新型电池模块， 集轻量化材料和大规模生产工艺于一身

开发可持续移动出行解决方案：为了这项任务，科技人员和业内的重要参与者正在通过跨学科的“卡尔斯鲁厄高性能移动研究中心（High Performance Center for Mobility Research, Karlsruhe）”走到一起。该研发项目聚焦移动出行研究的不同方面。本文是关于电池系统轻量化的新技术路线与解决方案。根据要求和功能将轻量化材料和大规模生产工艺用于电池模块，从而实现轻量化。对系统安全性和热管理系统效率的高要求也被纳入考量范围。本文重点介绍了新开发的电池系统以及用于轻量化设计和制造过程的新技术解决方案，并展示了创新的直接生产工艺。

该项目的目的是评估并展示如何在电池系统中将热性能、安全性和轻量化结构结合在一起。 在传统和地面移动出行应用中对这些性能的需求越来越多。在其它移动出行领域中，例如城市空中交通（UAM），对降低单位重量能耗的需求也在增加。此外，该概念是为大规模生产设计的，这反映在材料的选择和制造以及组装工艺上。

带有集成功能的轻量化结构模块概念

该研究中的电池模块（标题图）的基础是一种锂离子电芯，锂离子电芯多年来已经成为移动出行动力电池系统最重要的电芯形式之一。该概念源自德国卡尔斯鲁厄技术研究所（简称KIT）的项目合作伙伴能源存储系统应用材料研究所（英文全称：Institute for Applied Materials–Energy Storage Systems，简称IAM-ESS）的生产研究，在此选择的是容量为20 AH的电池。

标题图：使用锂离子电芯的轻量化电池模块和SMC模块端板
（资料来源：© Fraunhofer ICT）

将单个电芯机械组合在模块中并进行电连接 ：其中十二个串联和六个并联。每三个电芯模块堆叠在一起固定在一个支撑框架上组成一个模块。支撑框架可以通过注塑成型制造。电池通过接触的冷媒进行冷却。具有集成功能的端板在两侧将电池模块封闭，并确保堆叠的电池通过螺丝连接得到所需的预紧力。

图1：整个电池系统的剖面模型（资料来源：© Fraunhofer ICT）

混合设计中的电池包

然后根据混合设计将各个模块组合成一个完整的系统（图1）。与当前汽车行业的发展相一致，整个系统的框架设计成整车的承重结构件。它由挤压铝型材制成，内部通过补充型材进一步增加刚性。电池系统的盖子和底板由塑料制成。特别指出的是，底板被设计为一种创新的三明治结构，使集成功能成为可能。例如，泡孔有助于增加刚度，同时为冷却结构提供空间。它是使用新开发的工艺制造的，称为直接三明治结构复合成型（D-SCM）。

具有集成功能的SMC模块端板

电磁屏蔽和阻燃性是电池外壳组件的两个最重要的安全功能。SMC（片状模塑料）由于其高成本效率、良好机械性能和易于形成复杂结构的特点非常适合生产这些组件。但是，电磁屏蔽和阻燃性都需要对材料进行有针对性的改性。该项目的研发工作聚焦于玻璃纤维和碳纤维增强的不饱和聚酯-聚氨酯混合树脂（UPPH）的电磁屏蔽特性和阻燃性。调整配方后，该树脂系统适合SMC和预浸半成品的生产。这些半成品通过模压结合在一起，为结构应用提供了很好的轻量化潜力。

图2：使用D-SCM工艺简便有效地生产轻质、高刚性三明治结构的示意图（资料来源阿：Fraunhofer ICT）

EMC（电磁兼容性）研究的目的是在纤维增强的UPPH复合材料中实现最佳的电导率，而无需额外的下游生产步骤。可以通过引入添加剂颗粒来形成连续的导电网络。超过渗透阈值、对固化反应的影响以及由树脂系统中的添加剂引起的粘度增加，在该研究中是重要的因素。

朝着更高的电池容量发展意味着电池外壳的要求和标准在不断地进行调整和更新。保护配备齐全的可充电储能系统（简称REESS，包括电池、外壳、控制电子等）免受燃料燃烧的影响是复杂且昂贵的。Fraunhofer化学技术研究所（ICT）新开发的方法被用来表征复合材料，通过该方法完成了实验室规模零部件级别的UNECE-R100-8E（联合国经济委员会欧洲第100号法规，附件8E - 防火）的火灾处理模拟。

即使使用适当的添加剂，玻璃纤维增强的SMC也没有对电场和高频磁场表现出足够的屏蔽。另一方面，碳纤维则有可能用来替代电池外壳中的铝。填料的使用进一步增加了屏蔽效果。 所使用的添加剂也可以对燃烧行为产生积极影响。除了EMC要求外，针对应用要求而进行优化的材料还符合自熄、阻碍燃烧、保持结构完整性的消防标准。

使用D-SCM工艺生产三明治底板

当前电动汽车的动力电池外壳通常由相对较重的金属材料制成。使用超轻、高刚性纤维复合材料三明治结构尤其能显著降低重量。但是，复杂的生产工艺和较多的零件数量需要改进并优化为稳定的，周期时间缩短的制造工艺。

电池盒底板的结构通常并不复杂。这意味着它特别适合湿压工艺，因为湿压工艺可以生产的零件数量大。通过几何压花和三明治结构可以增加刚度。但是，后者在湿压工艺中尚未达到最先进状态。

如果将经典的三明治制造方法与湿压结合在一起，则需要在处理层结构和泡沫芯方面花费大量精力。表面层要用反应性基材分别浸润，并且必须精确地插入预制的泡沫芯。如果泡沫芯厚度不恒定，则必须在发泡模具中提前生产好或做机加工处理。合模也可能损坏芯层，尤其是在有压花，或者在纤维浸渍过程中压力超过芯层强度时。

图3：作为技术展示的电池模块局部截面，该电池模块集成了SMC制成的端板和使用D-SCM工艺制造的底板

（资料来源： Fraunhofer ICT）

为了更简便有效的生产，Frauna-hofer化学技术研究所已开发了一个新的直接工艺，该工艺只需要一步制造工艺就能生产出轻质、高刚性的三明治结构。科学家将该工艺命名为直接三明治结构复合成型（D-SCM，图2）。

第1步：位于下层的碳纤维增强织物层用树脂浸润并放到模具中。
第2步：聚氨酯发泡剂第一个组分涂覆到一张TPU膜上。
第3步：聚氨酯发泡剂第二个组分涂覆到第二张TPU膜上，放入模具，再将预先浸润好的上表面层放入。
第4步：合模。
第5步：随着模具温度的提高，聚氨酯泡沫受热膨胀，形成三明治层，同时聚氨酯发泡会产生型腔压力，导致表面层完全浸润并将其紧压在模具轮廓上。
第6步：泡沫和表面层基材的化学反应性相互匹配，因此它们的固化时间相同。
第7步：固化后成品脱模。

结论

该项目中D-SCM工艺产生的底板具有碳纤维薄外层。聚氨酯中间层具有可变的厚度和定义的泡沫密度（图3）。因此，通过这个项目，研究人员证明了该创新工艺可以只用一步工艺就能有效地生产出高性能三明治结构。尤其令人感兴趣的是三明治泡沫层的自动形成，这意味着不再需要任何额外的预制。

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
作者：Lars-Fredrik Berg，Johannes Liebertseder，Andreas Menrath， Philipp Rosenberg

来源：荣格-《国际塑料商情》

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