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電動汽車(EV)結(jié)構(gòu)的輕量化是幫助延長續(xù)航里程的一個關(guān)鍵因素，這是加速電動車普及的必要條件。一個具體的減重對象是用來放置電池的電池盒。
迄今為止，既要支撐電池重量又要保護電池的要求往往使這些外殼本身變得沉重。不過，現(xiàn)在，一些研究計劃正在尋求通過使用新的輕質(zhì)材料應(yīng)用來緩解這種情況。
在德國達姆施塔特的Fraunhofer結(jié)構(gòu)耐久性和系統(tǒng)可靠性研究機構(gòu)，一個新完成的項目開發(fā)了一種輕質(zhì)電池外殼，該外殼由連續(xù)纖維增強熱塑性塑料 (CFRTP) 采用創(chuàng)新的泡沫注塑成型工藝制成。該結(jié)構(gòu)使用了兩層CFRTP，中間有一層泡沫層，據(jù)稱與鋁制結(jié)構(gòu)相比，重量可減少40%。
三明治結(jié)構(gòu)
該項目的負責人 Felix Weidmann 博士證實了這些細節(jié)。“這種結(jié)構(gòu)基于三明治結(jié)構(gòu)，旨在在低重量的情況下實現(xiàn)非常高的力學性能。這是在組件中遵循輕量級設(shè)計方法的經(jīng)典方法，可以在許多應(yīng)用中找到，”他說。“到目前為止，這一直非常昂貴，但我們的新材料和工藝方法在成本敏感的應(yīng)用中更具競爭力。”
在制造過程中，外層首先由交叉單向(UD)膠帶鋪設(shè)程序形成。必要的固結(jié)過程是使用雙帶壓機完成的，Weidmann 博士將其描述為“制造熱塑性復合材料層合板最具成本效益的方法”。然后在激光切割和局部熱成形過程中進行“3D預成型”，只對需要彎曲的結(jié)構(gòu)部分進行加熱和冷卻循環(huán)，以達到所需的形狀。Weidmann博士解釋說：“切口和它們特定的輪廓可以折疊成3D預制件，類似于包裝箱/紙箱。”
此外，Weidmann 博士說，這種“熱彎曲”技術(shù)避免了材料結(jié)晶特性的更廣泛的改變，否則可能會在實際的電池外殼制造過程中造成問題。“我們在需要彎曲輪廓以實現(xiàn) 3D 預制件的地方引入了局部熱循環(huán)，”他指出。
在注射成型過程中，外層與泡沫層相結(jié)合以產(chǎn)生承載能力。“這基本上是聚合物界面的熔融鍵合過程，” Weidmann 博士說。“在加工過程中，模具和材料的溫度以一種能夠使泡沫芯材和復合材料面板之間牢固粘合的方式確定，” 他說，所需的注入壓力非常低，泡沫芯的注射大約需要5秒鐘。目前，將工件從模具中取出所需的冷卻時間接近120秒，但 Weidmann 博士相信可以實現(xiàn)更短的時間。
雖然三明治式的材料配方已經(jīng)是一種很好的實現(xiàn)輕量化和高強度結(jié)合的方法，但Weidmann博士表示這個項目仍然擁有許多創(chuàng)新功能。“在熱塑性復合材料混合注射成型技術(shù)領(lǐng)域，這種原位CFRTP夾層成型工藝是一種非常新的工藝，”他說，“但我們是世界上唯一一家將其推向如此龐大且技術(shù)要求極高的3D結(jié)構(gòu)（比如電池外殼）的公司。”
Fraunhofer 過程：
一個必須解決的特殊問題涉及三明治結(jié)構(gòu)的收縮和翹曲預測，以及泡沫芯和復合材料面板之間的關(guān)鍵粘合發(fā)展。正如Weidmann博士指出的那樣，“目前還沒有商業(yè)上可用的模擬解決方案。”然而，該項目使用Weidmann博士自己開發(fā)的新方法，成功地驗證了收縮和翹曲的適當模擬，以及后一種情況下的粘合行為。
因此，Weidmann博士相信最終的材料和工藝組合提供了一種吸引力的混合功能。“由于結(jié)構(gòu)原因，它不需要任何金屬，”他說。“這是一種完全由聚合物和復合材料制成的電池結(jié)構(gòu)，可以容納任何形狀的電池。”他補充說，除了重量輕、成本低和不導電外，該技術(shù)的發(fā)展促進了設(shè)計的自由，包括幾何形狀和材料的選擇，以支持“幾乎任何應(yīng)用要求，包括非常強的阻燃性”。
該項目涉及分別由菲亞特(Fiat)和依維柯(Iveco)參與的插電式電動汽車和全電動巴士的電池外殼開發(fā)，但Weidmann博士表示，已經(jīng)有來自更廣泛行業(yè)的令人鼓舞的反饋。此外，他說，這項技術(shù)并不局限于電池結(jié)構(gòu)，還適用于任何要求成本效益輕量化設(shè)計的組件。
聯(lián)盟開發(fā)的解決方案
在德國的其他地方，一個企業(yè)聯(lián)盟在過去幾年的工作中開發(fā)了一種電池外殼，該外殼使用安裝在鋁基板上的玻璃纖維增強 SMC（片狀模塑料），據(jù)稱有助于減輕約 10% 的重量與常用的現(xiàn)有材料組合相比，不會影響機械性能。涉及的企業(yè)包括：玻璃纖維產(chǎn)品制造商 Lorenz Kunststofftechnik；材料化學專家贏創(chuàng)；材料和生產(chǎn)工藝開發(fā)商 Forward Engineering；電池供應(yīng)商 LION Smart；復合材料專家 Vestaro 和電池外殼供應(yīng)商 Minth。
Lorenz Kunststofftechnik 首席運營官 Peter Ooms 表示，該項目使用贏創(chuàng)的環(huán)氧固化劑來開發(fā)密度在 1.5-1.7gm/cm 之間的新型 SMC。“它具有出色的性能，例如大于 350 MPa 的彎曲強度、大于 18,500 MPa 的彎曲彈性模量和大于 150kJ/m2 的抗沖擊性，”他報告說。“此外，通過使用環(huán)氧樹脂代替通常的聚酯樹脂，可以消除通常在使用玻璃纖維增強 SMC 材料時出現(xiàn)的其他問題。”
Ooms 表示，熱性能也令人印象深刻。“該材料可在 800°C 下承受 10 分鐘而不會燒穿，其絕緣性能可保護周圍的組件和材料免受超過 300°C 的溫度影響。此外，通過使用環(huán)氧樹脂代替通常的聚酯樹脂，可以消除在使用玻璃纖維增強 SMC 材料時通常會出現(xiàn)的其他問題。”
但是Ooms也指出了新發(fā)展中的三個特別的創(chuàng)新。他說：“首先，原料在20°C的常溫條件下可以保存數(shù)月。”“第二是在材料中加入脫模劑，這樣材料就不會粘在模具上。第三，任何使用傳統(tǒng)或高科技SMC的客戶都可以在不改變工藝的情況下使用這種材料。”
據(jù) Ooms 稱，進一步的工作是針對完全復合結(jié)構(gòu)的開發(fā)，但他確認新產(chǎn)品已經(jīng)引起了汽車行業(yè)的興趣。“已經(jīng)有幾家汽車制造商做出了承諾，”他表示。
一些公司聯(lián)合開發(fā)了一種電池外殼，使用玻璃纖維增強SMC安裝在鋁基板上，據(jù)稱比常用的材料組合可減輕10%的重量。
輕質(zhì)層壓板
與此同時，在英國，位于Pershore的Stalcom汽車技術(shù)公司推出了一種新的輕質(zhì)層壓電動車電池基板技術(shù)，暫時稱為輕質(zhì)層壓板，該技術(shù)將鋁與聚丙烯復合材料結(jié)合在一起，創(chuàng)造出一種所謂的“利用兩種材料的最佳性能的非均質(zhì)混合材料”。該產(chǎn)品使用了德國Huesker合成公司生產(chǎn)的CFRTP材料層，并使用了英國公司Powdertech Surface Science的無膠粘劑粉末粘結(jié)工藝，據(jù)稱該工藝提供的粘結(jié)強度是膠粘劑同類產(chǎn)品的三倍。
據(jù)Stalcom董事總經(jīng)理Bob Mustard 表示，該產(chǎn)品的一個關(guān)鍵元素是使用這種連接技術(shù)，該技術(shù)是由Powdertech專門開發(fā)的，用于解決與將熱塑性材料粘合到金屬上的相關(guān)問題。他說：“這是將金屬與聚丙烯連接起來的一個突破性工藝，簡單、快速且干凈。”
Mustard 說，如果需要，制造過程開始于復合材料和鋁層的預切割和成型，這些復合材料和鋁層已經(jīng)應(yīng)用了粘合涂層，并將機械固定件插入到鋁中。然然后將鋁板在短周期壓縮成型過程中熱熔到聚丙烯復合材料上，制成的組件可以直接從模具中使用。他補充道，加工技術(shù)和周期時間可以變化，以適應(yīng)低、中或高產(chǎn)量，而只需稍作工藝更改即可。他表示：“一旦冷卻并從工具中取出，所得到的組件在使用前只需很少或不需要后處理。”
由于復合材料和鋁的熱膨脹系數(shù)不同，Mustard的設(shè)計、工具和加工需要適應(yīng)這一點，以避免后續(xù)問題。然而，他強調(diào)，基本的制造過程是完全簡單的。“這些材料是在傳統(tǒng)的壓縮成型工藝中組裝和成型的，”他確認道。
“出于安全相關(guān)的原因，頂部和底層通常是絕緣復合材料，中間鋁層為 EMC 屏蔽和接地安全提供接地層，”Mustard說。“迄今為止，已經(jīng)構(gòu)建并測試了三層和五層設(shè)計，其中五層設(shè)計具有兩個獨立的導電層，提供類似于多層 PCB 的互連可能性。”
Mustard 可以列舉出與單片復合材料或均質(zhì)金屬相比，該材料在 EV 電池外殼和基板方面的一系列性能優(yōu)勢。這些包括：層間故障安全內(nèi)部連接；非常高的抗穿刺性；與全鋁基板相比，隔熱性能得到改善，內(nèi)部峰值溫度降低了60°C；并易于拆卸最終層壓板，以方便材料的再利用和回收。
事實上，英國小型汽車制造商瓦特電動汽車公司(Watt Electric Vehicle Company)已經(jīng)指定了這種材料技術(shù)，用于其即將推出的Coupe跑車的平臺，客戶計劃在明年第一季度交貨。Mustard表示：“它構(gòu)成了電池的底板，并以 ‘cell to chassis’ 的設(shè)計完全集成到底盤中，”Mustard 說。“這將是首批展示底盤即電池盒概念的車輛之一。”
迄今為止，既要支撐電池重量又要保護電池的要求往往使這些外殼本身變得沉重。不過，現(xiàn)在，一些研究計劃正在尋求通過使用新的輕質(zhì)材料應(yīng)用來緩解這種情況。
在德國達姆施塔特的Fraunhofer結(jié)構(gòu)耐久性和系統(tǒng)可靠性研究機構(gòu)，一個新完成的項目開發(fā)了一種輕質(zhì)電池外殼，該外殼由連續(xù)纖維增強熱塑性塑料 (CFRTP) 采用創(chuàng)新的泡沫注塑成型工藝制成。該結(jié)構(gòu)使用了兩層CFRTP，中間有一層泡沫層，據(jù)稱與鋁制結(jié)構(gòu)相比，重量可減少40%。
三明治結(jié)構(gòu)
該項目的負責人 Felix Weidmann 博士證實了這些細節(jié)。“這種結(jié)構(gòu)基于三明治結(jié)構(gòu)，旨在在低重量的情況下實現(xiàn)非常高的力學性能。這是在組件中遵循輕量級設(shè)計方法的經(jīng)典方法，可以在許多應(yīng)用中找到，”他說。“到目前為止，這一直非常昂貴，但我們的新材料和工藝方法在成本敏感的應(yīng)用中更具競爭力。”
在制造過程中，外層首先由交叉單向(UD)膠帶鋪設(shè)程序形成。必要的固結(jié)過程是使用雙帶壓機完成的，Weidmann 博士將其描述為“制造熱塑性復合材料層合板最具成本效益的方法”。然后在激光切割和局部熱成形過程中進行“3D預成型”，只對需要彎曲的結(jié)構(gòu)部分進行加熱和冷卻循環(huán)，以達到所需的形狀。Weidmann博士解釋說：“切口和它們特定的輪廓可以折疊成3D預制件，類似于包裝箱/紙箱。”
此外，Weidmann 博士說，這種“熱彎曲”技術(shù)避免了材料結(jié)晶特性的更廣泛的改變，否則可能會在實際的電池外殼制造過程中造成問題。“我們在需要彎曲輪廓以實現(xiàn) 3D 預制件的地方引入了局部熱循環(huán)，”他指出。
在注射成型過程中，外層與泡沫層相結(jié)合以產(chǎn)生承載能力。“這基本上是聚合物界面的熔融鍵合過程，” Weidmann 博士說。“在加工過程中，模具和材料的溫度以一種能夠使泡沫芯材和復合材料面板之間牢固粘合的方式確定，” 他說，所需的注入壓力非常低，泡沫芯的注射大約需要5秒鐘。目前，將工件從模具中取出所需的冷卻時間接近120秒，但 Weidmann 博士相信可以實現(xiàn)更短的時間。
雖然三明治式的材料配方已經(jīng)是一種很好的實現(xiàn)輕量化和高強度結(jié)合的方法，但Weidmann博士表示這個項目仍然擁有許多創(chuàng)新功能。“在熱塑性復合材料混合注射成型技術(shù)領(lǐng)域，這種原位CFRTP夾層成型工藝是一種非常新的工藝，”他說，“但我們是世界上唯一一家將其推向如此龐大且技術(shù)要求極高的3D結(jié)構(gòu)（比如電池外殼）的公司。”
Fraunhofer 過程：
一個必須解決的特殊問題涉及三明治結(jié)構(gòu)的收縮和翹曲預測，以及泡沫芯和復合材料面板之間的關(guān)鍵粘合發(fā)展。正如Weidmann博士指出的那樣，“目前還沒有商業(yè)上可用的模擬解決方案。”然而，該項目使用Weidmann博士自己開發(fā)的新方法，成功地驗證了收縮和翹曲的適當模擬，以及后一種情況下的粘合行為。
因此，Weidmann博士相信最終的材料和工藝組合提供了一種吸引力的混合功能。“由于結(jié)構(gòu)原因，它不需要任何金屬，”他說。“這是一種完全由聚合物和復合材料制成的電池結(jié)構(gòu)，可以容納任何形狀的電池。”他補充說，除了重量輕、成本低和不導電外，該技術(shù)的發(fā)展促進了設(shè)計的自由，包括幾何形狀和材料的選擇，以支持“幾乎任何應(yīng)用要求，包括非常強的阻燃性”。
該項目涉及分別由菲亞特(Fiat)和依維柯(Iveco)參與的插電式電動汽車和全電動巴士的電池外殼開發(fā)，但Weidmann博士表示，已經(jīng)有來自更廣泛行業(yè)的令人鼓舞的反饋。此外，他說，這項技術(shù)并不局限于電池結(jié)構(gòu)，還適用于任何要求成本效益輕量化設(shè)計的組件。
聯(lián)盟開發(fā)的解決方案
在德國的其他地方，一個企業(yè)聯(lián)盟在過去幾年的工作中開發(fā)了一種電池外殼，該外殼使用安裝在鋁基板上的玻璃纖維增強 SMC（片狀模塑料），據(jù)稱有助于減輕約 10% 的重量與常用的現(xiàn)有材料組合相比，不會影響機械性能。涉及的企業(yè)包括：玻璃纖維產(chǎn)品制造商 Lorenz Kunststofftechnik；材料化學專家贏創(chuàng)；材料和生產(chǎn)工藝開發(fā)商 Forward Engineering；電池供應(yīng)商 LION Smart；復合材料專家 Vestaro 和電池外殼供應(yīng)商 Minth。
Lorenz Kunststofftechnik 首席運營官 Peter Ooms 表示，該項目使用贏創(chuàng)的環(huán)氧固化劑來開發(fā)密度在 1.5-1.7gm/cm 之間的新型 SMC。“它具有出色的性能，例如大于 350 MPa 的彎曲強度、大于 18,500 MPa 的彎曲彈性模量和大于 150kJ/m2 的抗沖擊性，”他報告說。“此外，通過使用環(huán)氧樹脂代替通常的聚酯樹脂，可以消除通常在使用玻璃纖維增強 SMC 材料時出現(xiàn)的其他問題。”
Ooms 表示，熱性能也令人印象深刻。“該材料可在 800°C 下承受 10 分鐘而不會燒穿，其絕緣性能可保護周圍的組件和材料免受超過 300°C 的溫度影響。此外，通過使用環(huán)氧樹脂代替通常的聚酯樹脂，可以消除在使用玻璃纖維增強 SMC 材料時通常會出現(xiàn)的其他問題。”
但是Ooms也指出了新發(fā)展中的三個特別的創(chuàng)新。他說：“首先，原料在20°C的常溫條件下可以保存數(shù)月。”“第二是在材料中加入脫模劑，這樣材料就不會粘在模具上。第三，任何使用傳統(tǒng)或高科技SMC的客戶都可以在不改變工藝的情況下使用這種材料。”
據(jù) Ooms 稱，進一步的工作是針對完全復合結(jié)構(gòu)的開發(fā)，但他確認新產(chǎn)品已經(jīng)引起了汽車行業(yè)的興趣。“已經(jīng)有幾家汽車制造商做出了承諾，”他表示。
一些公司聯(lián)合開發(fā)了一種電池外殼，使用玻璃纖維增強SMC安裝在鋁基板上，據(jù)稱比常用的材料組合可減輕10%的重量。
輕質(zhì)層壓板
與此同時，在英國，位于Pershore的Stalcom汽車技術(shù)公司推出了一種新的輕質(zhì)層壓電動車電池基板技術(shù)，暫時稱為輕質(zhì)層壓板，該技術(shù)將鋁與聚丙烯復合材料結(jié)合在一起，創(chuàng)造出一種所謂的“利用兩種材料的最佳性能的非均質(zhì)混合材料”。該產(chǎn)品使用了德國Huesker合成公司生產(chǎn)的CFRTP材料層，并使用了英國公司Powdertech Surface Science的無膠粘劑粉末粘結(jié)工藝，據(jù)稱該工藝提供的粘結(jié)強度是膠粘劑同類產(chǎn)品的三倍。
據(jù)Stalcom董事總經(jīng)理Bob Mustard 表示，該產(chǎn)品的一個關(guān)鍵元素是使用這種連接技術(shù)，該技術(shù)是由Powdertech專門開發(fā)的，用于解決與將熱塑性材料粘合到金屬上的相關(guān)問題。他說：“這是將金屬與聚丙烯連接起來的一個突破性工藝，簡單、快速且干凈。”
Mustard 說，如果需要，制造過程開始于復合材料和鋁層的預切割和成型，這些復合材料和鋁層已經(jīng)應(yīng)用了粘合涂層，并將機械固定件插入到鋁中。然然后將鋁板在短周期壓縮成型過程中熱熔到聚丙烯復合材料上，制成的組件可以直接從模具中使用。他補充道，加工技術(shù)和周期時間可以變化，以適應(yīng)低、中或高產(chǎn)量，而只需稍作工藝更改即可。他表示：“一旦冷卻并從工具中取出，所得到的組件在使用前只需很少或不需要后處理。”
由于復合材料和鋁的熱膨脹系數(shù)不同，Mustard的設(shè)計、工具和加工需要適應(yīng)這一點，以避免后續(xù)問題。然而，他強調(diào)，基本的制造過程是完全簡單的。“這些材料是在傳統(tǒng)的壓縮成型工藝中組裝和成型的，”他確認道。
“出于安全相關(guān)的原因，頂部和底層通常是絕緣復合材料，中間鋁層為 EMC 屏蔽和接地安全提供接地層，”Mustard說。“迄今為止，已經(jīng)構(gòu)建并測試了三層和五層設(shè)計，其中五層設(shè)計具有兩個獨立的導電層，提供類似于多層 PCB 的互連可能性。”
Mustard 可以列舉出與單片復合材料或均質(zhì)金屬相比，該材料在 EV 電池外殼和基板方面的一系列性能優(yōu)勢。這些包括：層間故障安全內(nèi)部連接；非常高的抗穿刺性；與全鋁基板相比，隔熱性能得到改善，內(nèi)部峰值溫度降低了60°C；并易于拆卸最終層壓板，以方便材料的再利用和回收。
事實上，英國小型汽車制造商瓦特電動汽車公司(Watt Electric Vehicle Company)已經(jīng)指定了這種材料技術(shù)，用于其即將推出的Coupe跑車的平臺，客戶計劃在明年第一季度交貨。Mustard表示：“它構(gòu)成了電池的底板，并以 ‘cell to chassis’ 的設(shè)計完全集成到底盤中，”Mustard 說。“這將是首批展示底盤即電池盒概念的車輛之一。”
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