复合材料在新能源汽车电池包上盖的轻量化发展中的应用

程晓奕 姜海燕

摘要：无论是对传统燃油汽车，还是对新能源汽车，汽车轻量化研究均具有重要意义。电池包箱体作为动力电池的承载和防护机构，在电池包系统中占据重要位置，而且其整备质量目前偏大，具有较大的轻量化空间。本文对比了SMC、PCM和HP-RTM等三种复合材料在电池包上盖的应用的特点和存在的问题。

关键词：轻量化;电池包;复合材料

随着世界能源危机和环境污染问题日益严重，汽车轻量化越来越受到人们的关注。轻量化对汽车节能减排的效果非常显著。试验证明，对于传统燃油汽车，汽车整备质量每减轻10%，可降低油耗6%～8%，排放下降3%～4%;对于新能源纯电动汽车，汽车整备质量每减少10%，电耗下降5.5%，续航里程增加5.5%。同时汽车质量的降低可减小汽车制动距离，提高安全性能。所以，无论是对传统燃油汽车，还是对新能源汽车，汽车轻量化研究均具有重要意义[1]。

轻量化不仅仅是简单地将整备质量减轻，而是在保证安全性能和强度的前提下，尽可能地降低整备质量，并保证成本在合理范围内，以实现安全性和经济性的平衡[2]。电池包箱体作为动力电池的承载和防护机构，在电池包系统中占据重要位置，而且其整备质量目前偏大，具有较大的轻量化空间。电池包上盖作为电池包箱体的关键部件，其自身的轻量化以及热失控过程中的主要承载体，使得其轻量化发展和功能化发展具有很强的紧迫性。

电池包上盖轻量化材料应用主要包括铝合金材料、高强钢材料和复合材料。其中，由于铝合金材料自身的熔点在600℃左右，在热失控过程中（温度在1000℃左右），容易造成火焰外露，影响整车安全。所以要配合其他防护措施，整体轻量化效果较差。同时，由于电池包上盖本身的形状复杂性，不利于高强钢材料成型，所以应用范围受限。

目前电池包上盖的复合材料轻量化方案主要有：SMC复合材料方案、PCM复合材料方案、HP-RTM复合材料方案。

1、SMC工艺复合材料方案

SMC即片状模塑料。主要原料由SMC专用纱、不饱和树脂、低收缩添加剂，填料及各种助剂组成。

SMC复合材料电池包上盖的特点和问题

设计方面：各项同性材料;纤维取向不可设计，导致在实际应用过程中不可根据具体的受力情况进行专有的铺层设计，轻量化效果差。

力学性能：拉伸强度为80～100 MPa;模量为12～14.5 GPa。

后加工：由于SMC中纤维长度短，树脂含量高，切边打孔容易发生劈裂，针对电池箱上盖的表征：在打孔过程中易产生肉眼不可见的微裂纹，后期由于不可避免的整车的动态疲劳，微裂纹将扩展，后期将产生气密性失效的风险。

成型工艺：由于整车一节频率以及其他力学性能的要求，同时，因其自身成型工艺要求等，目前该材料上盖厚度一般2mm以上;②优势是可自由实现变厚度。

减重效果：在同等力学要求及频率要求情况下，相对钢制件减重20%～30%。

热失控：由于SMC加工工艺特性，在有一定深度的电池包上盖立边成型工程中，很难在立边保留纤维，造成该局部的产品实际强度要低于设计强度，当电池包发生热失控现象时，由于该位置的强度问题，造成产品局部开裂，后有火苗外窜现象。严重威胁整车以及驾驶人员的的生命安全。

2、PCM工藝复合材料方案

PCM为将连续纤维预浸料放入模具，然后加压、加热使其固化成型的复合材料。

PCM复合材料电池包上盖的特点和问题

原材料：预浸料，玻纤与树脂预混合，树脂对玻纤的初始浸润率在50%-60%，成型过程是将预浸料根据产品造型在模具中进行铺放，后合模，对模具加压加热，通过该过程的加压、加热实现树脂对纤维的二次浸润。

力学性能：拉伸强度为400 MPa左右，具体数值与选择的纤维类型有强相关性;模量为22 GPa左右，具体数值与选择的纤维类型有强相关性。

成型工艺：预浸料模压;在相同工况要求下，厚度较HP-RTM工艺厚（目前受限于预浸料的纤维类型，主要为E-glass，HP-RTM可灵活选用级别更高的纤维）;可实现变厚度;对于复杂型面的成型有一定的局限性;生产节拍8-10min（取决于树脂的固化特性）。

成本：因原材料为预浸料，综合原材料单价较HP-RTM高，且预浸料需在低温环境中储存，原材料储存成本较HP-RTM较高，PCM成型的产品在制造过程中基本通过人手工进行材料铺贴，相对HP-RTM的设备铺贴方式，人工费用也相对较高。

风险问题：目前基本上是手工完成预浸料在模具内的铺贴，很难实现自动化操作，产品一致率较低，且需要再生产过程中增加较多的过程检等工作;由于预浸料中的树脂是通过成型过程中的高温、高压而实现的二次流动，流动的可控性相对较差，导致产品的气密性可靠性存在的一定隐患;

3、HP-RTM工艺复合材料

HP-RTM，即高压树脂传递模塑，是通过一个混合头，将基础树脂注入到模具内，并浸润其中的预成型纤维织物，最后快速固化形成高强度的复合材料部件。

HP-RTM复合材料电池包上盖的特点和问题

原材料：为干态纤维布和液态树脂，且液态树脂是通过成型过程的高压与干态树脂实现在线结合。

力学性能：拉伸强度为500 MPa左右，具体数值与选择的纤维类型有强相关性;模量为28-30 GPa左右，具体数值与选择的纤维类型有强相关性。

成型工艺：液态树脂通过高压注射与纤维布结合，并通过高温成型;可实现变厚度;对于复杂型面的可加工性较PCM高;生产节拍5-8min（取决于树脂的固化特性以及自动化程度）。

成本：对于批量产品，产品单价较PCM低;后期降本空间较PCM大。

问题：单线的投入较PCM工艺高;因自动化程度高，对设备人员素质较PCM工艺高。

小   结：

1. 在同一工况要求条件下，相较于SMC材料，连续玻纤复合材料（PCM、HP-RTM）上盖的理论重量较SMC产品减重30-40%，是否能进一步减重，需根据具体项目的详细设计来做判定;

2. 连续纤维复合材料上盖不存在SMC产品由于微裂纹扩展导致的气密性失效问题;

3. 由于材料与加工工艺不同，连续玻纤复合材料上盖较SMC上盖产品单价上浮10-15%左右;

4. HP-RTM工艺复合材料上盖相较于PCM工艺复合材料上盖在产品一致性、气密可靠性、产品现有成本以及未来降本空间等方面都有较强优势。

参考文献：

[1] 司福建;时红海;吴中旺;刘畅;赖兴华.电池包箱体的轻量化与连接技术，汽车工艺师，2019.02

[2] 王青春;刘培勇;龙玲;赵娟妮. 重型卡车车架结构改进与轻量化设计研究，机械强度，2016.04

作者简介：

程晓奕（1983-），女，专利审查员，主要从事化学领域的发明专利实质审查工作;

姜海燕（1982-），女，专利审查员，主要从事化学领域的发明专利实质审查工作，贡献等同第一作者。