2024-01-04 / 行业新闻

应用创新|高密度减震泡棉为新能源汽车动力“保驾护航”

2023年12月26日,在或主动或被动地预热了半年之后,华为在冬季全场景发布会上正式发布问界M9。同时,身兼华为消费者终端和智能汽车解决方案两大业务板块负责人的余承东,详细地介绍了问界M9从外观到内饰、从智能座舱到自动驾驶再到地盘架构等各个细节,并传递了一个非常重要的信息点:“科技会改变人们的出行方式,也会改变高端用户对于汽车产品的固有认知。”

作为华为鸿蒙智行的首款旗舰级SUV,问界M9搭载了华为智能汽车全栈技术解决方案,包括鸿蒙智能座舱、华为智能驾驶、HUAWEI xPixel、HUAWEI AR-HUD、AI大模型、传感联邦、HUAWEI SOUND等最新黑科技,不难看出无论是智能座椅、驾驶辅助、空间设计、动力系统,还是底盘技术、安全性能方面,华为无不通过技术上的创新确立其产品竞争力。

在动力方面,问界M9分为增程和纯电两种版本,纯电版驱动电机额定功率分别为62kW和88kW,峰值功率分别为160kW和230kW;增程式混动版使用的是H5RT 1.5T发动机,最大功率为112kW,与之配合的是双电机,最大功率分别为165kW和200kW。

图:问界M9增程版和纯电版配置

图源:@问界M9官网

据了解,无论是增程版还是纯电版,问界M9都装载了来自宁德时代的电池组。其中,增程版使用的是52度电池版本CLTC工况下综合续航达到1402km,纯电续航达到275km;42度电池版本CLTC工况下综合续航达到1362km,纯电续航225km。而纯电版车型搭载由宁德时代提供的容量为97.682kWh的三元锂电池,在CLTC工况下的纯电续航里程为630km.此外,问界M9纯电版搭载800V高压碳化硅平台,支持充电5分钟续航150km。

值得注意的是,由于问界M9的电池组支持高压快充,这对该车型在电池的安全防护方面提出了更高的要求,例如其电池包底部采用了航空级铝合金防护板、高密度减震泡棉、高强度热成型钢板三层防护。其中,高密度减震泡棉以其高耐温阻燃性能、抗压性能和抗震性能,使得汽车零部件能够抵御各种恶劣环境和复杂应力的考验。

图:问界M9动力电池包底部三层防护构造

图源:@问界M9官网

01

新能源汽车的“心脏”——动力锂电池包

随着环境污染和能源短缺问题日益严重,新能源汽车的研发成为汽车行业的发展重心。其中,作为新能源汽车当中最核心的零部件和动力来源,锂离子动力电池将直接影响车辆的续航里程与行驶安全,而电动汽车的关键安全部件则是承担电池模组的锂电池包,被称为新能源汽车的“心脏”。

图:动力电池在整车上的布置关系图

图源:知乎@归藏/侵删

锂电池包主要由承载框体、锂电池、高压连接组件和低压连接组件等组成。锂电池框体不仅作为各个零部件承载体,也充当着连接整车的“纽带”,锂电池通过锂电池框体安装结构装配在整车上。

锂电池包不仅自重大,且结构复杂,由多个电芯模组构成,每个模组有几个到十几个不等的电芯构成,且模组之间、电芯之间以及管理电芯的电池管理系统(BMS)内部的电流传输和信号传输需要各种连接以及电流、温度的控制,而锂电池对外输电要有高压的连接器。因此,电芯连接及模块连接、高低压接口、电流及温度监控的可靠性至关重要。

图:锂电池包的构成

图源:@动力电池BMS/侵删

研究数据表明,电动汽车每减重10%,能使整车增加10%左右的续驶里程。而动力电池包的质量约占整车的20-30%,同时也是整车生产成本占比较高的部件之一。若想提升新能源汽车的性能,实现动力电池轻量化是非常关键的一步。

02

加速动力电池包轻量化,提高材料利用率

从上文的叙述中不难看出,在新能源汽车领域,动力电池包对于安全性能的要求相当严苛,其决定了整车在功率和续航里程上的表现。但是,由于动力电池的电芯材料组分与尺寸都具有较大限制,因而只能从结构入手对动力电池包进行轻量化。

箱体轻量化是新能源车企对于动力电池包的轻量化研究的重点方向之一,如比亚迪的“刀片电池”电池包设计方案,便是通过设计出一种扁平化大尺寸电芯,采用阵列排布方式布置于电池包箱体内部,单体电池就像“刀片”一样插入到电池包中,相关数据显示,该设计能使电池包比能量提升50%左右,生产成本减低约30%。

 

 

图:比亚迪“刀片电池”结构

图源:@比亚迪/侵删

在箱体轻量化方面还可应用当下研究较为成熟的铝合金、镁合金和复合材料等轻质材料为电池包“减重”。其中,复合材料因其具备重量轻、绝缘性好、加工成型简便等优势而受到广泛应用。

科思创与高新技术企业卡涞科技共同推出了使用高压树脂传递模塑成型(HP-RTM)工艺的聚氨酯电池包上壳体解决方案。据了解,聚氨酯HP-RTM制造工艺实现了“以塑代钢”的减重要求,整个壳体的平均厚度在1.5mm左右,最薄可以做到0.8mm,可以在确保轻量化的同时还保持高强度和高韧性的特性,比强度钢轻60%,比SMC轻50%,比铝合金轻20%,可用于电池包。

图:聚氨酯HP-RTM制造工艺

图源:@科思创/侵删

相关介绍显示,该款聚氨酯电池包上壳解决方案在2023年通过了欧盟REACH和RoHS认证,以及中国GB38031-2020的标准化测试,并在机械性能、高温高湿老化、氙灯老化、耐酸、耐碱、耐高温和绝缘性能等一系列标准化测试中都有优异表现。

相较于其他工艺,HP-RTM工艺使用自动化铺层技术,大幅提升效率的同时还能够降低制造成本。据其生命周期评估显示,相较于传统金属工艺,HP-RTM工艺产生的二氧化碳排放也更低。

此前,采用巴斯夫特性材料、基于STM工艺的聚氨酯复合材料电池包壳体解决方案,经过充分的量产验证后,被证明其兼具阻燃好、重量轻以及可以提升电动车的驾驶安全性等优点,并已通过UL94V-0阻燃级别的电池壳的材料和GB 38031-2020外部火烧试验等行业阻燃相关测试。

图:巴斯夫聚氨酯复合材料电池包壳体

图源:@巴斯夫/侵删

该项解决方案采用微发泡技术,可以大幅降低部件密度,轻松实现壳体减重目标,同时拥有关键专利技术使部件可以满足气密性试验与沉水试验要求。在满足轻量化要求的同时,还拥有高强度和高韧性的特点,为壳体保证了足够的机械性能。不仅如此,该工艺还无需预成型,生产效率也远远高于其他传统的聚氨酯复合材料成型工艺。

03

创新泡棉解决方案,助力电池摆脱自燃困境

一直以来,新能源汽车的安全问题都备受社会各界关注,根据应急管理部门的统计数据显示,2023年第一季度新能源汽车的自燃率就上涨了32%,这意味着平均每天就有8辆新能源汽车发生火灾。按照燃油车的保有量为3.95亿辆,而新能源车为891.5万辆计算,燃油车的季度起火率为万分之0.46,而新能源汽车的季度起火率为万分之0.72,新能源汽车今年一季度起火率是燃油车的1.54倍。

究其根本,新能源汽车起火的主要因素就来源于车辆的电池,因为电池受到撞击、挤压、过量充电等因素影响,都有可能造成火灾。

与其他蓄电池相比,锂离子电池虽然具有更高的能量密度、更高的电压,但是其电解液组分、电极材料都更容易燃烧。因此,锂离子电池有着更大的概率发生自燃。而造成电池自燃的主要“元凶”之一就是电池的热失控。

为了防止危险的发生,通常会在动力电池包不同区域位置中使用可以提供具有隔热、缓冲、阻燃、密封、支撑、减震等功能的泡棉提高其安全性能。而在不同的位置放置泡棉具有不同的功能。因此,新能源动力电池对于放置电芯间泡棉产品的性能有着极高要求。

对此,圣戈班高功能塑料公司生产的Norseal®有机硅泡绵F20/F12Norseal® PF系列微孔聚氨酯泡绵,是专为提高软包电池的性能及寿命而设计。可保护电池片免受冲击和振荡的影响,且能够补偿设计公差及电池片膨胀或收缩带来的厚度变化,保证电池片与散热片最大接触,保证长期使用的恒定压力与性能稳定性。

图:圣戈班锂离子电池片缓冲
图源:圣戈班官网/侵删

点击图片查看Interfoam China 2023现场展品:圣戈班功能化硅橡胶 TRP5000系列应用于新能源汽车电池安全防护

浙江润阳新材料科技股份有限公司生产的IXPE具备轻量化、气密性、隔热、阻燃和抗震性等特点。该材料导热系数低于0.03W/m•K;防水性能强,表面不易渗水,可反复用水泡洗;交联结构使材质具备一定刚性,具备良好的缓冲减震性能;全方面接触、连续密封;降低风和道路噪音;减轻重量避免传统连接方式所产生的噪音;符合汽车轻量化趋势,环保低VOC,可用于新能源汽车的电池保护。

图:IXPE性能优势示意图

图源:@润阳科技/侵删

东莞市泰亚电子科技有限公司(以下简称“泰亚电子”)生产的高效防火材料CS系列陶瓷化硅胶泡棉可用于电池包防火保护,其具备出色的耐高温性能,即使在1000°C的火焰下也不会受损。而在高达600°C的环境下,该材料还能够迅速瓷化,形成坚固的保护层,有效阻隔热源,防止火势蔓延。

在电芯间防护方面,泰亚电子推出了TC系列陶瓷化硅胶泡棉作为缓冲隔热材料,可以形成有效的缓冲空间,降低碰撞和振动对电芯的影响,并且该材料还具有出色的隔热和防火性能,有效降低电芯间的温度波动,保护电芯免受高温和低温的影响。

此外,针对电池包底部防护,泰亚电子推出了环保、零VOC的TMP系列MPP泡棉,具有可循环利用、轻量化和性能兼备等特点,能有效保护电池包底部免受撞击和刮擦损伤,提高电池包的耐用性和安全性。

图:泰亚针对新能源汽车材料解决方案的几款材料适用场景图示

图源:@泰亚电子科技/侵删

上海汇得科技公司是聚氨酯材料细分龙头,主要产品为合成革用聚氨酯(PU 合成革)、聚氨酯弹性体及原液、聚酯多元醇。动力电池包聚氨酯产品方面,目前量产的有电池包液冷板缓冲垫、电池包保温贴片、更换电池用支撑缓冲块,正在研发泡沫包封胶等新产品。公司现有产能合计为25万吨/年,年产18万吨聚氨酯树脂及其改性体项目(二期)目前仍在建设。公司2020年9月起与宁德时代建立业务关系,目前正与宁德时代商议缓冲垫和保温贴片供应方案,部分产品已完成测试,开始小批量生产 并试销;与中航锂电、蜂巢、比亚迪等电池厂商也在进行产品的送样或对接。

图源:@上海汇得科技公司官网/侵删

近年来,为了顺应全球新能源汽车发展的潮流,全球电池包产业链发展迅速。动力电池包作为新能源汽车的关键总成之一,对汽车的性能起着决定性作用,而电池包的性能又受电芯数量、能量密度和箱体等参数的影响,其在安全防护方面能否达标,成为消费者重点关注的问题。因此,对动力电池包的结构设计进行优化,不断提升其安全性能,对于新能源汽车的未来发展具有重要意义。

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