随着供应商继续努力满足对电动汽车电池外壳的更高要求，复合材料技术的使用越来越多。
帝人汽车技术公司的技术人员在压机中手动将大型 SMC 电池托盘从其工具中脱模。图片来源：Teijin Automotive Technologies
随着汽车行业迅速实现电气化，OEMs和电池模块生产商对使用复合材料制造电池外壳的兴趣越来越大，电池外壳是用来固定和保护框架和电池本身的盖子和托盘。造成这种情况的原因有很多，其中最主要的原因是降低质量和堆叠公差的能力。据报道，空的金属电池外壳增加了 110-160 公斤的车辆质量，并且现在是电池电动汽车 (BEV) 上最重的部件。
另一个问题是电池外壳是多组件构成。由于每个组件都连接到前一个组件，整个组件占用的空间是累加的（即，它变得更高/更厚）。由于不同车型电池中的不同组件，由不同的供应商设计和生产，如果不注意不超过可用的总包装空间，那么像电池组这样的复杂系统可能会到达需要的装配线比车辆工程师所能容纳的更多空间。对于金属，将电池外壳形成复杂形状更具挑战性和成本更高，这意味着它们必须以更多的部件生产，占用更多的空间。然而，由于复合材料的高设计自由度和零件整合机会，复合材料外壳可以设计成更有效的形状，需要更少的空间。这有很多好处，我们将在后面进一步讨论。
金属的冲击性能也很差。这可能会影响电池托盘（安装冷却系统）的耐用性，电池托盘经常被轮胎踢起的道路碎片击中。在尝试证明新车的安全性时，通过侧面和偏移障碍冲击测试也可能更具挑战性。腐蚀是一个众所周知的问题，但不太明显的是，由于具有导热性，金属可以在正常充电/放电操作以及热失控事件中从模块内部传递热量。金属还可以将外部热量传导到电池组中，使其更难保持在理想范围内运行。由于当今大多数电池模块都封装在乘客舱下方，需要采取缓解措施，以防止金属外壳将热量或火焰传导到车辆内部，并保持足够长的时间，以便在电池组严重损坏时允许乘员离开（或由救援人员帮助）。因此，当今的电池外壳必须通过越来越具有挑战性的火焰测试——通常在高温和高压下保持相当长的时间。
在这些领域中，复合电池外壳与金属相比具有可量化的优势：重量更轻、设计自由度更高、空间效率更高、组装速度更快、无腐蚀、更耐用，并且-使用特定配方 - 更好的阻燃性/防火性。与基准金属设计相比，这种卓越的性能也可以是不增加成本的或更低的成本。
然而，任何材料都面临挑战。虽然隔热是一个好处，但电气绝缘需要自身的缓解措施，以确保电池组免受附近和车载电信号源的影响，并且电池模块不会产生可能影响其他车载电子设备正常运行的信号，包括高级驾驶辅助系统（ADAS）。
在本文中介绍了不断发展的仿真设计、供应商电池壳制造和电池壳材料导电添加剂的发展情况。
一、电池包壳体仿真设计应用增加
与结构复合材料应用（尤其是涉及不连续纤维增强的应用）一样，获得正确的虚拟原型制作工具和材料卡以快速准确地评估不同电池外壳设计中的材料和工艺选项至关重要。通过快速消除不太可能成功的设计和材料，同时减少进行多轮“制造和破坏”（成型和物理测试）零件的时间和成本，这有助于更快地将项目推向市场。
正如本文后面所讨论的，许多生产电池外壳的供应商都专注于为他们配制和复合的复合材料开发自己的材料卡，以提高模拟精度。至少有一家公司正在开发自己的仿真工具，与其他主要软件包交互。对于不断发展的复合电动汽车外壳市场，软件供应商自己有什么看法？
1.1 海克斯康
海克斯康分析师对加工选择对复合材料部件最终性能的影响进行了许多研究，尤其是那些具有不连续纤维增强的部件。例如，选择一个大的 SMC 电荷（左上）与两个相邻放置的较小电荷（右上）会影响最终零件的强度，因为在两个电荷相遇的地方形成了熔接线（下图）。来源：Hexagon
“由于转向汽车轻量化和电气化，我们的复合材料建模软件的使用率有所上升，”Hexagon AB 制造智能部门高级应用工程师 Dustin Souza 解释道。海克斯康 提供建模软件和工程服务，帮助工程师设计各种聚合物和复合材料结构并减轻其质量。“我们收到越来越多的请求来帮助公司更好地为其电池盖和托盘建模，”Souza 说，并指出海克斯康通常分析的材料范围从短纤维注射到片状模塑料 (SMC) 再到连续纤维复合材料。
“我预计注塑复合材料可能是未来用于该应用的最成功的材料类型——与今天的 SMC 甚至连续纤维复合材料不同，”Souza 指出。“这是因为注塑行业的丰富历史和经验、此类材料的可回收性——这与对可持续性的更大兴趣相一致——以及该工艺提供的制造速度。在提高电动汽车产量时，速度至关重要。” 他补充说，可能会根据车辆类别和所涉及的性能要求来选择玻璃或碳纤维增强材料。
1.2 达索系统公司
达索系统（Dassault Systèmes SE）生产用于分子和产品设计、结构和制造模拟以及其他 3D 相关产品的软件。该公司高度关注层压型复合结构，最近更新了其3DExperience 平台（版本 R2022x），其功能应有助于分析师在电池外壳设计中使用此类材料。
为了展示其最新版本的 3DExperience 平台的功能，达索系统的团队对一种基于层压板的通用电池盖进行了可行性研究，该电池盖由 40 层材料构成，总厚度为 5 毫米。顶部图像是带有建议浮雕深度的珠子优化的后处理可视化；左下图是连接到外壳其余部分的优化后盖的渲染；右下角是珠子成型工艺的可制造性分析结果。图片来源：达索系统 SE
“我们的最新产品通过衍生式设计解决方案提供了在外壳上自动生成珠粒的可能性，从而增强其结构性能——就像特征频率一样——通过衍生式设计解决方案，”达索系统 CATIA 复合材料和衍生式设计组合总监 Nicolas Guerin 解释道。“但是，与基于拓扑优化的衍生式设计不同，这种技术不会在封面中引入切口。相反，它使表面几何形状相对于授权的方向变形，例如浮雕/凹陷。就其本身而言，这项技术不会改变零件的质量，但确实会提高其机械性能。” 他补充说，当与公司的 CATIA 复合设计模块结合使用时，会考虑材料的各向异性，并且该软件会提出最佳的焊道图案，以确保满足频率要求，位移和强度得到重视。Abaqus 求解器用于评估机械响应，然后审查增强设计的可制造性。
“通过对整个叠层进行快速可生产性模拟，我们可以最小化每层的整体变形，以反映成型过程中允许的滑动，然后计算每层的变形和偏差，以及层间界面处的滑动作为相应毛坯形状的瞬时计算，”Guerin 继续说道。“这为材料质量的估计和详细模拟模型的准备提供了一个很好的起点。”
二、电池包壳体供应商的工程学见解
汽车级供应商在生产电动汽车电池外壳时面临着不断变化的格局，包括电池组能量密度甚至电池化学的潜在变化、更严格的电池安全要求和电动汽车计划推出的迅速增加，以及持续的供应挑战。
2.1 帝人汽车技术
帝人汽车技术（Teijin Automotive Technologies）通过自有的 SMC材料，为汽车、卡车和工业市场领域设计和生产各种压塑热固性和热塑性复合材料部件——包括十多年的电动汽车电池成型经验，为OEM 客户及其在北美、欧洲和亚洲的电气化合作伙伴提供覆盖和完整的外壳。当被问及电池外壳的材料规格趋势时，该公司这样说。
帝人汽车技术 在设计和成型 EV 电池模块外壳方面拥有十多年的经验，在材料和工艺选择方面提供了丰富的经验，以开发满足 OEM 性能要求和成本目标的解决方案。 图片来源：Teijin Automotive Technologies
“通常，OEM 客户不指定复合材料的类型；他们根据他们的具体需求向我们提出建议，”帝人汽车公司的 Mike Siwajek 解释说 研发副总裁。“我们是一家压缩成型商，主要是热固性 SMC，尽管我们也成型一些热塑性复合材料。由于苛刻的要求，我们的电池外壳解决方案一般采用的是 SMC。但是，我们开始看到对连续加固的潜在需求，因此我们一直将 RTM [树脂传递模塑] 和 LCM [液体复合模塑，也称为湿压模塑] 作为核心技术，我们拥有这两项技术，但我们很少被要求用于 EV 外壳市场。最近，我们已经响应了对特定化学品（例如酚醛树脂）的要求，但我们仍然与客户合作，了解每种应用的需求，然后提供我们认为最适合该应用的材料/工艺解决方案。”
Siwajek 补充说，由于电池盖和托盘可能有不同的要求，因此采用混合材料方法是一条可行的前进道路。例如，帝人汽车的外壳设计通常使用不连续的玻璃增强材料，但在需要更多结构材料的情况下，该团队可以轻松地将单向 (UD) 或多向连续纤维形式与传统的、随机定向的短切粗纱结合起来。此外，他说 SMC、RTM 和 LCM 中最常用的化学成分——不饱和聚酯 (UP)、乙烯基酯 (VE)、酚醛树脂和环氧树脂——非常相似，可以轻松使用完整的复合材料设计，尽管该公司也可以与金属元素共模制或将复合材料和金属组合在一个组件中。
除了机械性能之外，其他标准也很重要。
“早些时候——可能是 10 年前——人们对电池环境的温度管理存在重大担忧，但电池制造商似乎已经通过电解质化学解决了这一问题，”Siwajek 继续说道。“幸运的是，即使在极端温度下，SMC 也是一种坚固的材料。然而，火焰和烟雾目标是我们配方的关键方面，我们采用独特的化学成分和填料包来满足热失控要求。在我们通过零件设计解决的热事件中，还有一个额外的耐久性组成部分。”
他补充说，虽然提高对静电耗散 (ESD)、电磁干扰 (EMI)、射频干扰 (RFI) 甚至 5G 信号的抵抗力并不是大多数客户关注的重点，但也引起了一些客户的关注。“我们有办法降低屏蔽要求，但我们会根据需要提供它们，因为它们通常会对成本产生不利影响，”他解释道。
公司面临哪些挑战？
“虽然复合材料传统上没有可用的材料卡[用于模拟软件]，但我们已经齐心协力为我们的更大容量材料以及我们认为对电动汽车市场至关重要的材料创建它们，”Siwajek 回应道。“事实证明，这一举措对我们的设计团队和客户很有用。”
所有的供应短缺情况如何，尤其是考虑到车队电气化的迅速增长？
“在当前市场上，生产能力绝对是 OEM 关心的问题，尽管我们总是根据业务案例考虑和解决产能问题，但这些瓶颈最终会影响到 Tier，”Siwajek 解释道。“不过，我们更直接关注的是我们在配方中使用的许多原材料的短缺。”
2.2 麦格纳国际
另一家公司麦格纳国际（Magna International Inc.）自 2011 年以来通过其 Cosma 部门生产金属电动汽车电池托盘。其外部业务最近获得了首个复合电池盖，该项目将于 2024 年开始生产。此外除了在 28 个国家/地区的工厂生产汽车和商用车零部件外，该公司还为客户提供设计、工程、CAE 分析和原型制作支持。
“为了帮助使我们的模拟更加准确，我们一直在努力开发自己的模拟工具，以更好地预测材料流动和结构性能，此外，我们还进行了自己的材料表征并构建了自己的材料卡以用于 CAE 包，”麦格纳外饰全球创新总监 Brian Krull解释说。“这种能力的提高将帮助我们为未来的发展设计和设计更高效、更轻量化的解决方案。这些进步将进一步提高人们在结构应用中使用复合材料的信心。”
Krull 指出，Magna Exteriors 自 2019 年以来一直与 OEM 一起参与复合电池外壳的开发活动。最初的重点是采用阻燃 (FR) UP 或 VE 基体的模压 SMC。该技术提供了成型性和防火/热性能的良好平衡，以及包覆成型嵌件、用连续纤维材料局部加固和共成型横梁梁的机会。
然而，随着电池能量密度的不断提高，麦格纳正在满足对具有非常高的耐火性和耐热性以及耐内部压力的复合材料的更多要求，以承受长达五分钟的热失控事件，及满足不断发展的全球标准。事实上，该团队甚至看到复合材料在一些金属外壳结构中被视为隔热屏障。这反过来又为酚醛树脂等高性能树脂提供了机会。根据电池外壳组件的尺寸和复杂性，甚至可能有机会注射或注射/压塑热塑性塑料。
Magna Exteriors 一直在与 OEM、供应商、工程合作伙伴和实验室合作，开发多种产品，以满足严格的 UL 2596 箱体热失控测试要求，其树脂系统可解决 3.0 毫米或更小的壳壁部分的火焰和烟雾毒性，而不会影响成型性或设计自由。 图片来源：Forward Engineering North America, LLC/Magna Exteriors
“我们继续探索各种复合材料技术，包括连续和不连续纤维，以改善功能、最小化质量和成本，并最大限度地提高性能，”Krull 补充道。在与全球供应商和 OEM 合作伙伴合作后，麦格纳开发了正在申请专利的多材料外壳解决方案，该解决方案采用阻燃复合材料盖和结合铝和复合材料的混合托盘。这些系统重量轻，据说在热失控事件的情况下可提供出色的抗极端温度、压力和火焰性能。“凭借我们的 CAE 专业知识，我们可以提供量身定制的解决方案，将不连续和连续纤维复合材料结合起来，以实现局部硬化，同时满足高内压热事件，”他解释道。
供应商正在密切关注的另一个问题是需要消除电缆和电池外壳上的静电荷，以确保其他车载电子设备正常运行。Krull 补充说，OEM 有不同的策略来克服 EMI/RFI 问题，其中一些在组件级别集成屏蔽，而另一些则专注于屏蔽外壳本身。他说，麦格纳已经为电池盖开发了一种正在申请专利的 EMI/RFI 解决方案，该解决方案可在很宽的频率范围内提供屏蔽效果，并且可以以低成本轻松集成到复杂的几何形状中。
随着电动汽车项目的迅速增加，该行业面临哪些挑战？
“这些大型零件需要大压板的高吨位压力机，因此我们一直密切关注产能，尽管麦格纳已准备好并愿意根据 OEM 需求为正确的项目和位置部署资本资源，”补充道Krull 。“使用热固性材料的另一个潜在问题是在使用寿命结束时回收或重复使用部件的能力。为了满足未来的可持续性要求，材料供应商将需要制定可持续和可回收的方案，这些方案不仅要满足电池外壳的机械和热性能，还要达到汽车制造商的价格目标。”
2.3 STS集团
STS Group AG（德国哈根）成立于 2013 年，是汽车和商用车复合材料部件和系统的全球供应商，专注于减排和替代动力系统。自 2019 年以来，该公司已为中国的多个项目提供 SMC 电池盖，预计将于明年在西欧推出的项目即将投产。预计北美的需求会不断增长，该公司于今年夏天在弗吉尼亚州的新 SMC 成型工厂破土动工。STS 是垂直整合的，因此它不仅可以模压 SMC 零件，还可以自行配制和复合材料，并提供设计和工程支持。一个姊妹部门为高性能汽车领域生产层压复合材料部件。
STS 集团与材料供应商、OEMs和电池模块生产商合作，开发满足 EV 电池盖特定火焰暴露要求的配方。该公司不仅可以进行内部 UL 94 测试，而且还开发了自己的内部程序（上图）来评估 STS 自己的 SMC 配方的火焰暴露性能。据说该方法可以适应原始设备制造商和电池模块生产商的特定测试要求。 图片来源：STS Group AG
“机械和防火性能以及快速加工使 SMC 成为电池盖的巨大挑战，我们目前的配方基于短切玻璃纤维和聚酯或乙烯基酯树脂，”STS 北美销售和业务总监 David Ponce de Leon 指出。“然而，对电池托盘更高的机械要求最好使用高性能 SMC 或碳预浸料。并且 OEM 将在不久的将来要求更高的性能，我们在过去三年中一直在验证酚醛树脂和环氧树脂基体与连续的玻璃或碳纤维粗纱或织物，它们可以在之后提供剩余的机械性能长时间暴露在高温下。与此同时，我们也在研究 EMC [电磁兼容性] 和膨胀配方。”
Ponce de Leon 补充说，很少有汽车制造商只依赖材料的 UL 94 V-0 性能。相反，原始设备制造商和一些电池模块供应商往往需要特定的火焰暴露测试，例如连续暴露在 850°C 的火焰中 5 分钟，然后重复暴露在 1,250°C 的温度下 1 分钟。在这种情况下，为了测试自己的 SMC 配方的有效性，STS 开发了自己的内部测试方法。该过程涉及在 1,400°C 的火焰暴露和喷砂之间交替进行的重复循环。可以修改测试以满足特定的 OEM 或电池模块生产商的要求。他补充说，STS 的 SMC 配方始终采用不产生溴化或氯化化合物的原材料设计，并考虑到工业生产。
2.4 TPI 复合材料公司
TPI 复合材料公司（TPI Composites Inc.）是另一家为未公开车辆生产复合电池外壳组件的供应商，OEM 目前正在多个地区开展主要项目。TPI 以其在复合材料风力叶片方面的工作而闻名，还为乘用车、商用卡车、轻轨和公共汽车生产各种复合材料部件。
TPI 报告称，它已对 EV 电池外壳的防火系统进行了广泛的选型工作，包括对多个树脂系统和防火层的锥形量热测试，以及子组件测试、直接炬管烧穿测试等。每种情况的目标都是尽量减少成本和重量，并确保可制造性。 图片来源：TPI Composites Inc.
“当今真正推动 OEM 的事情是找到一种方法来创建最安全的电池系统，该系统还具有成本效益和质量效率，随着产量真正开始增加，这变得更具挑战性，”TPI 运输高级总监 Todd Altman 解释说事业单位。“电池组是非常复杂的系统，外壳具有多方面的作用：保护车辆乘员免受内部火灾、保护模块免受外部火灾、保护电池在严重撞击中免受损坏、使电池保持最佳温度并提供足够的刚度来承载系统长期。”
他补充说，复合材料能够减少质量、组装和堆叠公差，提供卓越的综合防火保护，减少潮湿和腐蚀问题，并且仍然满足机械性能是一个强大的卖点。此外，与传统金属冲压相比，复合材料有助于更快地将产品推向市场。Altman 预测未来几年复合材料在这一领域的渗透将发生巨大变化。他说，TPI 花了六年时间开发和验证各种可调节的材料/工艺选项，以满足一系列质量、成本和其他性能要求。这些主要基于连续纤维（玻璃、碳或混合物），浸渍有酚醛树脂或高温 FR 环氧树脂，用于高压 RTM、LCM 和其他技术。
“复合材料的一个显着优势是它们提供了显着的灵活性来调整解决方案——通过树脂、增强和加工——以满足非常特定的性能要求，”Altman 继续说道。“我们投入了大量时间和精力来开发电池包封装，以解决防火、EMC/EMI 屏蔽等问题。我们的系统已通过四家主要电动汽车制造商的严苛热测试，我们收到了非常积极的反馈。当您将此与我们在美国、墨西哥、土耳其、印度和中国的全球制造足迹相结合时，我们可以轻松支持汽车行业对专用电动汽车平台需求的推动。” 他补充说，TPI 还参与了 4-8 级电动卡车电池外壳的高级开发计划，预计将在 2023-2024 年推出。
三、小而强大的电池包壳体复合材料添加剂
添加剂是改变复合材料功能的重要组成部分。纳米颗粒添加剂——尤其是石墨烯纳米片 (GNP)——开始在电池外壳中发挥作用，帮助这些通常具有热绝缘和电绝缘性能的材料更好地散热并保护电池模块免受来自各种外部动力传动系统和其他车载的杂散信号的影响以及附近的电子设备，包括 ADAS 雷达和激光雷达。
3.1 AMD公司
先进材料开发公司(AMD, Advanced Material Development Ltd.) 积极推动该领域的技术商业化。该公司资助英国和美国大学的研究，并与行业合作伙伴合作开发应用程序，并为扩大规模、商业化和最终获得许可做好准备。AMD 的工作基于增强的“平台技术”，用于二维（纳米）材料的液体处理，可在先进传感器、电子和设备、复合材料和功能涂层等关键领域实现应用。
“我们以添加剂、保形或可喷涂涂层以及柔性或可拉伸薄膜的形式提供纳米碳配方，这些薄膜可以集成到塑料、复合材料、涂料和泡沫中以保护敏感组件，”AMD 业务发展总监 Paul Mumford 解释道。“我们的主要市场是水基解决方案，尽管我们的配方也与其他溶剂兼容。我们可以添加到复合材料中的功能是非金属电池组外壳的 EMI 屏蔽和温度管理——基本上取代了它们所取代的铝屏蔽的属性。在每种情况下，我们都在与客户合作，寻找使用我们的纳米粒子配方的最高效、最具成本效益的方法。”
AMD 表示其基于 GNP 的产品可用于提高 EV 电池组的性能和安全性的众多方法之一是增强复合外壳的 EMI 屏蔽，从而消除对铝屏蔽（左）的需求，作为印刷应变传感器实时监测结构的扭矩（中）并作为印刷天线传输传感器数据（右）。图片来源：先进材料发展有限公司
该涂层还可以构造成充当超表面并允许拨入一个窗口，该窗口允许传输一小部分频谱，同时衰减其他所有内容。通过这个窗口，系统可以相互“交谈”，同时阻止所有无关的背景辐射。该公司还指出，其涂层是专门为匹配基材而量身定制的，并在广泛的温度范围和具有挑战性的环境中保持牢固的粘合。
AMD 正在探索的其他电池应用包括将结构健康监测 (SHM) 嵌入外壳本身的能力。“如果需要，我们可以在电池包装上打印应变传感器，为传感器提供有关电池状态的数据，”Mumford 继续说道。“此外，我们可以打印实时监测应变或扭矩的超灵敏应变传感器。作为纳米级传感器，AMD 的石墨烯基材料比当前的许多表面贴装应变传感单元更灵敏、准确和坚固。”
3.2 NanoXplore公司
另一家参与电池外壳石墨烯认证的公司是 NanoXplore Inc.（加拿大魁北克省蒙特利尔），该公司声称拥有世界上最大的 GNP 生产设施，能够生产 4,000 吨/年的石墨烯粉末，用于运输和工业部门。除了为 GNP 开发新应用并生产标准和定制的石墨烯增强塑料和复合材料配方外，NanoXplore 还拥有多个处理器，并为汽车等市场生产精密塑料和复合材料零件。
最近，该公司宣布与 Molding Products LLC（美国印第安纳州南本德）签订长期供应协议。后者将复合石墨烯增强型 SMC，以 GrapheneBlack SMC 的名义销售，据说与相同比重的传统 SMC 相比，重量减轻高达 15%，成本中性。其他好处包括增加强度（拉伸、压缩和扭转值最多提高 26%）和刚度（提供更好的抗振动载荷），这提供了同时减少标称壁厚的机会。它还提高了声音阻尼、紫外线稳定性、耐化学性以及表面光洁度和可涂漆性；降低抗应力开裂性；提供流程改进；并促进阻燃性和导热性。
SMC 中低含量的 GNP 添加剂会对许多性能产生重大影响。上图是在没有（蓝色）和有 GNP（蓝绿色）的情况下跟踪 SMC 的图表，显示了六项机械性能的改进。图片来源：NanoXplore Inc.
“与我们的合作伙伴 Molding Products 合作，我们开发了一种更坚固、更轻、表面质量更高的 SMC，它非常适合用于乘用车和卡车的轻质复合材料外部车身面板和电池外壳组件，我们在不增加 OEM 成本的情况下提供这种卓越的性能”，NanoXplore 技术项目负责人 Tarek Jalloul 说。他补充说，该公司即将将其第一个使用 GNP 增强型 SMC 的运输应用商业化，但不能透露更多细节。 
