#標簽#汽車,自動化,材料,測試#
電動汽車正在成為依賴內燃機傳統(tǒng)汽車的強烈競爭對手。 近幾年電動汽車的成功應用離不開電池技術的迭代演進。不管是自行車、乘用車還是公共汽車，持續(xù)鋰離子電池成本降低和性能改進也在推動傳統(tǒng)電池包設計可能性。 在本次報告中，科思創(chuàng)的市場經(jīng)理范剛先生探索了如何透過材料與結構設計來提供不同類型的動力電池封裝方式和價值的最大化。 科思創(chuàng)的阻燃聚碳酸酯不僅能促進電池包滿足相關行業(yè)法規(guī)要求，實現(xiàn)輕量化、模塊化設計，并有效地對電池熱管理做出貢獻。
動力電池包的封裝設計對確保儲能系統(tǒng)的安全與可靠運行方面發(fā)揮著至關重要的作用。 全球主要國家發(fā)展組織已經(jīng)制定各種動力電池應用的安全標準，規(guī)范和法規(guī)。重大的挑戰(zhàn)包括安全性，成本，性能與對環(huán)境影響，透過測試可評估電池，模塊和封裝材料的安全性能。測試條件 (見圖1) 包括電池濫用，運輸，搬運，儲存，回收，碰撞，部件入侵和電擊。絕大部分的要求對于電池設計者而言并不陌生。 在過去汽車和電子產(chǎn)品的設計人員通過選擇正確的材料已成功地解決了類似的挑戰(zhàn)。例如，在過去二十年里，容納鋰離子電池的阻燃，耐沖擊的聚碳酸酯外殼已經(jīng)成功地用于電子設備，如筆記本電腦。
圖1
聚碳酸酯在電池需要滿足的測試當中體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢， 作為強度高，韌性極佳的工程塑料 (見圖2)，可促進電池包在經(jīng)歷嚴苛的物理測試 (例如: 振動，沖擊，撞擊)時不出現(xiàn)結構損傷、破裂、解體等問題。 此外，動力電池包作為一種高電壓能量載體， 阻燃聚碳酸酯可為短路或外部點火源引發(fā)的火災蔓延提供了額外的安全防護，有助于降低危及財產(chǎn)和生命等災難性事件的可能性。
圖2
盡管電池封裝材料不能直接決定電池在能量和功率方面的性能，但正確設計的結構和外殼可確保有效利用空間，防止損壞和充分的熱管理。所有這些因素將最終影響電池的使用性、能量密度、安全性和生命周期。其中電池熱管理是個關鍵，電池的性能與使用壽命與電池長期處在溫度有極大的關系。整車廠或者電池包廠為了控制電池在使用過程中不管是充電還是放電所產(chǎn)生的發(fā)熱量，或者是在低溫環(huán)境下，都會需要用到熱管理來使電池在設計的溫度范圍內工作。一般而言，熱管理結構如果用金屬來做相對來說比較復雜，重量較重，而如果用塑料材質來做，就會有很大的彈性和可能性。在下列范例中，科思創(chuàng)根據(jù)不同的電池包熱管理設計需求提供了相應的解決方案。
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圖3展示了用于輕型電動車輛 (例如: 電動自行車，腳踏車或踏板車) 的電池包的典型設計。 通常他們集成了電池管理系統(tǒng)和外部連接器使其直接用于充電或換電。電池包的內部結構由于需要提供電芯的支撐與精密的結構需要透過精密注塑成型得以實現(xiàn)。 外殼實現(xiàn)了機械接口、耐高低溫、防止撞擊，防塵和入侵等功能。 此外，這個外殼應該是美觀的、符合人體工程學，并提供電動車廠家的品牌辨識。為了符合UL的材料阻燃要求，外殼應該至少滿足 UL 94 V-0 的阻燃等級。對此，科思創(chuàng)的Bayblend FR3010 則很好的滿足的以上要求。
圖3
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而在熱管理方面，因為塑料本身的熱導性也不是特別的好，除非是做一些導熱填料的改性，但這對材料的機械性能有負面的影響。如果我們不希望這樣做的話，我另一種做法是結合金屬的導熱性與塑料的好成型性并利用嵌件注塑工藝來實現(xiàn)。這時，我們則需要一款與金屬熱膨脹系數(shù)相近的材料 (例如: Makroblend EL4000）。使用這款材料能使結構的強度與剛性有明顯的提高。
圖4
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目前行業(yè)內標桿的做法是特斯拉電池包的金屬蛇形管。但該做法的缺點是金屬蛇形管的制造工藝相對復雜，絕緣成本高，較不適合大批量的生產(chǎn)，特別是國內許多電動車或是電池包的定位處于中低端的車型?？扑紕?chuàng)提出將冷卻流道集成在在塑料模組或外殼上(見圖4)，消除導電的金屬蛇形管，藉此減少結構復雜性，提高絕緣性，減少零件數(shù)量、并降低成本。 這個概念關鍵在與冷卻效果是否可滿足要求。 對此，科思創(chuàng)工程團隊已進行過相關的熱模擬和實際測試證明該方案可以實現(xiàn)令人滿意的冷卻效果。同樣的設計思路適用于其它的電芯格式(見圖5)。從材料角度而言，該方案的關鍵在于使用的封裝材料長期接觸的模組材料對冷卻液長期的抵抗力，進而確保電池包的使用壽命。對此，科思創(chuàng)透過加速老化佐證的第四代Bayblend TP4065 可長期接觸冷卻液有效的控制材料力學性能可符合此應用需求。
圖5
綜合上面所述的所有情況，科思創(chuàng)是一家材料、原料、改性材料的供應商。同在上海有一個強大的應用開發(fā)團隊，將創(chuàng)新的想法落實，包括概念設計、部件機構設計。 在電池領域用CAE、CFD去模擬電池在使用過程中會發(fā)生什么樣的情況，進而去改進設計來達到客戶想要的效果。同時，科思創(chuàng)可以提供前期的技術支援，比如利用3D打印技術來原型樣品，除了可提供直觀的產(chǎn)品外，也可針對性的做功能測試來驗證設計可行性。
圖6
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