连续纤维增强复合材料在动力电池箱盖上的应用.docxVIP

连续纤维增强复合材料在动力电池箱盖上的应用

王鹏张新意孙启坤黄荣袁文静

摘要：动力电池能量密度是影响电动汽车续航、能耗的一项关键指标，轻量化复合材料用于动力电池壳体实现减重是提高电池能量密度的有效途径。文章首先回顾了复合材料概念及其用于动力电池上盖与其他材料的特性对比，然后针对某纯电动车型电池箱盖，选用高强度树脂基连续玻纤增强复合材料制作了方案，并对方案进行了仿真分析和实测验证。通过该方案与金属材质方案的对比，展现了复合材料在动力电池箱盖轻量化方面的优势和应用潜力。

关键词：电动汽车动力电池箱盖复合材料

进入21世纪以来，随着锂离子电池技术的发展成熟，电动汽车迎来了快速发展。尤其是近几年，电动汽车渗透率快速上升，已经形成了对于传统燃油车的颠覆性发展趋势。

但目前电动汽车的续航里程焦虑、冬季续航衰减、电池安全等问题，仍然在一定程度上阻碍着其获得更广泛市场的认可。改善这些问题需要对动力电池技术进行进一步的创新和发展，而电池技术的创新与新材料的开发和应用息息相关，包括电芯内电极材料等，也包括系统集成层面壳体材料等。

动力电池壳体，包括电池系统箱体、上盖等，目前较多采用金属材质，包括钢、铝等。金属材质强度高、技术成熟，可以很好地满足电池壳体的机械承载性能需求。但随着对电池能量密度、保温性能等的需求逐步提升，金属材质在重量、导热率等方面的劣势逐步凸显。

对此，采用轻量化复合材料取代或部分取代金属材质，已成为电池壳体的一项重要技术发展趋势，得到越来越多的关注和探索应用。尤其是复合材料上盖等已经在市场量产车型上实现大规模量产应用，且使用范围和用量还在不断扩大和提升，未来将发挥越重要的作用。

本文将对复合材料在动力电池箱盖中的应用进行探讨，包括复合材料的简要概述，结合不同材质横向对比和具体方案的评估分析，以此对该项应用技术的问题和发展趋势，进行分析和展望。

2复合材料应用概述

2.1复合材料概述

复合材料是指由两种或两种以上不同组分材料复合而成的材料。在汽车领域，树脂基纤维增强复合材料（FiberReinforcedPolymer/Plastic，FRP）已经得到了大范围的应用，其最常见的应用场景是取代传统金属材质以实现轻量化，包括车身、内外饰件、底盘护板等。

按树脂基体的加工特性，FRP可分为热固性复合材料和热塑性复合材料，在汽车领域都有大规模应用。常见热固性树脂有环氧树脂等，其特性是一次性加热固化成型，不能重复加工，具有高强度、耐热性好、电性能优良、抗腐蚀、耐老化、尺寸稳定性好等优势。常见热塑性树脂有聚丙烯（PP）、尼龙/聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯（PE）等，其特性是受热软化、冷却硬化，可重复加工，具有抗冲击韧性好、加工便利、可回收等优势。

汽车用纤维增强复合材料中常用纤维有碳纤维、玻璃纤维等。其中碳纤维强度更高，价格也更高。玻璃纤维强度低一些，成本也更低廉。

增强纤维按其在复合材料制品中保留的纤维尺寸可以分为短纤维、长纤维、连续纤维等。其中连续纤维增强复合材料的强度、刚度、耐冲击性等性能最优，在汽车轻量化方面具有巨大应用潜力。

2.2复合材料成型工艺

树脂基复合材料成型工艺有模压成型、树脂传递成型、纤维缠绕成型法、拉挤成型法等[1-5]。适用于箱盖产品大型面板结构的主要是模压成型、树脂传递成型工艺。

其中模压成型是将一定量的模压料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。采用模压成型的非连续纤维热固性复合材料有SMC（片状模塑料）、BMC（块状模压料）、TMC（厚片状模塑料）等；模压成型非连续纤维热塑性复合材料有GMT（玻璃纤维毡热塑性塑料）、LFT-D（长纤维增强热塑性复合材料直接在线生产工艺制品）、LFT-G（长纤维热塑性颗粒注射制品）等；模压成型连续纤维复合材料有PCM（预浸料模压成型）、WCM（湿法模压成型）等。

树脂传递模塑成型（RTM）工艺是将树脂注入到闭合模具中浸润增强材料并固化成型的工艺方法[5]。传统RTM工艺存在一些弊端，如树脂浸渍率不高导致气孔等缺陷、树脂流动会冲散纤维造成纤维屈曲/分布不均、大型制品树脂流动不均匀等问题；对此又改进发展了了高压树脂传递模塑成型（HP-RTM），真空辅助树脂灌注工艺（VARTM）等工艺。其中HP-RTM相对于传统RTM，主要是提升注胶压力，借助高压制造出低孔隙率和高纤维体积分数的制品。

3复合材料用于动力电池箱盖

目前常见的动力电池箱盖材质有钢、铝合金、复合材料等。

其中钢材质具有强度高、成本低的优势。为了满足轻量化需求，目前多采用高强度钢，如HC340/DP590等，厚度可以做到0.8mm、0.7mm。为了满足防腐要求，一般进行表面电泳处理。为了提升热防护能力，还可喷涂防火涂层等。

铝合金材质相较钢材质，具有更高的比强度，具有轻量化优