未来汽车电池的设计

电动汽车的电池通常很重。紧凑型车型的电池重量约为250kg，而大型轿车的电池重量可达700kg。更大容量的电池能提供更长的续航里程，但同样会带来生态足迹随尺寸增加的弊端。在德国联邦经济与气候行动部资助的COOLBat项目中，电动汽车电池的外壳结构通过功能适配的智能化设计方案进行了重新设计。其目标是以更少的独立部件和易拆卸接口来实现必要的功能。因此，温控通道被集成至承重结构中。底板中的泡沫铝材料既有助于电池热管理，又能在事故中通过吸收冲击能量来提升防护性能。

图1：基于梅赛德斯-奔驰EQS平台设计的电池参考系统 © Fraunhofer IWU, Auto-Entwicklungsring Sachsen FES/AES

此外，该项目还致力于优化材料使用和制造工艺，力争在电池外壳的整个生命周期中实现每件减少15%的二氧化碳排放量。梅赛德斯-奔驰EQS的电池组被选作参考基准和技术验证载体（图1）。该电池系统由上盖、框架和底板组成，它由开发服务提供商萨克森州汽车工程联盟（FES/AES）和弗劳恩霍夫机床与成形技术研究所（IWU）共同设计构建，其创新之处在于可实现无损拆解至零部件级别。这种设计旨在支持维修、再利用和纯材料分离，简而言之，就是践行循环经济理念。通过轻量化结构和可循环材料实现的减材方案还能降低二氧化碳排放量并减少维修成本。

图2：泡沫铝夹层结构的底部冷却板（左）和PCM-泡沫铝样本的CT扫描影像（右）：该部件兼具防护和冷却功能 © Fraunhofer IWU

减重的备选方案之一是整合电池外壳中原本分立的热管理系统和机械承载系统。如前所述，温控通道被直接集成到承重结构或横梁组件中。这些部件通过弗劳恩霍夫制造技术与应用材料研究所（IFAM）的铸造技术生产。此外，冷却单元功能和底盘防护功能被融于单一部件，即底部护板。其形状类似于三明治结构，由泡沫铝芯层和两个外层系统组成。其中一个外层集成了主动冷却所需的冷却通道结构（图2左）。

冷却和底盘防护一体化部件

这种夹层结构由弗劳恩霍夫IWU研究所开发制造，可有效吸收碎石冲击和碰撞事故产生的能量。其中，泡沫铝材料能够吸收冲击产生的大部分能量，同时作为导热基质弥补相变材料（PCM）导热性不足的缺陷。PCM是一种能够高效储存和释放冷热能量的蜡质材料，可平抑热负荷峰值并提升温度均匀性。它与泡沫铝结合形成的复合材料还能降低电池冷却能耗（图2）。这种底板的功能集成设计既节省了安装空间又减少了接口数量。

为降低电池箱的整体重量并构建节能高效的高度自动化工艺链，项目创新地采用了复合塑料来制造电池箱盖。其核心材料是定制开发的预浸渍碳纤维，即Towpregs。这种材料能在室温下保持完全干燥且无粘性，因此可实现精准操作而不粘连。它们只有在自动铺层过程中才会因受热而变粘，确保纤维层间牢固结合。弗劳恩霍夫IWU研究所通过其模块化试验设施专门为该项目制备了Towpregs。

适用于CFRP的材料

在生产过程中（图3），干燥的碳纤维（CF）首先通过生产线起始端的展纤单元，该单元利用多个加热导纱点将纤维束扩展至更大宽度。随后，下游供料系统将展开的纤维粗纱输送至树脂涂覆系统，该系统在升温条件下持续施加定量树脂。后续的浸渍单元和控制卷绕装置均根据材料特性定制，确保制备出基质分布均匀的稳定Towpreg预浸料。

图3：所使用的预浸渍纤维带由弗劳恩霍夫IWU研究所的Towpreg生产线制备 © Fraunhofer IWU

通过采用商用环氧树脂体系和阻燃添加剂进行初步测试可确定合适的基体材料体系。CTP Advanced Materials公司研发的环氧树脂体系也被纳入这一材料库。研究团队利用Towpreg生产线制备了多种材料变体，并依据DIN EN 1895标准通过180°T型剥离试验对其进行性能表征。项目合作方Compositence公司在其铺放设备上对这些变体进行了工艺适用性验证。

提升阻燃性能的措施

采用CTP Advanced公司环氧树脂热熔体系并混合商用阻燃剂的CF Towpregs预浸料在AFP（自动纤维铺放）工艺中展现出显著加工优势。在成功制备预成型体后，项目合作伙伴Invent公司对该半成品进行了测试。通过使用与电池箱体成型曲率匹配的模具开展基础成型试验并制定制造策略，研究团队成功将预浸料预成型体转化为无孔隙部件，从而为CFRP材质电池箱盖的制造奠定了基础。

膨胀型涂料受热时会发泡膨胀，从而增强阻燃性能。由此产生的泡沫层可有效隔绝热量向基材传递、切断基材的氧气供应并抑制燃烧过程。涂料的发泡取决于三种组分的协同作用，即酸源、气源和碳源，它们作为添加剂被添加到适宜的粘合剂中。

基于木质素的可持续防火涂料

当前的研究重点在于提高防火体系中可再生原料的比例。造纸副产品木质素因其化学结构兼具碳源和自由基捕获能力而成为了一种极具前景的原材料。在该项目中，木质素通过两种方式融入膨胀型防火涂料：一是通过化学键合嵌入粘合剂（图4），二是作为碳源通过添加剂与选定的气源、酸源复配使用。研究表明，对木质素进行预先磷酸化处理可进一步提升其阻燃效果。

图4：木质素被化学整合到阻燃涂层的粘合剂中 （来源：Fraunhofer WKI；图：© Hanser）

所配制的木质素基涂层以300g/m²的涂布量涂覆在Towpreg样品上并使用燃气燃烧器评估其在火灾中的阻燃效果（图5）。与未涂层的试样相比（图5右），涂层样品表现出显著减弱的火焰蔓延趋势，同时对基体和纤维具有保护作用。

图5：Towpreg样品的燃烧测试（左）及测试后样品状态对比（右）。涂覆（下）和未涂覆（上）阻燃涂层样品的测试结果表明，当火灾发生时，该涂层会发泡膨胀，从而提供额外防护  © Fraunhofer IWU

总结与展望

COOLBat项目正在开发用于轻量化、功能集成且可拆卸的电池外壳的创新材料、结构原理和制造技术。该项目直接对标高端电池系统，凸显了其高度实用性。所有部件制造和零件测试均基于实际生产规模，1:1比例的电池箱体示范装置支持特定的电气性能和热管理测试，并与参照系统进行数据对比。可拆卸设计是电池及其组件可回收利用的关键。除了电动汽车的电池箱体外，该项目的成果还可拓展至轨道交通、航空及船舶等移动出行领域。所开发的冷却系统同样适用于医疗和食品运输场景，而防火解决方案在建筑行业亦具应用潜力。

本文由荣格独家翻译自Plastics Insights杂志
作者：Dipl.-Ing. Anne Laue，Dr. Rico Schmerler，Dr. Steven Eschig，Dipl.-Ing. Mike Kändler

来源：荣格-《国际塑料商情》

原创声明：
本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。