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杜邦中国 新能源车动力电池及车身解决方案

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杜邦中国 新能源车动力电池及车身解决方案

作者:
来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2020/06/01 10:24
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一、高性能聚合物动力电池解决方案

 

动力电池是电动汽车的心脏,是新能源汽车产业发展的关键。动力电池性能的优劣直接影响电动汽车的市场应用和普通消费者的接受度,如安全性、能量密度、功率密度、寿命以及成本等。

 

这也是未来相当长一段时间内新能源汽车发展的主要方向。四部委联合印发的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》针对这些关键点制定了相应目标:到2020年,新型锂离子动力电池单体比能量超过300瓦时/公斤;系统比能量力争达到260瓦时/公斤、成本降至1元/瓦时以下,使用环境达-30℃到55℃,可具备3C充电能力。

 

到2025年,新体系动力电池技术取得突破性进展,单体比能量达500瓦时/公斤。在提高单体能量密度方面,目前业界主流方案通过高镍正极、碳硅负极以及提升截至电压的方法来实现。而系统比能量的提升除了依赖于单体能量密度提升外,更需要模组和系统设计的紧凑性和轻量化。建立适合自身能力的轻量化技术路线与实施途径,成为各企业的当务之急。

 

杜邦公司针对动力电池行业这些挑战点,利用自身新材料研发的优势,推出了多种高力学性能的材料。这些材料在实现更佳灵活以及轻量化设计的同时,在安全、热管理、密封等方面也有相应的优势。

 

1、电池包结构件应用

 

电池包轻量化可以通过不同的方式实现:首先是应用高强度和低密度材料的应用,比如采用低密度玻纤增强复合材料代替传统金属;其次是结构的优化设计,减少壁厚、减少零部件数量等;第三是采用先进的制造工艺技术,如激光焊接、结构胶粘接等先进连接技术。

 

目前高压电池下壳体以及模组结构件主要以钢和铝合金为主,电池包上壳体主要材料为钢、铝以及SMC模压材料。低压电池壳体主要材质为玻纤增强PP。HTN(高温尼龙)是一种半芳香性尼龙,相对于普通尼龙材料拥有更好的力学、耐温和耐化能力,同时得益于低吸水其尺寸稳定性也明显提升。基于HTN树脂,杜邦公司开发了具有30-55%不同玻纤含量的复合材料,产品阻燃达到0.4 mm UL94 V0级别。

 

下面图表列举了常见材料以及玻纤增强HTN的基本物性,可以看到相对于钢、铝、SMC以及玻纤增强PP,玻纤增强HTN拥有两倍甚至更高的比强度,可以实现更轻薄的设计。

 

本身良好的电绝缘特性,省略了应用金属材料时的电绝缘处理。此外,HTN材料具有比较好的注塑加工特性,可以实现高的设计灵活度,通过局部加强结构等进一步降低制件重量。

 

 

高压电池软包和方壳模组为了满足循环寿命的需要,需要10000-20000N左右的预紧力,超出了普通聚合物材料的力学承受范围,所以目前模组端板和侧板主要以钢和铝合金为主。50%和55%玻纤HTN相对于普通塑料具有优异的强度和模量,在经过1500小时双85实验后,材料刚度没有明显下降,强度保持量可达80%,可以取代金属用于模组框架结构。除了低密度带来了减重效果外,可以省去金属框架设计中的绝缘膜以及绝缘塑料片。HTN材料本身导热系数为0.25W/mK,可以在模组之间起到较好的隔热效果,有助于热管理以及热失控设计。

 

 

高压电池模组结构示意图

 

PP等普通热塑性塑料受耐温性能的限制,应用于高压电池包上壳体时无法通过国标的火烧实验。HTN材料本身具有300摄氏度左右的高熔点,并且在受到火源加热时可以在表面形成一层隔热碳层,阻碍了热量向材料内部的扩散和温升。实验证实,采用甲烷灯火烧130秒后,2mm HTN样板未被烧穿,证实了HTN应用于电池包上壳体的可能性。理论计算表明,55% 玻纤HTN相对于SMC材料,可以将电池包上壳体厚度从3.5mm减至2.6mm,实现26%的减薄和33%的减重效果。

 

2、电池包热管理材料

 

动力电池在充放电过程中会产生一定热量,从而导致温升并影响电池的特性参数,如内阻、电压、SOC、可用容量、充放电效率、单体间性能不均衡、日历寿命和循环寿命,并有可能导致电池系统的安全问题,因此高效的热管理系统对于动力电池意义重大。

 

杜邦开发出已获专利的化学改性PA612用于电池包液冷管。化学改性PA612制成的冷却管,兼具柔韧性好、低水气渗透率、重量轻、强度高、耐水解、流体阻力小等优点。与橡胶冷却软管相比,冷却管壁厚由3mm左右降至1.2mm左右,实现50%以上的减重效果。配合杜邦公司30%玻纤耐水解尼龙66做成的快接头,可以实现高效快速安装。该解决方案目前已被业界多家公司采用。

 

改性PA612冷却管

 

二、Nomex® 动力电池热管理解决方案

 

随着动力电池能量密度的提高,动力电池发生热失控和起火的风险也随之增加,最近爆发的几起新能源汽车起火事故,引起了行业的普遍关注。新能源汽车和动力电池厂商在动力电池防火安全方面面临着较大的挑战。

 

杜邦作为防火安全材料方面的专家,一直关注新能源汽车动力电池的防火安全,并致力于动力电池防火隔热材料的开发和应用研究。从动力电池防火安全的设计角度考量,当单个电芯发生热失控时,尽量延缓或避免热失控的蔓延,从而将系统风险降到最低,同时,需要避免或延缓火焰蔓延至乘客舱,给予乘客足够的逃生时间,从而保障乘客的人身安全。

基于杜邦在防火材料方面的技术积累,针对动力电池防火安全方面的挑战,杜邦Nomex®推出了动力电池防火安全材料解决方案,包括防止动力电池热失控蔓延的隔热材料Nomex® CI10,以及防止电池包内火焰蔓延至电池包外的耐火材料Nomex® XF(可耐受1100度火焰10分钟以上),助力新能源汽车及动力电池企业提升动力电池的安全性。

 

 

三、BETAMATE™和BETAFORCE™结构胶助力新能源车轻量化

 

杜邦汽车胶创新解决方案可帮助汽车行业有效应对全球日趋严苛的环境法规,消费者对车辆美观度和安全可靠性的追求,以及进一步降低油耗之间的矛盾所带来的挑战,成为助力汽车行业实现可持续发展的又一里程碑。

 

BETAMATE™是业内首创的铝材粘接胶,BETAFORCE™结构胶将金属板和复合材料牢固粘接在一起,不仅直接降低了车身质量和单车制造成本,改善了车辆结构的牢度,柔韧性和车身静态和动态刚度,而且显著提升了车辆可操控性,在汽车碰撞时能有效减少25%的侵入距离,有力提升了车辆安全性。另外,通过运用结构胶对驾驶室构造进行自动化机器人作业,缩短了制造周期,并减少了传统焊接和铆接技术造成的负面影响,实现了汽车轻量化带来的长期使用成本和隐形成本的节约以及环境收益。

 

BETAMATE™是环氧树脂结构粘接剂,适用于焊装车间的白车身粘接,能粘接不同种类和特性的金属材料(钢-铝,铝-铝和钢-钢),从而帮助汽车使用更多的轻量化材料。

 

BETAMATE结构胶应用(黄线)

 

BETAFORCE™是聚氨酯结构胶,适用于总装车间粘接复合材料和不同材料之间的粘接,例如碳纤维车身粘接,轻量化车顶模块粘接,塑料尾门和扰流板粘接等等。

 

BETAFORCE结构胶应用

 

 

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