电动汽车（EV）结构的轻量化是帮助延长电动汽车续航，加速其普及的关键因素。减轻重量的一个关键点是改造用于容纳电池的隔间。
 
迄今为止，电池外壳既要支撑电池重量又要保护电池，往往都会采用有一定重量的材料，这使得电池外壳本身重量就不小。不过，现今有几项研究计划正在试图通过使用新的轻质材料来解决这种情况。
 
在德国达姆施塔特的弗劳恩霍夫生产和系统可靠性研究所，一个新完成的项目开发了一种轻质电池外壳，该外壳由连续纤维增强热塑性塑料（CFRTP）制成，采用创新的泡沫注塑成型工艺。该结构由两个CFRTP层和中间泡沫层组成。与铝制对应物相比，该重量减轻了40%。
 
三明治结构
 
项目负责人Felix Weidmann博士解释了细节，“该结构以三明治的夹层结构为基础，旨在依靠低重量实现非常高的机械性能。这是在组件中遵循轻量化设计方法的经典方法，被广泛应用在实践中”，他说，“但到目前为止，这一设计造价十分昂贵，而我们的新材料和工艺方法在成本费用敏感的应用中更具竞争力。”
 
在制造过程中，外层首先由交叉层单向（UD）胶带铺设程序形成。必要的固结过程是使用双带压机实现的，Weidmann博士将其描述为“制造热塑性复合材料层压板的最具成本效益的方法”。然后，它们在涉及激光切割和局部热成型的程序中进行“3D预成型”，该程序仅对需要弯曲以达到所需形状的结构部分引入加热和冷却循环。“切口及其特定的轮廓可以折叠成3D瓶坯，类似于包装箱/纸箱，” Weidmann博士解释道。
 
此外，Weidmann博士说，这种“热弯曲”技术避免了材料结晶特性的更广泛的改变，否则可能会在实际的电池外壳制造过程中引起问题。“我们只在需要弯曲轮廓以实现3D预制件的地方引入了局部热循环，”他指出。
 
外层在注射成型过程中与泡沫层组合，它们粘合在一起会产生承载力。“这基本上是聚合物界面的熔接过程，”魏德曼博士指出。“加工过程中模具和材料的温度被设置在能够使泡沫芯材和复合材料面板之间牢固粘合的程度。”他说所需的注射压力非常低，泡沫芯的注射大约需要五秒钟。目前，工件从模具中取出所需的冷却时间接近120秒，但魏德曼博士相信冷却时间可以进一步被缩短。
 
但是，尽管夹心型材料配方已经是实现轻质和高强度结合的成熟方法，但Weidmann博士表示，该项目仍然拥有许多创新功能。“这种原位CFRTP夹层成型工艺在热塑性复合材料混合注射成型技术领域是非常新的一项工艺”，他说。“但我们是全球唯一一家将其投入到如此庞大且技术要求如此之高的3D结构，像电池外壳，构建中的。”
 
夹层结构的收缩和翘曲预测以及泡沫芯材和复合面板之间的关键粘合发展涉及一个必须解决的特殊问题。正如Weidmann博士所指出的，“目前不存在商业上可用的模拟解决方案。”然而，该项目确实使用Weidmann博士自己开发的新方法成功验证了收缩和翘曲的模拟以及后一种情况下的粘合行为。
 
因此，Weidmann博士相信由此产生的材料和工艺组合是一个各功能的强大组合。“出于结构原因，它不需要任何金属，”他说。“这是一种完全由聚合物和复合材料制成的电池结构，可以容纳任何形状的电池。”他补充说，除了重量轻、成本效益高和不导电外，该开发还促进了设计自由，包括几何形状和材料选择，以满足“几乎所有的应用要求，包括高阻燃性”。
 
该项目与原厂制造商合作，分别是Fiat和Iveco，为插电式电动汽车和全电动巴士开发电池外壳。但Weidmann博士表示，其他领域也传递出了令人振奋的消息。此外，他表示该技术不仅限于电池结构，还适用于任何需要具有成本效益的轻量化设计的组件。
 
 
联系人：范国栋
德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会 智能制造技术代表
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