電池盒的競爭剛剛開始

Novelis（諾貝麗斯）最先進的第二代電池外殼內(nèi)部，從上至下：鋁頂蓋、CTP電池系統(tǒng)（綠色）、s701和s650滾壓成型鋁型材、簡單的模塊化擠壓框架外殼、結(jié)構(gòu)集成冷卻板（藍色）和防火鋁底板。（Novelis）

電動汽車電池外殼是子系統(tǒng)設(shè)計、材料創(chuàng)新和車輛整合技術(shù)的熱門領(lǐng)域。

無論被稱為電池包、電池盒或電池托盤，這個用來包裹和保護電動汽車電池及其輔助電氣和熱管理硬件的結(jié)構(gòu)是電動汽車行業(yè)中最重要的子系統(tǒng)。OEM和供應(yīng)商專家告訴SAE，優(yōu)化電池組涉及到大量的制造工藝和材料的選擇、重量和封裝的權(quán)衡、安全規(guī)定、結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程挑戰(zhàn)。

麥格納為福特F-150 Lightning設(shè)計的鋁電池結(jié)構(gòu)。（麥格納） 麥格納全球研發(fā)集團車身和結(jié)構(gòu)部高級經(jīng)理Darren Womack最近在一場分析師會議上問道：“你希望將電池組用螺栓固定在車身上，還是集成到車身結(jié)構(gòu)中？”他指出，熱沖壓、冷沖壓、滾壓成型、液壓成型和鑄造工藝，以及鋼、鋁、復(fù)合材料和熱塑材料等，都是當(dāng)前熱門的電池封裝技術(shù)。

Womack指出，OEM希望減少多余結(jié)構(gòu)以優(yōu)化封裝空間，并減少重量和復(fù)雜性。將電動汽車電池集成到汽車底盤會涉及到各種配置。現(xiàn)已投產(chǎn)的比亞迪CTP（Cell-to-pack）技術(shù)將電池直接置入電池包中，取消了中間模塊；CTC（Cell-to-chassis）技術(shù)則將電芯與汽車底盤、電驅(qū)動和熱管理系統(tǒng)進行集成設(shè)計，將所有電池部件置入汽車白車身，并取消了單獨的電池包。

在這種設(shè)計中，底盤和車身側(cè)結(jié)構(gòu)可以分別充當(dāng)電池的底板和側(cè)面，包括特斯拉在內(nèi)的一些公司正在對該技術(shù)進行研究。此外，抗沖擊性能、精確的電池包組裝和牢固密封對這種設(shè)計至關(guān)重要。 著名鋁制品企業(yè)Novelis的全球汽車戰(zhàn)略和營銷總監(jiān)Mario Greco解釋說：“每家OEM都想擁有一本‘指南’，使其能夠根據(jù)自家標(biāo)準(zhǔn)（包括電芯的形態(tài)、電池尺寸和車型）從各種技術(shù)中進行挑選。不過，沒有任何一種電池外殼解決方案能符合所有人的要求?！?br />
Novelis的Mario Greco表示，每個OEM都有自己的電動汽車電池外殼設(shè)計和工程方案。（Novelis） 例如，單件沖壓外殼是一種潛在的大容量封裝解決方案。Greco表示，這種外殼可能包括集成式冷卻結(jié)構(gòu)，更適合CTC而非CTP設(shè)計?！拔矣X得將來可以看到‘滑板底盤’和下一代一體式架構(gòu)的融合，因為正在進入電動汽車領(lǐng)域的OEM都擁有全新的一體式架構(gòu)，而且這些架構(gòu)都會使用很長時間?！?/p>

寬廣的設(shè)計空間

麥格納電池托盤部全球首席工程師GregorKlement表示，盡管液冷鋰電池組非常沉重，但電動汽車的重量仍有下降空間。他認為，由于輕金屬和復(fù)合材料的發(fā)展，“電池與車身整合將會是未來的趨勢。麥格納的研發(fā)部門正在研究CTC解決方案，而我們也發(fā)現(xiàn)客戶也在關(guān)注這個方向。通過去除多余的結(jié)構(gòu)部件，我們有望在減重和降本方面取得顯著成效?！钡J為雖然電池成本一直在降低，但電池重量所帶來的負擔(dān)永遠不可能被完全抵消。

麥格納擁有福特F-150 Lightning、通用悍馬電動汽車和雪佛蘭Silverado電動汽車的電池結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)（麥格納） 凱迪拉克超豪華轎車——2024款Celestiq的項目工程經(jīng)理Jeremy Loveday指出，由于汽車電氣化剛剛起步，許多電動汽車的子系統(tǒng)開發(fā)正處于關(guān)鍵階段。

在這種情況下，一級供應(yīng)商推出了短續(xù)航和長續(xù)航兩種解決方案供OEM進行評估。杜邦在2022年底發(fā)布的一款概念產(chǎn)品——三合一電池盒是模塊化設(shè)計的新案例，這種設(shè)計將電池冷卻系統(tǒng)、電氣互連系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)部件進行整合，其外殼由杜邦的Zytel HTN樹脂制成，這是一種耐高溫的尼龍基聚酰胺。

杜邦公司的三合一電池盒概念產(chǎn)品是模塊化設(shè)計的一個新例子，它整合了電池冷卻、電氣互連和結(jié)構(gòu)部件。它的外殼是由該公司的耐熱材料Zytel HTN制成的。（杜邦） 據(jù)杜邦集團交通和材料部電池材料業(yè)務(wù)開發(fā)負責(zé)人Frank Billotto介紹，概念款三合一電池盒擁有半直接冷卻系統(tǒng)（電芯通過接線片進行冷卻），而且電氣互連系統(tǒng)便于電池盒的組裝。他表示，這種設(shè)計能讓電池擁有更大的能量密度，可以提高車輛的續(xù)航里程和封裝效率。

“電池盒之爭”再次激發(fā)出工程師和材料科學(xué)家的創(chuàng)造力。目前大約80%的電動汽車依然使用鋁外殼，但工程師很快注意到，根據(jù)車輛類型、負載循環(huán)、容量和成本的不同，有大量替代方案可供選擇。 鋁擠壓型材和板材供應(yīng)商Constellium（肯聯(lián)鋁業(yè)）的北美汽車技術(shù)總監(jiān)AndreasAsfeth博士提出：“我認為將來會有更多電池組使用輕質(zhì)鋼外殼，主要集中在小型短續(xù)航車輛上?！彼姓J鋼材具有“強大的成本競爭力”，盡管鋼比鋁重得多，但對小型汽車的電池而言這不是一個嚴(yán)重的問題。

但對于大型長續(xù)航汽車而言，Asfeth認為：“電池代表了汽車的價值。電池越大，鋁對電池組就越有意義”。不過，通用汽車旗下重達9000磅（4082千克）的悍馬電動車反其道而行之，采用了復(fù)合材料電池外殼。另外，與Model S和Model X相比，特斯拉也減少了Model 3和Model Y電池外殼中的鋁含量。特斯拉在一份公開聲明中表示，其柏林工廠生產(chǎn)的電池組結(jié)構(gòu)的上下蓋預(yù)計將由鋼材制成。

鋁材主導(dǎo)市場



鋁型材目前在電動汽車電池組的設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。（Constellium） 與同等體積的鋼外殼相比，鋁外殼的重量可減少40%。Asfeth表示，最適合用于電池外殼的合金是6000系列鋁硅鎂銅合金，而且這些合金還高度符合報廢回收要求。

他說，目前最先進的底板解決方案是使用峰時效態(tài)的高強度6111合金，與同等體積的5754-O態(tài)合金相比，其重量可減少30%。 據(jù)Asfeth介紹，肯聯(lián)鋁業(yè)正在密切關(guān)注車輛的抗沖撞要求，并且開發(fā)了一種具有“成本競爭力”的4xxx系列合金，該合金具有80 GPa的彈性模量和350 MPa的屈服應(yīng)力，并有望減少40%的重量。

他補充道，4xxx系列合金的厚度和寬度與6000系列合金類似，并且兼容傳統(tǒng)的冷成型技術(shù)。 肯聯(lián)鋁業(yè)還在開發(fā)一種7075-T6型合金。Asfeth在一場汽車研究中心網(wǎng)絡(luò)研討會上向觀眾透露，這種材料具有500 MPa的屈服應(yīng)力和70 GPa的彈性模量。其潛在應(yīng)用場景包括對抗沖撞性能要求極高的電池組底板。

然而，這種新合金需要使用特殊的制造工藝，其增加的成本可能抵消掉10%減重所帶來的效益。這就需要在電池盒和電動汽車開發(fā)之間作出權(quán)衡。 6xxx系列鋁合金被用于制造兩種不同的先進擠壓合金，這兩種合金是肯聯(lián)鋁業(yè)最近推出的雙框架電池組外殼原型使用的主要材料。

該原型的內(nèi)框架（在受到?jīng)_撞時用于保護電池的第二層支撐）使用了經(jīng)強度優(yōu)化的6000系列合金（HSA6系列）；用作沖撞緩沖區(qū)的外加固部件使用了延性6000系列合金（HCA6系列）。不過Asfeth指出，如果電動汽車行業(yè)轉(zhuǎn)向使用固態(tài)鋰電池，封裝設(shè)計可能會隨之發(fā)生改變。他說：“固態(tài)電池可能具備部分承重功能，因此這種電池對外殼結(jié)構(gòu)的要求較低?！?/p>

模制電池包的前景

鋁在電動汽車電池外殼中的主導(dǎo)地位并未嚇退復(fù)合材料和塑料供應(yīng)商。他們正在開發(fā)新的配方和工藝，希望匹配或超越鋁的性能和成本競爭力。

SABIC為中國市場的本田CR-V插電式混合動力車型提供聚丙烯頂蓋。（SABIC） 熱塑材料巨頭——SABIC（沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司）的電動汽車電池和電氣部門全球汽車總監(jiān)Dhanendra Nagwanshi說：“目前的電池設(shè)計大多采用現(xiàn)有材料和技術(shù)，使用了大量未經(jīng)優(yōu)化的金屬?！彼J為，與鋁相比，新一代熱塑材料可根據(jù)應(yīng)用情況將重量減少30%至50%。他表示，新一代熱塑材料還具有與鋁同等或更好的抗沖撞性能，還可以通過簡化組裝工藝降低成本，對環(huán)境的影響也更小。工程師對熱塑材料電動車電池托盤的興趣始于通用汽車的1990款I(lǐng)mpact概念車，隨后的量產(chǎn)款EV-1使用了由玻璃填充聚丙烯（PP）制成的底盤。

SABIC的最新創(chuàng)新成果直接瞄準(zhǔn)了鋁的弱點之一——極高的導(dǎo)熱性。鋁在大約630攝氏度（1166華氏度）時開始熔化，內(nèi)部熱失控產(chǎn)生的高溫可導(dǎo)致電池起火，溫度可達1100攝氏度（2012華氏度）。鋁在高溫下也會直接燃燒，1975年美國海軍貝爾克納普號導(dǎo)彈巡洋艦與肯尼迪號航空母艦的相撞事件就是證明，相撞引發(fā)的大火融化了貝爾克納普號上部結(jié)構(gòu)中的大部分鋁。

Nagwanshi指出，SABIC開發(fā)的新型Stamax FR長玻璃纖維PP具有特殊的阻燃性能。他說：“當(dāng)這種材料與火接觸時就會燒焦，隨后焦炭會構(gòu)成隔熱層?！盨ABIC根據(jù)電池外殼材料UL2596標(biāo)準(zhǔn)進行的測試表明，這種塑料可承受1000攝氏度（1832華氏度）的高溫長達30分鐘，“這也是鋁出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象的溫度閾值”，Nagwanshi指出?！峨妱悠嚢踩蚣夹g(shù)法規(guī)》（GTR 20）的目的是在熱失控期間保護乘客至少5分鐘。這項標(biāo)準(zhǔn)已被中國采用，歐洲和其他地區(qū)也將陸續(xù)采用。 目前，SABIC正在生產(chǎn)本田為中國市場設(shè)計的阻燃PP電池組蓋板。這種蓋板取消了熱毯設(shè)計，其重量比同類型金屬蓋板低40%。

下一代熱塑材料電池組和模塊原型正在開發(fā)中。近日，總部位于羅德島的Tri-Mack Plastics展示了僅由8層單向碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料（TPC）帶制成的高強度輕質(zhì)外殼，其厚度僅為1mm（0.040英寸）。該公司的工藝工程經(jīng)理Ben Lamm指出，與Tri-Mack的制造工藝相結(jié)合，這種材料可為部件的幾何形狀設(shè)計、整合以及集成式EMI應(yīng)對措施提供新思路。 樹脂材料和化合物領(lǐng)域也出現(xiàn)了與電池盒相關(guān)的新進展。SABIC的全塑料電動汽車電池底盤集成了冷卻通道和撞擊保護元件。

Nagwanshi表示，與鋁制電池組相比，這種底盤可以減少12%的重量?；赟tamax FR長玻璃纖維PP的塑料金屬集成結(jié)構(gòu)也正在研發(fā)，測試已表明這種結(jié)構(gòu)符合跌落測試要求。工程師對其能夠吸收“大量”能量的性能感到鼓舞，因為這同樣是車輛側(cè)面碰撞測試的要求。

Nagwanshi說，熱塑材料的兩個特點使其在電動汽車電池盒方面與鋁相比具備競爭力。其中一個是各向異性導(dǎo)熱性，即塑料在一個方向傳導(dǎo)和消散熱量的同時，在其他方向上確保隔熱的特性。他指出，金屬能夠?qū)?，因此電動汽車需要使用熱毯，比如特斯拉使用的云母板?br />
對于熱塑材料而言，Nagwanshi說：“幾何形狀不是問題，熱塑材料很容易通過注塑成型技術(shù)打造出蜂窩結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)零件需要的強度。若把幾何形狀與高性能玻璃纖維增強樹脂結(jié)合起來，其結(jié)構(gòu)性能可與鋁相媲美。而且制造熱塑材料部件所排放的二氧化碳比鋁部件低10%至15%左右?！?他認為SMC之類的熱固性塑料在某些方面是熱塑材料的競爭對手，但他批評這種材料“沒有得到優(yōu)化”，因為“熱固性塑料還需要熱毯以及二次制造，而且無法進行回收”。 Teijin Automotive Technologies（帝人汽車技術(shù)公司），科爾維特C8的熱固性外板供應(yīng)商，公司的新業(yè)務(wù)發(fā)展和新市場總監(jiān)——Hugh Foran可能不同意同行的觀點。他認為，SMC再研磨技術(shù)還有許多二次利用的機會。在電動汽車市場方面，Teijin已經(jīng)成為熱固性電池盒頂蓋的主要供應(yīng)商。

Teijin多種材料的電池結(jié)構(gòu)展出。（Teijin） Foran告訴SAE：“我們已經(jīng)為各類電動汽車生產(chǎn)了30多種熱固性電池盒頂蓋。”頂蓋通常是一塊含有阻燃劑的聚合物或鋼板，與鋁相比，它能更長時間地阻止內(nèi)部火災(zāi)并提供碰撞保護。但是，這家總部位于日本的供應(yīng)商的目光不僅局限于頂蓋。

Foran說：“我們的研發(fā)小組已經(jīng)為電池盒開發(fā)出五種不同配方的SMC”，一種是“簡單的乙烯基酯玻璃纖維”，另一種是含有阻燃劑ATH（三水鋁）的SMC。Teijin也生產(chǎn)了膨脹型SMC，這種材料的表面可為底層基材提供熱屏障和物理屏障。當(dāng)感受到火焰或熱量時，膨脹型材料可以通過“結(jié)痂（scab）”來進行自我保護。

此外，Teijin一直在使用酚醛樹脂來打造部分電池盒原型的部件，這些部件可以耐受最高1100攝氏度的溫度，公司的客戶正在對其性能進行測試。 Foran說，電動汽車制造商努力解決的另一個鮮為人知的問題是電池包的泄漏問題，無論使用哪種結(jié)構(gòu)材料都會出現(xiàn)這種情況。

為了解決這個問題，Teijin開發(fā)出一種不需要填料和密封的無通孔式底盤，不過，裝配孔是有的。復(fù)合材料或塑料封裝結(jié)構(gòu)還具有模壓裝配點，而非焊接裝配點。Foran說：“曾有一家OEM客戶要求將應(yīng)力傳感器一起模壓進材料中，這樣他們就可以在車輛層面上了解發(fā)生的任何沖撞。” 2028年的電動汽車電池外殼會與2023年的有明顯不同嗎？麥格納的Klement認為：“可以看到一些客戶在未來幾年內(nèi)開始轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)性電池和CTC電池設(shè)計，但其他客戶仍處于概念階段。這種轉(zhuǎn)變已不再遙遠，但不確定是不是所有廠商都會往這個方向發(fā)展?！?/p>

審核編輯：劉清