù)乘員至少持續(xù)5分鐘，已在中國應(yīng)用，并將在歐洲和其他地方應(yīng)用。

目前，本田公司將SABIC生產(chǎn)的阻燃PP電池組罩在中國市場使用。這種蓋子消除了熱覆蓋，與類似的金屬蓋相比，重量降低了40%。

下一代熱塑性塑料電池組和模塊樣件正在開發(fā)中?？偛课挥诹_德島的Tri-Mack塑料公司最近展示了僅由八層單向碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（TPC）帶制成的輕質(zhì)、高強(qiáng)度的外殼，厚度為一毫米（0.040英寸）。該公司的工藝工程經(jīng)理Ben Lamm指出，這種材料與Tri-Mac的制造工藝相結(jié)合，為零件的幾何形狀、零件的整合和集成的EMI對策提供了新機(jī)會。

成熟樹脂系列和化合物的新變化也是針對電池盒的。在SABIC的項目中，有一個全塑料的電動車電池托盤，其中集成了冷卻通道和碰撞保護(hù)元件。Nagwanshi稱，與鋁制電池組相比，它可以減少12%的質(zhì)量。Stamax FR長玻璃纖維PP的集成塑料-金屬混合結(jié)構(gòu)也正在進(jìn)行中。測試表明，該結(jié)構(gòu)符合跌落測試要求。工程師對其吸收大量能量的性能感到振奮人心，這也是車輛側(cè)面撞擊測試的要求之一。

Nagwanshi說，還有兩個特點使熱塑性塑料在電動車電池盒方面比鋁有競爭力。其一是各向異性的導(dǎo)熱性--塑料能夠在一個方向上同時傳導(dǎo)/散發(fā)熱量，同時在其他方向上提供絕緣。他指出，金屬會導(dǎo)熱，要求電動車采用熱覆蓋零件，如特斯拉使用的云母片。

而對于熱塑性塑料，“塑造幾何形狀零成本?！彼f：“注射成型可以很容易地創(chuàng)建蜂窩狀結(jié)構(gòu)，用來提供部件中所需要的強(qiáng)度。將幾何形狀與高性能玻璃纖維增強(qiáng)樹脂結(jié)合起來，結(jié)構(gòu)性能可與鋁相媲美。制造熱塑性塑料部件所排放的二氧化碳比鋁制部件低10-15%?！?/p>

他認(rèn)為SMC等熱固性塑料在某些方面形成競爭力，但他批評這種材料類型 “沒有得到優(yōu)化”，因為它需要一個熱覆蓋零件，以及二次制造操作?！岸夷悴荒芑厥諢峁绦运芰??！彼硎?。

Hugh Foran或許不會同意他的同行所持有的觀點。作為帝人汽車技術(shù)公司（C8 Corvette熱固性外板的供應(yīng)商）的新業(yè)務(wù)發(fā)展/新市場總監(jiān)，他指出，SMC的再研磨有多種二次使用的用途。對于電動車市場，帝人已經(jīng)成為熱固性電池盒頂蓋的主要供應(yīng)商。

Foran告訴SAE媒體：“我們已經(jīng)為各種電動車生產(chǎn)了30多個電池頂蓋?！表斏w通常是一種含有阻燃劑的聚合物或鋼板，與鋁相比，它能更長時間地抵抗內(nèi)部火災(zāi)，并提供碰撞保護(hù)。但是，總部位于日本的這家供應(yīng)商目光不僅僅局限于電池組蓋。

“我們的研發(fā)小組已經(jīng)為電池盒開發(fā)了五種不同配方的SMC?！?Foran說。一種是“簡單的乙烯基酯和玻璃纖維”，另一種SMC具有阻燃劑ATH（三水鋁）。帝人也有膨脹型SMC——其表面為底層基材提供熱和物理屏障的材料。產(chǎn)生火焰或熱量時，膨脹型材料基本上會形成一個 “結(jié)痂”來保護(hù)自己。帝人公司還一直在用酚醛樹脂成型一些電池盒原型部件，這些部件可耐高溫至1100攝氏度，并將提供給客戶進(jìn)行測試。

根據(jù)Foran的說法，電動車制造商努力解決的另一個鮮為人知的問題是電池組的泄漏。他說，無論何種結(jié)構(gòu)材料都會出現(xiàn)這種情況。為了解決這個問題，帝人公司開發(fā)了一種沒有通孔的托盤設(shè)計，因為通孔需要填塞和密封。取而代之的是，安裝孔是有孔的。復(fù)合材料/塑料包裝結(jié)構(gòu)還具有模壓而非焊接的安裝點。“一家主機(jī)廠要求將應(yīng)力傳感器共模壓在材料中，方便他們在車輛層面上了解所發(fā)生的影響。”Foran解釋。

2028年的電動車電池外殼會與2023年的電池外殼有很大的不同嗎？麥格納Klement指出：“對于一些客戶，我們看到在未來幾年內(nèi)開始向結(jié)構(gòu)性電池和電池到底盤的轉(zhuǎn)變。其他客戶正處于概念階段。這種設(shè)計離我們越來越近，但我不確定，其他公司是否都會朝這個方向發(fā)展?！?/p>

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