不同材料电池外壳的优势及典型应用案例
不同材料电池外壳的优势及典型应用案例
随着新能源汽车的快速发展，电池包壳体材料的选择和优化成为行业关注的焦点。不同材料的电池外壳在轻量化、成本、安全性等方面各有优势，本文将为您详细介绍各种材料的特点及典型应用案例，并展望未来发展趋势。
电池包箱体材料轻量化
电池包箱体材料应具备电绝缘性、高散热性和化学稳定性等特点，箱体一般由上、下箱体和密封系统组成。电池包质量占整车系统质量的18%～30%，而箱体质量约占电池包总质量的10%～20%。目前普遍使用金属作为电池包箱体材料，复合材料由于其优异的比刚强度也逐渐受到重视。
电池包箱体金属材料
在电池包箱体所用的金属材料中，钢板材料的制造工艺简单、成本低，具有较好的导热性、抗冲击性和热管理能力，为箱体的常用材料，但其主要缺点是质量较大。随着汽车轻量化设计理念的深入，铝合金因密度小、刚强度大和压铸性能好等优点，逐渐成为实现汽车轻量化的主要材料，目前已经生产出铸铝电池箱、铝板材电池箱和铝型材电池箱等产品。其中，铝制电池包箱体的承载结构主要分为底板式和框架式。大众公司研究发现，框架承载式结构的箱体能满足不同结构的强度要求，更易实现轻量化。此外，金属和塑料的结合也是实现电池包箱体轻量化的主要方式，如比亚迪-秦（Pro EV500）电池包的上、下壳体分别采用片状模塑料复合材料（Sheet Molding Com⁃pound，SMC）和高强铝。考虑到成本、加工等因素，国内入门级和经济型电动汽车的电池包外壳多采用钢制箱体，部分新能源汽车电池包采用金属箱体材料。
电池包箱体复合材料
电池包箱体使用的复合材料以碳纤维复合材料、玻璃纤维增强复合材料和SMC复合材料等轻量化材料为主，不同材料制成的电池包箱体结构如图所示，国内外学者对复合材料箱体也有针对性的研究。德国ICT化工技术研究所研制出了一种以聚氨酯为基体的热固性塑料电池包箱体，该箱体质量35 kg，可承载340 kg的电池组，比同等规格钢材质量减轻35%以上。邵明顶等利用连续玻璃纤维编织布作为基材，环氧乙烯基树脂作为基体的玻璃纤维增强复合材料通过预浸料模压成型工艺制作电池箱体，也实现了轻量化效果。
典型电池包壳体案例
蒂森克虏伯钢铁公司selectrify®电池外壳
蒂森克虏伯钢铁公司欧洲的研发团队一直在努力为电动交通的未来问题寻找解决方案。未来，蒂森克虏伯钢铁欧洲将以selectrify®计划的名义，整合其高水平的电动交通材料和应用专业知识，包括轻量化汽车结构解决方案、高度稳定和安全的电池外壳以及由电工钢制成的高效驱动电机及充电桩等。帕特里克·特劳卡（Patrick Tlauka）是蒂森克虏伯钢铁公司selectrify®计划的项目经理，他认为超高强度钢材在电动汽车上的使用具有巨大潜力。作为selectrify®计划的一部分，蒂森克虏伯钢铁公司开发了一种由高强钢制成的电池外壳。除了轻量化和碰撞安全，该电池外壳在防火、电磁兼容性和成本效益方面具有显著优势，可以为电动汽车最敏感和最昂贵的组件——电池提供极佳的安全防护。碰撞安全：Patrick Tlauka说"采用钢材料进行不同设计，我们能够满足广泛的性能要求。能够提供吸收非常高反作用力且几乎不变形的结构概念，也还可以提供具有可吸收冲击能量的缓冲区的软结构概念”。
selectrify®电池外壳采用蒂森克虏伯最新开发的钢材设计。蒂森克虏伯的高品质钢铁电池外壳几乎和铝制电池外壳重量一样轻。
在减轻车辆重量之余，采用高强度钢制造的多腔室结构的selectrify®电池外壳在侧面碰撞中能够承受非常高的载荷，即使汽车的底盘与异物碰撞，电池外壳也难以变形。
防火：
坚固耐用的电池外壳绝不仅仅是用于保护电池本身。电池单元的损坏会引起火灾，也可能对乘员造成危险。当今的锂离子电池功能强大，但也经常出现热失控着火现象。铝制电池外壳不能很好地抵抗火焰和高温。在防火测试中，材料仅在30秒后就会坍塌。但是，在紧急情况下，每一秒都是至关重要的。很好的是，即使在电池着火的情况下，钢制电池外壳也能保持远低于其熔点的水平，并能安全地保护乘员。selectrify®电池外壳由高强度钢制成，可确保对电池模块进行全面保护，以防碰撞影响。此保护功能可防止电池起火。在紧急情况下，selectrify®电池外壳提供了几分钟营救时间-这对驾驶员和乘客来说至关重要。
降低生产成本：
另一个优点是成本低。为了进行分析，假设在七年内每年生产20万辆汽车。计算中包括了材料和生产成本以及零件制造、白车身生产、泄漏测试和腐蚀防护成本的数据。结果显示：selectrify®钢制的电池外壳比铝制的外壳节省了50％的成本。"仅在材料方面，我们就具有很高的成本优势"，帕特里克·特劳卡（Patrick Tlauka）将铝制成的电池外壳与selectrify®电池外壳进行了比较："对于相同的重量，铝的成本是钢的三倍"。展望：高强度钢是稳定的，可以生产出非常薄的壁。这对于电动汽车是决定性的优势，因为如果电池外壳占用的空间较小，则可以给电池提供更大空间。"对于电动汽车而言，更大的电池意味着更大的续航里程”，Tlauka解释道。"电池外壳的薄壁，轻巧和紧凑的设计能够满足许多最终用户的里程焦虑"。
selectrify®电池外壳可显着提高电动汽车的防火安全性，生产成本可降低多达50％，并且产生的二氧化碳排放量仅为铝制电池外壳的一半左右。采取这一具有前瞻性的技术为电动汽车制造商改善电动汽车的续航里程和安全性铺平了道路。
福特F-150 Lightning搭载麦格纳电池壳体
福特全电动F-150 Lightning皮卡将于春天上市亮相，车型搭载了麦格纳的电池壳体技术，这也是麦格纳在北美市场为福特公司制造的第一批电池壳体。
电池壳体的轻量化是一个重要课题。麦格纳的这款铝质壳体有助于极好地控制皮卡电池的附加重量，其铝挤压成型件和冲压成型件采用激光复合焊和冷金属过渡焊接（CMT）方式进行连接，以保证整体的强度。
麦格纳正通过车身和底盘的技术专长，引领整个行业的汽车结构设计，为全球客户提供全面的服务和工程解决方案。我们开发钢、铝和多种材料配置的电池壳体，包括轻量化复合材料的电池壳体，以满足每个客户的个性化需求。
德国马勒公司开发新型电池盒用于电动汽车
汽车的核心参数是达到足够的行驶里程。为此，德国马勒公司最新开发了一种集成了热量管理功能的电池盒。这个产品不是通过使用越来越大的电池，而是为提高电池的快速充电能力提供了解决方案。例如，牵引电池可以减少约40％的电量，并且可以快速充电。这样，马勒公司的产品不仅减少了电动汽车的二氧化碳排放量，而且减少了电池生产中全球范围内稀缺原材料的需求。
为了能够在快速充电过程中可重复实现必要的高冷却能力，作为马勒电池外壳概念的一部分，电芯被电介质流体直接包围。由纤维增强塑料制成的电池箱结构不仅重量轻，而且非常耐用。由于电池较小，该概念还为电动车辆带来了巨大的重量优势。马勒公司研发高级主管Otmar Scharrer博士解释说：“借助新的电池箱概念，马勒公司使电动汽车更经济，更环保，同时保持对客户的吸引力。电池箱不仅生产成本适中，而且减少了昂贵的高性能电池的使用，从而降低了电动汽车成本，使得可以将电动车推向更广阔的市场。”冷却电池和电力电子设备的需求产生了复杂的电路，极大地增加了对单个组件和热管理领域控制的要求。马勒公司从一开始就伴随着动力传动系统电气化和需求的增长，并不断扩展其在研发方面的专业知识。
Fraunhofer开发由连续纤维增强热塑性塑料组成牵引电池外壳
根据了解获悉，Fraunhofer结构耐久性和系统可靠性研究所与合作伙伴开发了一种具有蓄热能力的牵引电池。重点是一种新型的三明治电池外壳由连续纤维增强热塑性塑料（CFRTP），这有助于绝缘热存储在牵引电池预处理。在柴油汽车和一般内燃机（ICE）汽车即将被禁止的时代，电池电动汽车（BEV）正变得越来越令人感兴趣，特别是在城市环境中。提高电池容量可以延长行驶时间，但电动汽车的驱动范围会有所不同，特别是在较低的环境温度下。因此，在欧盟项目“优化能源管理和使用”（OPTEMUS）范围内，开发了大量提高效率的技术，并将其整体联系起来，特别是为了减少菲亚特500eEV的范围变化。这包括具有蓄热能力的牵引电池，该电池是弗劳恩霍夫结构耐久性和系统可靠性研究所与合作伙伴共同开发的。重点是一种新型的三明治电池外壳由连续纤维增强热塑性塑料（CFRTP），这有助于绝缘热存储在牵引电池预处理。
在Fraunhofer LBF开发的一种混合原位工艺可在成本敏感的大容量应用中生产复杂的、功能集成的CFRTP三明治元件。Fraunhofer LBF开发的蓄热材料可用于在乘车前在寒冷天气中对温度敏感的电池进行预处理，并使用隔热的CFRTP夹心外壳使其保持在最佳工作温度。因此，通常可以避免主动温度控制。相反，可以缓解电池在快速充电过程中可能出现的短期、不必要的热量增加。“我们开发的材料、结构和工艺技术为驾驶员提供了更可靠和一致的Bev范围”。此外，在Fraunhofer LBF负责研究项目的Felix Weidmann解释说：“此外，车辆开发人员和设计人员还可以从轻量级结构和功能集成的新工艺技术中获益”。机械和热的要求是由新型CFRTP电池外壳提供的。这是由一个三明治结构的基础上UD磁带面片（UDMAX，SABIC）覆盖一个完整的聚合物泡沫核心。泡沫芯子提供了隔热材料，而面板承担了大部分的负荷。为此，LBF的科学家将UD磁带整合成一种交叉复合材料，并将其预成三维（3D）复合面片。在这些三维面片之间，聚合物泡沫芯体采用一种新的混合原位制造工艺注塑成型。由此产生的三明治结构有几个优点：它提供了高的轻量化潜力，并实现了高比弯曲性能和抗冲击性能。此外，它还提供了针对入侵事件的高级别保护，入侵事件尤其是在电池组中发挥着重要的安全作用。
电池模组外壳由隔热聚合物泡沫（黑色）组成，表面覆盖连续纤维增强（CFRTP）面片，使用混合原位工艺仅需2分钟即可制造出电池组件外壳。为了满足汽车的要求，材料和结构的概念已经发展到大容量的应用。OPTEMUS电池外壳的制造是由Fraunhofer LBF开发的一种混合制造工艺实现的，这使得首次能够在短短2分钟内提供具有功能集成和隔热的CFRTP三明治组件。
朗盛工程塑料和INFAC共同开发新型EV电池模块外壳
电池外壳使用朗盛的Durethan BKV30FN04，以满足最新电动汽车组件的严格机械和化学性能要求。无卤、阻燃和玻璃纤维增强的PA6具有优异的阻燃和电气性能。该材料具有高度的可加工性，能够集成外壳组件所需的复杂功能，从而减少零件数量、简化组装过程并减轻重量。韩国整车厂推出的EV车型的量产采用了新的电池外壳部件。“电池外壳量产的成功证明了朗盛Durethan材料在电动汽车电池方面的卓越表现，其中技术和安全至关重要”。我们的高性能塑料将为电动汽车和电池市场做出重大贡献，”朗盛亚太区高性能材料 (HPM) 业务部门负责人Milan Vignjevic表示"。
英法克朗盛工程塑料公司与韩国汽车零部件供应商INFAC共同开发了用于电动汽车(EV)的电池模块外壳。该电池外壳已用于韩国OEM推出的EV车型的量产。具有优良机械和电气性能的阻燃塑料：对于电池模块外壳，减震和热管理至关重要，这些特性保护电池免受外部冲击。Durethan BKV30FN04不仅机械坚固，而且具有高压绝缘性，可耐受高达800 V的电压并有效阻断高压电流。具有很强的阻燃性能，可在发生火灾时防止或延迟火焰蔓延。玻璃纤维增强的Durethan BKV30FN04对机械负载的耐久性优于未填充的PA6。此外，它在与电解质或冷却介质接触时保持出色的强度和刚度，并具有耐化学性以抑制化学诱导的损坏。朗盛的工程塑料可应用于各种电池组件，包括电池盖、高压连接器、电缆支架和电池冷却系统管道以及氢燃料电池汽车的零件，如储氢罐。它还可以替代各种部件中的金属，实现轻量化设计。它允许在一个过程中生产多个功能组件，这是下一代移动市场需求持续增长的驱动因素，其中许多技术和组件开始发挥作用。“朗盛的优质材料、技术专长和定制工程服务使我们能够加快发展。这有助于巩固我们在快速发展的电动汽车电池零部件市场中的地位"，INFAC采购与开发主管Gyuso Lee说。韩国HPM负责人Sanghun Han表示：“朗盛与包括韩国在内的全球领先的汽车原始设备制造商密切合作。这就是为什么我们能够在早期阶段识别电动汽车的趋势和挑战，并参与各种电动汽车和电池开发项目。凭借与客户积累的成功案例，我们正在将自己打造成新型移动出行领域的关键材料合作伙伴"。
壳体轻量化用材未来发展趋势
高强钢、超高强钢、铝合金、复合材料的应用，是实现新能源汽车轻量化必要环节。由中国汽车工程学会牵头编撰的《节能与新能源汽车轻量化技术路线2.0》，提出了基于新能源汽车轻量化，未来15年内电池包壳体材料发展规划。
2020-2025年：下壳体以超高强钢、挤出铝型材为主，部分采用碳纤维复合材料，上壳体普遍采用复合材料；2025-2030年：下壳体以挤压铝合金和超高强钢为主，部分采用碳纤维复合材料，探索性应用泡沫铝合金，上壳体以复合材料为主；2030-2035年：下壳体以挤出铝型材为主，部分采用碳纤维复合材料和泡沫铝合金，上壳体以复合材料为主。
统计了近3年欧洲车身会议相应车型及国内部分电动车车型的电池包壳体方案，见下表。轻质材料凭借其密度小、比刚度大等优点，已经成为电池包壳体的首选方案，而轻质材料中，铝合金显然已成为电池包壳体的主流材料，在下壳体中铝合金使用比例超过80%，在上壳体中铝合金使用比例超过50%。
近3年欧洲车身会议及国内部分电池包壳体方案
尽管轻质材料具有极大优势，但高强钢具有高安全性、低成本、低加工难度、成熟生产线、生产端碳排放低等优势，依然有一定竞争力。因此，诸如浦项、安赛乐米塔尔、宝钢等钢企依旧在研发高强钢制轻量化电池包，并结合轻量化、成本和安全性等方面形成相应的解决方案。
未来，在铝合金的补贴退出后，铝合金的全部成本将会落到电池供应商和整车企业肩上，在成本压力作用下，低成本钢材的竞争力就会凸显出来。未来中端以下的新能源汽车，在铝合金补贴取消后，钢很有可能成为制造电池包的重要材料。但对于中高端车型而言，铝制电池包的成本并不算高，钢材短期内可能依旧难以撼动铝材的地位，但超高强度钢可能会占有一定的份额，甚至还有其他更轻、更具竞争力的材料。
电池包的轻量化研发和设计进程将会持续进行，但新材料、新工艺所带来的制造成本较高，并不利于大规模应用。新能源汽车动力电池包箱体设计需要综合考虑电池包的内部散热、防水防尘和安全性问题，所以兼顾动力电池包的轻量化和其他各项性能平衡的设计将会是一项重要的挑战。
总之，未来随着新能源汽车产销量的增加，更具规模效益的电池包壳体解决方案也会出现，无论是铝合金、钢板还是复合材料，都将被企业重新纳入考量，而轻量化、成本、安全性都是核心问题。投资机构、整车企业等将会综合考虑各方因素（市场、产品定位），理性分析，决定采用何种材料。未来基于差异化竞争，最终的结果可能依旧是不同类别材质在电池包壳体制造领域占据各自稳定的份额。
本文原文来自汽车之家