SGL Carbon高性能复合材料电池包壳体开发与验证

2020-2-14 10:42 535 0
简介
【汽车轻量化在线】为满足更加严苛的排放法规,汽车制造商正致力于开发可规模化生产的动力驱动系统。纯电动、混合动力、插电式混合动力、燃料电池等汽车类型将在未来的汽车市场中发挥越来越重要的作用。但是,目前电 ...
汽车轻量化在线】为满足更加严苛的排放法规,汽车制造商正致力于开发可规模化生产的动力驱动系统。纯电动、混合动力、插电式混合动力、燃料电池等汽车类型将在未来的汽车市场中发挥越来越重要的作用。但是,目前电动车的续航还尚未达到汽油或柴油车的标准。电动车增加续航的方法一般有两种:一种是安装大容量储能系统,但这会增加车辆重量;另一种是选用高能量密度的储能材料,但是目前电池的能量密度还达不到应用需求。
 
此外,提高车辆整体效率是减少燃料消耗的有效方式。除了上述动力总成中的优化措施外,还需要通过减重来降低行驶阻力,从而实现节能减排。因此,轻量化不仅是燃油车的需求,对电动车来说也非常重要。一般而言,重量减轻100公斤,可减少约10克/公里的二氧化碳排放量,最多可减少0.45升/100公里的油耗。对于电动车,电池包壳体的轻量化不仅可以使汽车高效运行,还将提供更大的续航。但是电池包壳体的设计在轻量化的同时,还需要尽可能地可靠和安全。这就需要考虑其防火安全性、刚性、热管理、电磁兼容性和抗腐蚀性能等诸多因素。
 
复合材料电池包壳体的模块化设计
 
当前,电动汽车的电池包壳体主要由铝和钢制成。相比之下,SGLCarbon开发的如图1所示的复合材料电池盒可实现40%的减重,其相关机械性能对比如图2。


 
电池包壳体的底板和上盖的设计对于壳体的性能具有较大的影响。复合材料电池包壳体一般采用三明治结构设计:采用PETEPDM泡沫铝等类似的芯层材料,与多层碳纤维或玻璃纤维织物复合材料结合,采用快速固化的树脂材料经模压成型。其中,织物的形式可以是轴向织物、机织物、或者无纺布等,具体如图5。从纤维到预浸料,再到成品的工艺流程如图3所示。
同时,材料可以灵活地相互组合以匹配相应的应用需求。特别是沿纤维拉伸方向定位的纺织层具有较好的定性,可较为容易地应用于部件的设计。因此,通过纤维或织物的铺层方向设计可实现不同要求的受力,从而有效地进行材料利用。

电动汽车电池包壳体的性能要求
 
(1)机械性能
 
电池包壳体的刚度特别重要,在多数电动汽车中,电池包壳体是车辆结构的重要组成部分,其性能对白车身的整体刚度起着重要作用。这需要电池包壳体满足正碰和侧碰的安全要求,如图4。电池包壳体的刚性在很大程度上取决于所使用的三明治结构,一般采用泡沫铝材料作为夹心层材料。此外,纤维增强部件的高比刚度、低重量和良好的阻尼特性也对车辆的噪声、振动、NVH性能具有积极影响。

 
(2)热管理和阻燃性
 
复合材料电池包壳体的另一个优势是碳纤维增强复合材料的导热系数比铝合金低200倍,且其具有更好的绝缘性,因此复合材料电池包壳体比传统金属壳体能更好的抵御高低温的性能。目前普遍使用的锂离子电池的理想工作温度在10至40°C之间,一般需要增加冷/热管理系统。而复合材料壳体具有更好的隔热效果,在热条件时所需的能量更少,进一步提高了车辆的效率,降低了总功耗。
 
除了对热管理的积极影响外,低导热系数也是有效阻燃的极佳先决条件。通过添加阻燃剂,复合材料壳体可轻松满足UL94-V-0、UL94-5VB等阻燃要求。研究人员对样本面板材料进行了比较测试:将样件暴露在距离800℃火焰只有几厘米的地方,测量另一侧温度。由于铝合金在660℃左右的温度下就达到熔点,因此,选择了钢板、标准热固性树脂复合材料和上述添加阻燃剂的三明治复合材料样本进行了测试,结果如图6。另一侧的温度分别为:
 
钢:30秒后约为750°C
 
标准的热固性树脂环氧复合材料:60s后约550°C
添加阻燃剂的三明治结构材料:180s后约350°C。
 
上述结果表明,三明治结构复合材料电池包壳体具有优异的阻燃特性。同时,该材料还具有自熄性,可防止火灾的发生。并且由于热导率低,在发生火灾时,复合材料壳体仅能将电池燃烧产生的高热量有限地传递到相邻部件和乘员舱,这将为乘务人员的逃生赢得宝贵时间。
 
(3)其他性能
 
此外,SGLCarbon开发的三明治电池包壳体还可以更好地满足防腐蚀性要求,可提供更好的密封性。通过纤维铺层和纤维体积含量的设计,可实现关键区域的电磁屏蔽。同时,复合材料的应用提供了更多集成化设计的空间,相关增强组件、附加元件、连接组件、传感器等都可实现集成化设计。
 
小结
 
合适的材料用在合适的地方,SGLCarbon通过使用高性能碳纤维复合材料设计开发的三明治电池包壳体减轻了产品质量、提高了系统效率,同时还有助于提升整车的动态驾驶性能,提升续航里程。目前,SGLCarbon已与蔚来汽车合作,为高性能电动汽车开发碳纤维增强塑料电池外壳的原型。未来,SGLCarbon还将与更多的合作伙伴开发不同尺寸、适用于不同电动汽车的复合材料电池包。

鲜花

握手

雷人

路过

鸡蛋

相关阅读

此篇文章已有0人参与评论

请发表评论

精彩阅读

广告位

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线