為滿足更加嚴苛的排放法規，汽車製造商正致力於開發可規模化生產的動力驅動系統。純電動、混合動力、插電式混合動力、燃料電池等汽車類型將在未來的汽車市場中發揮越來越重要的作用。但是，目前電動車的續航還尚未達到汽油或柴油車的標準。電動車增加續航的方法一般有兩種：一種是安裝大容量儲能系統，但這會增加車輛重量；另一種是選用高能量密度的儲能材料，但是目前電池的能量密度還達不到應用需求。
此外，提高車輛整體效率是減少燃料消耗的有效方式。除了上述動力總成中的優化措施外，還需要通過減重來降低行駛阻力，從而實現節能減排。因此，輕量化不僅是燃油車的需求，對電動車來說也非常重要。一般而言，重量減輕100公斤，可減少約10克/公里的二氧化碳排放量，最多可減少0.45升/100公里的油耗。對於電動車，電池包殼體的輕量化不僅可以使汽車高效運行，還將提供更大的續航。但是電池包殼體的設計在輕量化的同時，還需要儘可能地可靠和安全。這就需要考慮其防火安全性、剛性、熱管理、電磁兼容性和抗腐蝕性能等諸多因素。
複合材料電池包殼體的模塊化設計
當前，電動汽車的電池包殼體主要由鋁和鋼製成。相比之下，SGL Carbon開發的如圖1所示的複合材料電池盒可實現40%的減重，其相關機械性能對比如圖2。
電池包殼體的底板和上蓋的設計對於殼體的性能具有較大的影響。複合材料電池包殼體一般採用三明治結構設計：採用PET、EPDM、泡沫鋁等類似的芯層材料，與多層碳纖維或玻璃纖維織物複合材料結合，採用快速固化的樹脂材料經模壓成型。其中，織物的形式可以是軸向織物、機織物、或者無紡布等，具體如圖5。從纖維到預浸料，再到成品的工藝流程如圖3所示。
同時，材料可以靈活地相互組合以匹配相應的應用需求。特別是沿纖維拉伸方向定位的紡織層具有較好的定性，可較為容易地應用於部件的設計。因此，通過纖維或織物的鋪層方向設計可實現不同要求的受力，從而有效地進行材料利用。
電動汽車電池包殼體的性能要求
（1）機械性能
電池包殼體的剛度特別重要，在多數電動汽車中，電池包殼體是車輛結構的重要組成部分，其性能對白車身的整體剛度起著重要作用。這需要電池包殼體滿足正碰和側碰的安全要求，如圖4。電池包殼體的剛性在很大程度上取決於所使用的三明治結構，一般採用泡沫鋁材料作為夾心層材料。此外，纖維增強部件的高比剛度、低重量和良好的阻尼特性也對車輛的噪聲、振動、NVH性能具有積極影響。
（2）熱管理和阻燃性
複合材料電池包殼體的另一個優勢是碳纖維增強複合材料的導熱係數比鋁合金低200倍，且其具有更好的絕緣性，因此複合材料電池包殼體比傳統金屬殼體能更好的抵禦高低溫的性能。目前普遍使用的鋰離子電池的理想工作溫度在10至40°C之間，一般需要增加冷/熱管理系統。而複合材料殼體具有更好的隔熱效果，在熱條件時所需的能量更少，進一步提高了車輛的效率，降低了總功耗。
除了對熱管理的積極影響外，低導熱係數也是有效阻燃的極佳先決條件。通過添加阻燃劑，複合材料殼體可輕鬆滿足UL94-V-0、UL94-5VB等阻燃要求。研究人員對樣本面板材料進行了比較測試：將樣件暴露在距離800℃火焰只有幾釐米的地方，測量另一側溫度。由於鋁合金在660℃左右的溫度下就達到熔點，因此，選擇了鋼板、標準熱固性樹脂複合材料和上述添加阻燃劑的三明治複合材料樣本進行了測試，結果如圖6。另一側的溫度分別為：
鋼：30秒後約為750°C
標準的熱固性樹脂環氧複合材料：60s後約550°C
添加阻燃劑的三明治結構材料：180s後約350°C。
上述結果表明，三明治結構複合材料電池包殼體具有優異的阻燃特性。同時，該材料還具有自熄性，可防止火災的發生。並且由於熱導率低，在發生火災時，複合材料殼體僅能將電池燃燒產生的高熱量有限地傳遞到相鄰部件和乘員艙，這將為乘務人員的逃生贏得寶貴時間。
（3）其他性能
此外，SGL Carbon開發的三明治電池包殼體還可以更好地滿足防腐蝕性要求，可提供更好的密封性。通過纖維鋪層和纖維體積含量的設計，可實現關鍵區域的電磁屏蔽。同時，複合材料的應用提供了更多集成化設計的空間，相關增強組件、附加元件、連接組件、傳感器等都可實現集成化設計。
小結
合適的材料用在合適的地方，SGL Carbon通過使用高性能碳纖維複合材料設計開發的三明治電池包殼體減輕了產品質量、提高了系統效率，同時還有助於提升整車的動態駕駛性能，提升續航里程。目前，SGL Carbon已與蔚來汽車合作，為高性能電動汽車開發碳纖維增強塑料電池外殼的原型。未來，SGL Carbon還將與更多的合作伙伴開發不同尺寸、適用於不同電動汽車的複合材料電池包。
作者：DIPL.-ING. (FH) CHRISTIAN SCHLUDI 、JÜRGEN JOOS, M. ENG.,
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