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

1 引言

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（Fiber Reinforced Polymer/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，具有轻量化优势。一般多采用5系铝合金冲压成型，厚度可以做到1.5mm、1.2mm。铝合金在空气中自动生产氧化层，其本身具有较好的防腐能力。不过由于具有导电性、熔点低的特性，可对其进行电泳/喷塑处理、喷涂防火涂层、贴覆防护层等以增强绝缘能力、抗热防护能力。

复合材料方面，早期在动力电池壳体中的应用主要是采用SMC等非连续玻纤工艺制作电池上盖等。比如北汽EU5等车型动力电池上盖。但SMC工艺由于采用短纤维，材料强度不高（拉伸强度一般小于100MPa），为了满足机械性能要求，一般厚度在2mm或2.5mm以上，轻量化效果不佳。

近年来，随着连续纤维成型工艺的发展成熟，尤其是PCM、HP-RTM等由碳纤维复合材料发展的成型工艺拓展应用到成本更低的玻纤复合材料领域，连续玻纤增强复合材料动力电池上盖产品开始得到规模化应用。

连续玻纤增强复合材料目前可以做到比铝合金更高的强度（抗拉强度可达到400MPa以上），同时密度比铝合金更低（约1.9g/cm3），在满足机械性能的前提下厚度可以做到1.2mm甚至更薄，轻量化效果更为显著。此外其连续玻纤组分具有一定的抗火烧性能（树脂基体燃烧碳化），整体本身具有绝缘性，在安全性方面相较铝合金更具优势。但相比钢和铝合金，目前连续玻纤增强复合材料的成本较高。

目前已实现规模化应用的连续玻纤增强复合材料上盖成型工艺主要是PCM和HP-RTM，两种工艺生产的产品性能可以达到相近的水平。其中PCM工艺一次性投入成本（设备、模具）相对较低，原材料为预浸料，需人工铺设，生产效率略低，比较适于小批量/样件生产。HP-RTM成型设备复杂，投资较高，模具费较高，原材料为干纤维布，人工铺设量较少，树脂真空高压注入，生产效率高较，产品表面状态好。

4 复合材料动力电池方案评估

以北汽某款纯电动车汽车动力电池产品为例，进行复合材料动力电池方案的具体评估。

4.1 上盖的基本技术要求

动力电池上盖设计需满足以下主要技术要求：

1）结构适配性要求：形状尺寸（含公差）满足与箱体、车身等结构的可装配性和安全间隙要求；

2）安全性及可靠性要求：需支持整包满足振动、机械冲击、碰撞、湿热循环、浸水、外部火烧、电池热扩散、温度冲击、盐雾等工况的要求；

3）重量指标要求：满足对于上盖的重量分解指标要求；

4）成本指标要求：满足对于上盖单件成本、模具费等成本费用预算要求；

5）制造要求：满足工艺可实现性、量产可行性、生产效率要求；

6）材料要求：阻燃、禁限用物质要求；

7）外观及标识要求等。

上述产品级需求分解到材料级，对应的材料性质包括力学性能、防火耐温性能、防腐性能、密度、工艺成型特性等。

4.2 复合材料上盖方案

基于项目电池系统结构整体需求，形成如图1所示上盖产品设计，上盖长度1953mm，宽度1406mm，高度40mm，主体厚度1.5mm或1.2mm，法兰面厚度3mm，其他局部位置根据成型和刚度/强度要求做加厚处理。

方案采用HP-RTM工艺成型，原材料采用阻燃环氧树脂和连续玻璃纤维布，成品玻纤含量60%。主要材料参数：密度1.9g/cm?，拉伸强度420MPa，拉伸模量22GPa，断裂延伸率1.8%。

1.5mm方案整体重量约9.1kg，1.2mm方案整体重量约7.8kg，包含固定点处金属衬套。同尺寸0.7mm厚度钢盖重量15.6kg，1.2mm厚度铝合金盖重量9.7kg。复合材料上盖方案在重量方面有明显优势。

4.3 复合材料上盖仿真分析

基于上述方案进行上盖机械性能仿真模型搭建。模型采用Shell单元，单元尺寸4mm，数量179414。

经过仿真计算，1.5mm厚度方案及1.2mm厚度方案上盖一阶整体模态，以及搭载整包振动、机械冲击等工况下应力值等均满足设计要求。其中1.5mm方案相较1.2mm方案具有更高的模态，在振动、冲击工况的应力表现方面二者结果差别不大。所以基于上述结果，考虑重量和成本，优先采用1.2mm方案。

4.4 复合材料上盖搭载测试验证

基于上述1.2mm厚度复合材料上盖方案，制备了相应样品，根据GB 38031-2020对电池包的要求，搭载电池包进行了振动、机械冲击、外部火烧等测试验证，均通过测试，满足设计要求。

其中在外部火烧测试中，电池包整体在油盆上方经过70s直接燃烧和60s间接燃烧，其中复合材料上盖树脂基体发生燃烧碳化，剩余玻纤层整体结构保持较为完整，火盘移开后电池包无明火等危害现象，测试通过。

5 结论

树脂基连续玻纤增强复合材料具备较高的强度，在电池上盖轻量化方面具有很大应用潜力。以北汽某款纯电动车汽车动力电池产品为例，设计复合材料上盖方案，通过仿真分析确认可行性，采用HP-RTM工艺成型制造样品，支持整包通过各项测试验证。

经过方案及实测对比，树脂基连续玻纤增强复合材料上盖可以满足安全性等设计要求，相较金属材质上盖具有明显轻量化优势。未来将会在更多的项目中得到量产应用，对电池和整车的轻量化、进而对车辆续航等性能的提升做出贡献。

参考文献：

[1]左可雷，关世伟. 复合材料在汽车轻量化设计中的应用[J]. 装备制造技术，2015， 05-0258-03.

[2]何亚飞，矫维成，杨帆，等. 树脂基复合材料成型工艺的发展[J]. 纤维复合材料，2011（02）：7-13.

[3]朱楠，彭德功，李军，等. 复合材料模压成型工艺研究[J]. 纤维复合材料，2020，37（2）： 7-13.

[4]钟正. 碳纤维复合材料力学行为及断裂失效模式仿真[D]. 大连：大连理工大学，2021.

[5]朱怡臻，王瑛，陈鸣亮，等.先进树脂基复合材料RTM成型工艺研究及应用进展[J]. 塑料工业，2020，48（5）： 18-22.