复合材料在电动车辆电池包中的应用及分析

刘朝晖(山东双一科技股份有限公司，山东 德州 253000)

0 引言

现在我国的汽车领域发展十分迅猛，尤其是电动汽车行业。由于能源压力问题日益严重，国家出台了相关的政策扶持新能源电动汽车的发展。复合材料作为一种优势明显的新型材料广泛应用于各种类型的汽车上。在当前的纯电动汽车领域，很多汽车制造厂商已经普遍着手于电池包的研发和应用，但是该行业还存在着诸如产品的规模化、产业化及系列化发展严重不足，复合材料成本高等问题，需要在日后的研究中来解决这些问题。

1 电动车辆的发展背景

二十一世纪以来，能源问题日益凸显，传统的化石能源在未来几十年内将面临枯竭的问题，新能源代替传统的能源发电成为一种新的发展趋势，电动车辆也将会成为时代主流。这些年来，我国政府相关部门为了推动我国电动车行业的快速发展，已经陆续推出了一系列的相关政策措施，同时还推出了示范性的运营活动。国内外不少的汽车厂商都通过各式各样的方式宣布进军电动汽车领域，在全世界投资领域都赫赫有名的哈撒韦等也都十分看好电动车辆的发展，并投资了国内外不少的电动车辆厂商。

在第14届国际汽车展览会上，多家汽车厂商推出了多种不同款式、不同类型的电动汽车，这些电动汽车的电池包壳体多是采用的高性能的复合材料，液体冷却系统是用了专门的导热介质可以达到很好的冷却效果，整个电池包所采用的模块化设计使得它的整体性能、布置都更上一层楼。并且轻量化不仅是电动车辆的发展方向，而且也是一种重要的节能手段，所以说它对于目前电动汽车的研究和发展而言有着极其重大意义。电动汽车轻量化的实现主要是通过选用强度高、质量轻的新材料和新颖的设计。然而电池包作为组成电动汽车的关键部件，它的轻量化同样是实现提高汽车续航里程的重要途径之一。

2 复合材料的发展及应用

顾名思义，复合材料是由至少两种物理、化学性质均不同的材料，以特定的比例、形式、分布组合而成的新材料，他既有各组分材料的优点，又可以摒弃各组分的缺点，通过各材料的互补和关联拥有全新的性能。因为复合材料普遍拥有质轻、高强、耐腐、易加工成型等优良特性，所以它已经逐渐的取代了金属和木材等传统材料的地位，在车辆、航空航天、建筑等众多领域都有广泛的应用。

而在汽车行业里，多用复合材料制造汽车车身、传动轴、受力构件及内部的一些重要构件，这是因为复合材料自身有特殊的振动阻尼性质，具有疲劳强度高、减轻振动、降低噪音、易加工修理等优良的特性[1]。就在2010年4月，宝马公司和西格里集团合作，共同投资了1亿美金用于修建先进的汽车碳纤维制造工厂，后来这家工厂推出了新型的碳纤维轻量化新能源汽车。电动汽车电池包的质量和性能要求主要是影响车辆的续航里程。目前国家电网主导了采用复合材料的电池包，而且其在电动车辆领域已经逐步占据了关键市场。

3 复合材料电池包在推广中所需要解决的问题

3.1 低成本化

复合材料与其他材料相比，它在性能这一方面更加优异，但同样的成本会相对而言要高一些。在汽车制造行业的竞争日益激烈的背景下，虽然复合材料凭借自身优势下占据了汽车部件的主要领域，但是由于其成本的原因，在推广应用方面还是有一定的困难。即使是严格把控应用中的综合成本(包括加工成型、装配等方面)，使其低于其他材料，也会因为材料的价格而难以被推广应用。因此，解决解决材料的成本问题，是在应用推广过程中必须要解决的。

3.1.1 关键部件采用性能优越复合材料

在电池包的组成构件中，电池模块支撑梁和电池包壳体等部件都是关键部件。这些零部件在电池包中主要是起到承受电池的重量，也要有足够的抗震性能，所以它们对力学性能和功能的要求要高于其他部件。所以说，在进行材料设计时，既要保障安全性和满足特定的使用要求，又要尽量的去降低原材料和工艺制造过程中的成本。因此，在进行设计时，要选择合适的材料增强结构强度，分析关键部件的有限元，形成一种最优的结构方式，来避免原材料的浪费，从而达到降低成本的目的。

3.1.2 部分部件采用价格低廉复合材料

这里所讲到的部分部件通常指的是电池包的盖子和固定结构件等部件。由于电池包一般来说是通过一些转接转置安装在电动车辆上的，电池包的盖子和车辆间是有间隙存在的，所以它的上部是不用承受载荷的。在选择这些部件的材料时，可以选择一些相对便宜的复合材料，以此来降低电池包成本。

3.2 多品种、系列化

在电池包中不同的不同部位、不同功用的零部件对材料在性能方面的要求都是不同的，有的部分需要达到较高的韧性，有的部分需要达到较高的刚性，而有的部分则需要又较高的阻燃、绝缘能力。因此，必须要研发出多品种、系列化的材料，来满足性能和使用方面的各种不同要求。

有的零部件主要起到承力的作用，工作中需要满足承受较大的载荷和较小变形量，所以对材料的刚度要求较高。因此在进行结构设计的过程中，要设计出刚性较大结构，可以采用高模量的材料。电池包的外壳、盖子，电池包的承重部件，与车辆之间的转接装置以及电池的固定装置等部件都是电池包的主要部件，这些零部件的形状、尺寸大体上都是不一样的。这些部件可以通过改进技术来形成相对较统一的结构件，这样就可以从数量上降低成本[2]。在这方面可以采取如下的两种措施：一是电池包的承重部件，这一部分可以采用梁式结构，利用梁结构来完成对接和装配主要承重部件，以此来达到基本统一梁结构和大大降低成本的目的；二是电池包中如电池包外壳、盖子等为主的承力较小的部件，这些部件可以以连接的方式转接于梁结构上面，这样该部件就能够以统一的板式结构的形式成型，同时还能够极大的降低成本。

3.3 材料性能

电池作为电池包中的电量储存单元，在贮存和使用的过程中必须拥有一定的安全系数。因此，从安全方面来说，电池在充电和放电中，电池包要保持绝对的绝缘，同时它还需要有良好的阻燃能力，这是为了避免汽车在行驶途中发生由电池故障而引发火灾的情况。所以说在在选择合适性能的复合材料时，要求要有优良的绝缘性能和良好的阻燃能力。同时也可以在材料的制备阶段，加入一定量的阻燃剂，这是因为加入的量过少，达不到所需的阻燃效果，加入的量过多，可能就会导致材料在复合时，增加其中的树脂熔体的粘度，进而不利于形成树脂基复合材料，最终造成该复合材料的力学性能下降。因此，在合理选择复合材料时需要综合力学性能、绝缘性能和阻燃能力等多方面的影响因素。

3.4 规模化及规范化

由于目前国内各大厂商所生产的电池包在在外形和尺寸等方面基本上都是不一样的，它的模块化暂时无法实现，因此推动电池包的规范化势在必行。现在国家电网公司已经主导生产出采用复合材料的电池包，它在电动车辆领域已经逐步占据了大量的市场份额，但是这种复合材料电池只被应用于小型车辆。虽然说国家电网在大型车辆领域也推出了电池包，但是该款电池包的箱体部分是由钢板焊接而成，整个电池包的重量比较重，并没有达到轻量化的要求。总的来说国家电网所主导的这款电池包，还是在一定程度上推动了电池包的规范化。现在市场上的小型电动车多是采用的底盘悬挂式电池包，小型的电动车辆对整个车体和电池包都有着很高的质量要求，所以说只有复合材料的电池包才能够满足高质量要求。

4 先进复合材料在电池箱盖中的应用

电池包的轻量化是电池包的一大发展趋势，而电池包上的壳体采用了合适的复合材料后可以取代金属材料，以此达到轻量化的目标。

4.1 先进复合材料的性能优势

随着复合材料在汽车领域的逐渐推广应用，以及新能源汽车对于减重效果的进一步提高，传统的SMC、RTM等工艺制作的电池箱体已经不能满足汽车厂的需要，需要再进一步降低电池箱体的重量；同时，国家对于电池包的测试标准也做了很大的修改，对于电池包的火烧滴落有了更高的要求。新标准中规定要求电池盖在火烧后不能有烧穿的现象。

因此，预浸料模压工艺制作的电池箱盖逐渐得到汽车厂家的青睐，预浸料具有优异的力学性能，普通的玻纤预浸料其拉伸强度>400MPa，拉伸模量>25GPa，弯曲强度>500MPa，弯曲模量>25GPa，完全能够满足电池箱体的进一步轻量化要求，例如：相同强度要求情况下，SMC电池盖需要做到3mm厚，而预浸料产品只需要1.2～1.5mm即可，重量能减少1/2。因预浸料内部纤维为连续纤维，因此在能够保证产品整体性能，在火烧试验中即使树脂完全烧蚀，剩余的纤维也能保持其形态，避免火烧试验中被烧穿。

4.2 先进复合材料在快速生产制造方面的提升

随着汽车厂对先进复合材料应用越来越多，为了满足汽车行业产能的需求，很多材料厂家已开发出能够快速固化成的材料，使得产品成型时间缩短到10分钟以内。国内如中航复材、江苏恒神、芜湖艾达索、威海光威等材料厂先后推出了满足电池箱体要求的玻纤预浸料。同时为了迎合汽车厂家的大批量产能，中端制作企业也在努力探索开发能够快速生产的制作工艺，如山东双一科技、苏州银禧等也先后开发了适合自己的生产工艺。

5 应用实例分析

中航复合材料和一汽集团合作，共同研发了一款轻量化的复合材料电池。这款新型的复合材料电池箱重量仅仅只有19公斤，而若是壳体材料用金属制作，那么电池包的重量将达到110公斤，在重量上减少了五倍多。这里有一个实际的例子：一辆装备齐全的新能源电动汽车质量有1550千克，车载的动力电池的质量是450千克，充一次电后可行驶的里程数为186千米。当换用轻量化的碳纤维复合材料电池包后，车的整体质量减轻539千克，质量减少了1/3左右，与此同时，一次充电的行驶里程增加了89.5千米，里程数提高了约一半。倘若是不改变续航里程，只改变电池包的质量，那么车载动力电池只需要250千克就可以达到行驶里程的要求，电池包的质量减少近一半，同样的成本也可以减少一半左右。所以说，电池包轻量化对于汽车行业是很有意义的。

6 结语

在现阶段的研究基础上，研发出低成本、高性能的复合材料，探寻高效的工业化生产技术，是目前发展的首要目标。该目标可分为两个基本点，一个是在汽车零部件领域，要加快研发出符合规范化、系列化要求的复合材料电池包和其中的关键构件，以此来提高我国的自主研发水平和市场竞争力；另一个是在电池包行业，要着力于提高产品的规模化，进而推动我国电池包的行业的规范化。复合材料电池包行业的发展也将推动电动汽车行业的告诉发展，也可以达到节约资源的目的。