近年来,以蓄电池为动力的汽车产量不断上升。据国际能源机构(IEA)报告,2020年大约销售了300万辆电动汽车。据另一份报告称,2021年上半年全世界销售了260万辆电动汽车,比2020年同期增长了160%。2021年4月IEA又报告,到2030年行驶在路上的电动轿车、公共汽车、厢式货车和重型卡车预计将达到1.45亿辆。
电动汽车的发展极大地拉动了复合材料蓄电池箱的应用。蓄电池箱或称蓄电池外壳,其主要用处是盛放和保护多格蓄电池。蓄电池箱的传统材料是铝和钢。然而,复合材料的轻重量可以补偿蓄电池组的沉重,显著改善电动汽车的性能,从而被广泛用来制造电动汽车的蓄电池箱。所用原材料和制造工艺有多种,试举数例。
美国IDI国际复合材料公司
( IDI Composites International )
该公司研发了FLAMEVEX材料系列,专为电动汽车(EV)和新能源汽车(NEV)市场制造蓄电池箱而设计。
用 FLAMEVEX.制造的蓄电池箱(来源:IDI)
FLAMEVEX系列产品包括短切玻璃纤维与不饱和聚酯(UPR)或不饱和聚酯与乙烯基酯的混合体,已用于通过严格标准测试的蓄电池组。IDI称,FLAMEVEX为设计师提供了一种轻质高强且经济高效的替代材料,用来替代传统使用的钢和铝材料。
FLAMEVEX的加工方式与片状模塑料(SMC)相似,但相关人士指出,FLAMEVEX的化学组成使其与传统SMC不同,并且很快就有可能把FLAMEVEX与连续纤维预制体共模塑。此外,虽然FLAMEVEX系列目前使用短切玻璃纤维,但碳纤维也是一种选择,然而碳纤维的成本限制了其可行性。
IDI另一人士介绍:“热固性复合材料是此类蓄电池箱中替代金属的理想材料。”“热固性材料可以形成复杂的形状,它们强度高,重量轻。除了这些优点之外,FLAMEVEX的高防火性能使其与传统SMC复合材料不同。”“即使在厚度较低的情况下,FLAMEVEX也能保持其显著的防火性能,而且不会影响材料的强度或模塑性能。”
德国朗盛公司(LANXESS)
据2021年8月24日消息,朗盛公司为韩国一种系列的电动汽车研制了一种玻璃纤维增强塑料蓄电池箱。朗盛与韩国汽车部件专业厂商INFAC公司合作,使用朗盛的Durethan BKV30FN04材料(30%玻璃纤维增强聚酰胺6)制造蓄电池箱(如下图)。该材料含无卤阻燃剂,模塑成型后足以提供蓄电池箱所需功能。据报它还具有高电压绝缘性,在与电解液或冷却介质接触时保持强度和刚度。
德国西格里碳素公司(SGL Carbon)
该公司于2021开始用碳纤维和玻璃纤维复合材料为北美汽车制造商生产蓄电池箱的顶层和底层。大批量应用的蓄电池箱成为电动汽车底盘的重要部分,符合汽车对重量、刚度、冲击防护、热管理、防火以及不透水和不透气体的严格要求。
英国TRB轻型结构公司
(TRB Lightweight Structures)
该公司为一个电动巴士车队研发了碳纤维增强塑料蓄电池外壳。每辆巴士配备6格74千瓦的蓄电池,每格蓄电池重550公斤。然而,为了满足总体减重要求,蓄电池外壳只能为15公斤,与之前64公斤的铝制外壳相比,可大幅减少重量。为了满足这种蓄电池外壳的产量要求,TRB与丰田通商美国公司合资,在美国肯塔基州里士满建立了一个专门的制造厂。在这里,2米x1米的蓄电池箱采用单位面积重量较高的碳纤维织物制成。织物在厂内预浸环氧树脂,树脂两分钟固化。固化后预浸料立即被切割,由机器人放置到金属对模之中,进行快压固化,周期时间为11分钟。然后由机器人对制件进行机加工和组装,包括修边、粘合嵌件和放置垫片。该设计还在底盖中加入附加层,用于隔热、电绝缘和电磁干扰屏蔽。TRB计划于2021全面投产,并与其他潜在客户讨论以中等规模和大规模生产更多的蓄电池外壳。
CosiMo含义为“可持续性交通用复合材料”,该项目于2021年完成。项目的目的是研发制造蓄电池箱盖的智能热塑性树脂传递模塑(T-RTM)工艺。该制件长1100毫米,宽530毫米,由法国佛吉亚清洁移动公司位于德国奥格斯堡的研究中心设计,旨在探索材料和工艺限制,包括金属嵌件和泡沫芯、复杂的几何结构和从2.5毫米到10毫米不等的厚度。该制件由德国航空航天中心(DLR)轻量化生产技术中心制造,目标是利用传感RTM模具和热压机为一步法工艺开发全自动过程控制。RTM模具中集成了70多个传感器,用以监测己内酰胺单体注射过程中的树脂流动及其在聚酰胺6(PA6)复合材料中的原位聚合。传感器网络包括介电传感器、压力/温度组合传感器和超声波传感器。来自传感器的工艺参数数据还用来优化过程仿真模型,然后基于机器学习方法开发自动化和仿真数据驱动的过程控制。该项目已生产了100多个高品质制件,所获得的知识正在考虑用于工业批量生产和未来其他复合材料工艺的数字闭环控制。