Novelis（諾貝麗斯）最先進(jìn)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(lán)色）和防火鋁底板。（Novelis）

電動(dòng)汽車電池外殼是子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(gè)用來包裹和保護(hù)電動(dòng)汽車電池及其輔助電氣和熱管理硬件的結(jié)構(gòu)是電動(dòng)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(jì)與工程挑戰(zhàn)。

麥格納為福特F-150 Lightning設(shè)計(jì)的鋁電池結(jié)構(gòu)。（麥格納） 麥格納全球研發(fā)集團(tuán)車身和結(jié)構(gòu)部高級(jí)經(jīng)理Darren Womack最近在一場分析師會(huì)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(dòng)汽車電池集成到汽車底盤會(huì)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(dòng)和熱管理系統(tǒng)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，將所有電池部件置入汽車白車身，并取消了單獨(dú)的電池包。

在這種設(shè)計(jì)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(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究。此外，抗沖擊性能、精確的電池包組裝和牢固密封對(duì)這種設(shè)計(jì)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(jìn)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。”

Novelis的Mario Greco表示，每個(gè)OEM都有自己的電動(dòng)汽車電池外殼設(shè)計(jì)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(jì)。“我覺得將來可以看到‘滑板底盤’和下一代一體式架構(gòu)的融合，因?yàn)檎谶M(jìn)入電動(dòng)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(huì)使用很長時(shí)間。”

寬廣的設(shè)計(jì)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(dòng)汽車的重量仍有下降空間。他認(rèn)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(huì)是未來的趨勢(shì)。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(gè)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。”但他認(rèn)為雖然電池成本一直在降低，但電池重量所帶來的負(fù)擔(dān)永遠(yuǎn)不可能被完全抵消。

麥格納擁有福特F-150 Lightning、通用悍馬電動(dòng)汽車和雪佛蘭Silverado電動(dòng)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(xiàng)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(dòng)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(jí)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(jìn)行評(píng)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(jì)的新案例，這種設(shè)計(jì)將電池冷卻系統(tǒng)、電氣互連系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)部件進(jìn)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(jì)的一個(gè)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(tuán)交通和材料部電池材料業(yè)務(wù)開發(fā)負(fù)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(jìn)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(jì)能讓電池?fù)碛懈蟮哪芰棵芏龋梢蕴岣哕囕v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(dòng)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(fù)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(rèn)為將來會(huì)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。”他承認(rèn)鋼材具有“強(qiáng)大的成本競爭力”，盡管鋼比鋁重得多，但對(duì)小型汽車的電池而言這不是一個(gè)嚴(yán)重的問題。

但對(duì)于大型長續(xù)航汽車而言，Asfeth認(rèn)為：“電池代表了汽車的價(jià)值。電池越大，鋁對(duì)電池組就越有意義”。不過，通用汽車旗下重達(dá)9000磅（4082千克）的悍馬電動(dòng)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(jì)將由鋼材制成。

鋁材主導(dǎo)市場



鋁型材目前在電動(dòng)汽車電池組的設(shè)計(jì)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(bào)廢回收要求。

他說，目前最先進(jìn)的底板解決方案是使用峰時(shí)效態(tài)的高強(qiáng)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(bǔ)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(huì)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(duì)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(dòng)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(jìn)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(shí)用于保護(hù)電池的第二層支撐）使用了經(jīng)強(qiáng)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(dòng)汽車行業(yè)轉(zhuǎn)向使用固態(tài)鋰電池，封裝設(shè)計(jì)可能會(huì)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(duì)外殼結(jié)構(gòu)的要求較低。”

模制電池包的前景

鋁在電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)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。”他認(rèn)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(duì)環(huán)境的影響也更小。工程師對(duì)熱塑材料電動(dòng)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(diǎn)之一——極高的導(dǎo)熱性。鋁在大約630攝氏度（1166華氏度）時(shí)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(dá)1100攝氏度（2012華氏度）。鋁在高溫下也會(huì)直接燃燒，1975年美國海軍貝爾克納普號(hào)導(dǎo)彈巡洋艦與肯尼迪號(hào)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(hào)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(shí)就會(huì)燒焦，隨后焦炭會(huì)構(gòu)成隔熱層。”SABIC根據(jù)電池外殼材料UL2596標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(dá)30分鐘，“這也是鋁出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象的溫度閾值”，Nagwanshi指出。《電動(dòng)汽車安全全球技術(shù)法規(guī)》（GTR 20）的目的是在熱失控期間保護(hù)乘客至少5分鐘。這項(xiàng)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(jì)的阻燃PP電池組蓋板。這種蓋板取消了熱毯設(shè)計(jì)，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(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（TPC）帶制成的高強(qiáng)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(jì)、整合以及集成式EMI應(yīng)對(duì)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(jìn)展。SABIC的全塑料電動(dòng)汽車電池底盤集成了冷卻通道和撞擊保護(hù)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。基于Stamax 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(duì)其能夠吸收“大量”能量的性能感到鼓舞，因?yàn)檫@同樣是車輛側(cè)面碰撞測試的要求。

Nagwanshi說，熱塑材料的兩個(gè)特點(diǎn)使其在電動(dòng)汽車電池盒方面與鋁相比具備競爭力。其中一個(gè)是各向異性導(dǎo)熱性，即塑料在一個(gè)方向傳導(dǎo)和消散熱量的同時(shí)，在其他方向上確保隔熱的特性。他指出，金屬能夠?qū)幔虼穗妱?dòng)汽車需要使用熱毯，比如特斯拉使用的云母板。

對(duì)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(shí)現(xiàn)零件需要的強(qiáng)度。若把幾何形狀與高性能玻璃纖維增強(qiáng)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(rèn)為SMC之類的熱固性塑料在某些方面是熱塑材料的競爭對(duì)手，但他批評(píng)這種材料“沒有得到優(yōu)化”，因?yàn)椤盁峁绦运芰线€需要熱毯以及二次制造，而且無法進(jìn)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(diǎn)。他認(rèn)為，SMC再研磨技術(shù)還有許多二次利用的機(jī)會(huì)。在電動(dòng)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(dòng)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(shí)間地阻止內(nèi)部火災(zāi)并提供碰撞保護(hù)。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(shí)，膨脹型材料可以通過“結(jié)痂（scab）”來進(jìn)行自我保護(hù)。

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(duì)其性能進(jìn)行測試。 Foran說，電動(dòng)汽車制造商努力解決的另一個(gè)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(huì)出現(xiàn)這種情況。

為了解決這個(gè)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(diǎn)，而非焊接裝配點(diǎn)。Foran說：“曾有一家OEM客戶要求將應(yīng)力傳感器一起模壓進(jìn)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(dòng)汽車電池外殼會(huì)與2023年的有明顯不同嗎？麥格納的Klement認(rèn)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(jì)，但其他客戶仍處于概念階段。這種轉(zhuǎn)變已不再遙遠(yuǎn)，但不確定是不是所有廠商都會(huì)往這個(gè)方向發(fā)展。”

審核編輯：劉清