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复合材料电动汽车电池壳——改善质量、成本和耐久性
随着人们对复合材料的电池盒盖和电池托盘越来越感兴趣，复合材料的供应商们正在努力满足汽车制造商及电池模块生产商当前和未来的需求。
来自WardsAuto.com的消息表明，2022年3月，在全球交付的汽车中，有近1/4是电动汽车。虽然存在着“疫情导致的经济增长放缓、供应链挑战、缺乏广泛的充电基础设施以及消费者对混合动力和电池电动汽车接受度不高”等一系列的挑战，但汽车电气化的步伐仍在加速。
材料供应商们正在努力开发更高性能的热固性和热塑性复合材料，以满足当前和未来汽车制造商和电池模块生产商们在电池壳应用方面的需求（图片来自Forward Engineering GmbH）
在“价格、性能与防护：电动汽车电池壳”一文中，介绍了汽车供应商在为电动汽车制造复合材料的电池壳时所面临的挑战，并重点介绍了CAE软件供应商为此所付出的努力，以及这些软件令一些供应商能够更加容易地实现对复合材料电池壳的制造及其实际性能的准确模拟，尤其是那些采用不连续纤维增强复合材料制成的电池壳。同时，还提到了如何利用石墨烯纳米粒子来提高复合材料电池壳的性能。在此基础上，本文将重点介绍材料供应商们在开发更高性能的复合材料以满足汽车制造商和电池模块生产商当前和未来日益严格的性能和安全要求方面所付出的努力。
如前所述，用于电动汽车高压电池系统的外壳需要平衡好一系列复杂的要求：
首先，必须为携带重型电池系统而提供长期的力学性能，包括扭转刚度、模态刚度和弯曲刚度，以确保这些电池模块的使用寿命，同时保护电池免受腐蚀、短路、石击、灰尘、湿气侵蚀和电解质泄漏等的影响。在某些情况下，外壳的设计还要防静电放电(ESD)以及来自附近系统包括来自高级驾驶辅助系统(ADAS)雷达的电磁干扰/无线电频率干扰(EMI/RFI)。
其次，在发生碰撞时，外壳必须能够保护电池系统不被压坏、刺穿或者因水/湿气的侵入而造成短路。
第三，在各种气候条件下充电或放电的过程中，电池系统必须有助于保持电池单元处在理想的热工作环境中。车辆发生火灾时，还要尽可能长时间地保证电池模块不着火，同时保护车内乘客免受电池包内的热失控而导致的高温和火焰带来的伤害。此外，还需要应对“减轻质量以延长单次充电的续航里程、确保多部件系统的叠加公差不超过可用封装空间公差范围以及成本、可用性和报废(EOL)回收”等挑战性问题。下面介绍8家材料供应商是如何应对这些挑战的。
英力士公司
作为不饱和聚酯(UP)、环氧/乙烯基酯(VE)和其他混合树脂系统的长期供应商，英力士(INEOS)复合材料美国公司（以下简称英力士）还提供用于预浸料、模压成型的片状模塑料(SMC)、团状模塑料(BMC)以及用于复合材料湿法成型(LCM)、树脂传递模塑成型(RTM)、灌注、喷射、铺层、拉挤和浇注等工艺的胶衣和添加剂。毫无疑问，该公司的材料已在SMC电池盒盖上发挥了作用。自2011年以来，这些电池盒盖被用于北美的混合动力和电池电动汽车上。在中国市场，其材料被用于多个汽车平台的电池盒盖上。
“OEMs正在加速为电动汽车的电池壳开发更加精细的性能特征和材料规格，大多数的升级都涉及阻燃(FR)要求或底部和侧面的冲击防护要求。”英力士交通运输市场复合材料业务开发经理Dan Dowdall解释道，“为了应对这些不断变化的需求，我们最近推出了一种专为SMC电池壳应用而配制的新的高性能、低成本树脂系统Arotran 2502。该材料具有高强度、高耐热性能，能在配混期间提供特殊的浸润性和流动性，因而可以方便地添加更高含量的玻纤或碳纤来满足高强度、高刚度要求，添加更高含量的矿物填料来降低成本或提高阻燃性，以及添加更高含量的玻璃微珠来减轻部件质量。此外，用该树脂制成的SMC具有更好的流动性，能够填充复杂的部件形状，允许更大部件的固结成型，从而使电池壳具有更高的容积效率。”
该公司表示，采用这种新树脂制成的SMC，以2mm的厚度通过了UL 94 5VA 测试（当时，一些基于不饱和聚酯和乙烯基酯的SMC配方，同样的厚度未能通过UL 94 5VA 测试），且在其他阻燃测试中也表现良好。在一项用于内部筛选的扩展阻燃测试中，将面板暴露在800℃的温度下，10分钟后依然保持完好。在热重分析(TGA)测试中，这种新材料表现出了最高的初始温度值，表明Arotran 2502要比传统的不饱和聚酯和乙烯基酯树脂更能抵抗热降解。即使在要求严格的UL 箱热失控测试中，采用Arotran 2502制成的SMC也表现极好。目前，该公司的研究重点是改善工艺、成本、性能和可持续性。
“针对电动汽车的电池壳应用，一个重要的研发项目是，为采用订制预成型件以便获得更高的力学性能而开发复合材料用的树脂。”Dowdall说道，“我们还积极地与技术合作伙伴合作，开发EMI/RFI 纱和毯，以满足电池壳日益严格的电子屏蔽要求。”
Johns Manville公司
位于美国科罗拉多州丹佛的Johns Manville公司（以下简称JM）生产隔热材料、车顶材料和工程产品，包括用于各类复合材料的玻纤粗纱。2021年秋季，该公司采用阴离子聚合己内酰胺来生产聚酰胺6(PA6)基的Neomera系列有机片材，从而进入了半成品市场领域。最初，其产品由玻纤织物和无卷曲织物(NCF)进行增强，而采用其他织物以及更长的短切纤维（玻璃纤维或碳纤维，或者两者的混合）进行增强的级别也在开发之中并将很快推出。
采用己内酰胺单体取代完全聚合的PA6聚合物进行浸渍所带来的好处是粘度更低，因而使有机片材能够获得更好的浸润以及拥有更高的纤维体积含量(FWFs)，这将为复合材料部件带来更高的刚度、强度和抗冲击性能。玻纤毡热塑性塑料(GMT)/有机片材类产品的另一大好处是，只要基体相容，可以将采用不同纤维类型和结构的叠层铺放到压机中成型，从而为采用连续纤维选项有选择性地加强需要更高力学性能的部位提供了关键的自由度，同时也提供了良好的流动性和纤维浸润性，以确保“采用不连续纤维选项”的复杂形状的部位能够得到完全填充。由于玻纤增强PA6所具有的韧性，据说正在对该材料进行评估，以将其用于一系列的汽车部件，包括电池壳结构。
“随着电动汽车产量的快速增长，人们的注意力正转向与材料相关的另外两个方面：可持续性以及对汽车装配过程的潜在影响。”JM的复合材料产品负责人Dana Miloaga说道，“可持续性的影响非常大，一家领先的欧洲OEM正在就如何筛选出能对其可持续发展目标带来影响的解决方案而向材料供应商提出具体要求。从我们收到的反馈来看，有关材料的储存和整合到生产过程之中、工厂的占地面积以及装配操作的顺序等问题，都表明OEM需要的复合材料要易于处理，易于在自动化的操作中使用，以满足汽车的大批量生产要求。”
Miloaga表示，JM一直在与德国Forward Engineering GmbH 公司位于美国密歇根州Royal Oak的办事处合作。Forward Engineering GmbH是专业从事轻量化聚合物、复合材料和多材料解决方案的全球性交通运输设计和工程咨询公司，具有设计电池壳系统以及专为电池壳提供原型开发、测试和验证的特殊技能，能够对JM的全热塑性壳体设计进行全面的力学性能和碰撞模拟，从而为开发先进的材料卡（用于碰撞模拟，以为具体的客户应用项目提供支持）而定义具体的铺层方案。正如“价格、性能与防护：电动汽车电池壳”一文所介绍的，汽车行业对用于复合材料的特别是用于不连续纤维增强复合材料的精确的材料卡有着相当广泛的需求。
Johns Manville 公司一直在与北美和欧洲的合作伙伴合作，为电池壳和底部防护罩开发全热塑性的概念，据说已成功地成型出一个电池壳示范件（图片来自Forward Engineering GmbH）
“过去4年来，市场对我们提供的高压电池壳开发支持服务的需求增长明显。”Forward Engineering北美公司总经理Adam Halsband表示，“我们早期的工作重点是设计和模拟复合材料结构，目的是获得最高的抗冲击性能和最轻的质量。最近，我们的工作重点已扩展到应对管理热失控性能、电磁兼容性(EMC)以及电池和模块的环保性（如防止液体侵入）等更复杂的挑战。”
展望未来，他说，Forward Engineering已经看到，OEMs正在发生重大转变，对可持续发展目标、生命周期分析(LCA)评估和 EOL处置表现出了更大的兴趣。“随着汽车行业向电池电动汽车方向的发展，以最有力和最具成本效益的方式来满足这些要求所面临的压力，正在为灵活、可扩展的解决方案创造新的机会，从而奠定了纤维增强聚合物将在汽车的材料组合中占据更大份额的基础。”Halsband 补充道。
朗盛
特殊化学品公司德国朗盛生产多种类型的热塑性复合材料，包括短纤维填充热塑性粒料，以及织物或单向(UD)玻璃纤维或碳纤维增强的坯料/有机片材。2021年年底，该公司宣布，其正与位于德国波恩的汽车零部件供应商Kautex Textron GmbH & Co. KG（以下简称Kautex）合作，探索用热塑性复合材料取代钢和铝来制造大型电动汽车电池壳。Kautex 负责开发部件和生产工艺，朗盛负责开发材料。两家公司不仅开发了一种完全采用热塑性基体的复合材料电池壳样品，还比较了预测的性能与接近量产的实物部件的实测结果，从而验证了该样品。
其目的是，通过这款用于中型轿车的1400mm×1400mm的电池壳来展示复合材料在减重降本、功能集成和电气绝缘等方面的优势。该系统由一个与整体防撞结构相连的底部防护托盘和一个盖子组成，这些部件均采用Durethan B24CHM2.0 纤维增强PA6直接长纤维增强热塑性塑料(D-LFT)模压成型，该配混料专为模压D-LFT而订制，这种一步法工艺非常适合快速低成本地制造大型部件。托盘的防撞结构采用Tepex dynalite连续玻纤增强PA6进行局部加强，满足了这项应用极高的结构要求。据说，该电池壳部件已通过了外部防火测试ECE R.100。
Kautex与朗盛合作，开发并验证了一种完全采用热塑性基体材料的复合材料电动汽车电池壳，并与作为基准的Kautex 制造的一种商用铝部件作了对比，结果表明，减轻了15%的质量，节省了20%的成本，降低了45%的碳排放，同时还为简化装配而提供了结构性能、一体化的热管理和嵌入成型的装配硬件（图片来自Kautex Textron GmbH & Co. KG）
“取决于车辆等级，当前用于高压电池的外壳主要由挤压成型的钢或铝型材制成，整个外壳的尺寸，宽度超过1500 mm，长度超过2000mm。”朗盛电动动力项目经理Christopher Hoefs表示，“部件的尺寸、数量加上诸多的制造、装配步骤，包括焊接、冲孔和铆接等，使得金属外壳的制造成本非常高，更不用说非常重了。此外，还必须采用阴极镀层来保护金属部件免受腐蚀。而采用复合材料，我们可以充分利用其设计自由度，通过整合紧固件和热管理部件来显着减少组成电池壳的部件数量，这也简化了装配和物流工作，同时还降低了生产成本。此外，复合材料耐腐蚀，且非常轻，有助于延长每次充电的续航里程。它们还具有电绝缘性，这降低了系统短路的风险。”
Hoefs补充道，今后，Kautex和朗盛将继续通过虚拟方式对设计和生产细节进行优化，以节省成本并缩短上市时间。同时，他们将利用研究成果来吸引正在开发项目的OEMs，以将其成果整合到一辆真实的电池电动汽车上进行实测。
利安德巴塞尔工业公司
位于美国德克萨斯州休斯顿的利安德巴塞尔工业公司（以下简称巴塞尔）号称是世界上最大的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)技术许可方，该公司还生产基础化学品、单体、广泛的热塑性和热固性聚合物以及燃料。此外，其工程复合材料部门还为全球客户配制基于不饱和聚酯(UP)树脂、乙烯基酯(VE)树脂、环氧树脂和双马来酰亚胺(BMI)的SMC和BMC，以及采用连续的和不连续的玻璃纤维或碳纤维增强材料的混合物。自2016起，该公司就为世界各地的商用电动汽车电池壳项目提供了SMC材料。
“电池壳曾经只是一个容器。”巴塞尔工程复合材料市场经理Justin McClure说道，“但电池壳正在成为汽车结构的一部分，对热管理的要求越来越严格，这让我们看到了机遇，促使我们通过提供先进材料来满足这些日益严格的要求。”
他表示，对更高力学性能的要求，为共成型该公司的Forged Preg单、双、三轴连续碳纤维增强的混合SMC与其高强度的Premi-SMC和高温Quantum-ESC SMC提供了机遇，以优化质量和性能。“基于我们产品种类的广泛性，我们已为市场的这些变化作好了充分的准备，这使我们能够订制刚度、强度、抗冲击性、抗扭转性或抗弯曲性、阻燃性、循环时间和质量，并利用模压成型的能力，在对模具进行轻微改变或不改变的情况下来实现材料切换。”
他补充说，模压成型的其他好处还包括：能够成型非常大的部件（大于113kg），通过改变增强材料的类型和上料方式（和注射成型一样不需要移动浇口）来优化关键部位的纤维取向，能够将嵌件成型到厚度变化的部件中，以及可以选用多型腔模具来成型较小型的部件。与必须进行加工、镀层和装配的由多个部件构成的金属冲压件、铸件和挤压件相比，虽然SMC的初始成本较高，但每年近5万件的产量意味着模压成型模具的成本较低，这使SMC具有成本优势。例如，与钢冲压件相比，按每年生产3万个部件计算，可节省35%的模具成本；按每年生产4万个部件计算，可节省20%的模具成本。
谈及更高的抗热失控性能，McClure补充道: “鉴于电动汽车电池系统面临着全面测试热失控的内在挑战，我们正在密切关注 UL正在开发的测试标准，以便利用缩小的电池结构来筛选电池包外壳材料。我们严格遵守新的规定和测试标准来优化我们的产品。每一项应用都是不同的，可能在二次加工中需要使用不同的树脂系统、添加剂套餐或涂层。”
电气屏蔽也受到了巴赛尔的密切关注。“由于电动汽车为实现ADAS安全功能和半自动驾驶而整合了更多的传感器和无线通信链接，我们预计，对具有特定电气性能的外壳材料的需求将会增加，这有助于隔离干扰和消除静电。我们可以订制解决方案来满足不断变化的ESD、EMI和RFI要求。”
三菱化工
日本三菱化工集团公司（以下简称三菱化工）生产多种复合材料产品，包括丙烯腈和聚丙烯腈(PAN)碳纤维前驱体、碳纤维本身、碳纤维中间体、热塑性和热固性的半成品以及成型的部件。在热塑性方面，该公司提供：可注射成型的短玻纤填充PP和超短碳纤维增强工程树脂；由玻璃纤维或玄武岩纤维增强、可采用PP、PA6或PA6/6基体材料制成的模压成型用GMT/有机片材；再生热塑性塑料和采用新型干法浸渍技术生产的碳纤维增强热塑性塑料。在热固性方面，该公司生产基于碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和混合纤维的单向(UD)带、机织织物和采用多种树脂基体的预浸料和预浸丝束，以及碳纤维增强SMC(CF-SMC)和成型性得到增强的分束(split-tow)CF-SMC。除了回收利用热塑性塑料外，三菱化工还在欧洲和日本回收碳纤维，然后将它们碾碎、切碎和混合，或制成非织造布或面纱。该集团的先进复合材料成型部门生产用于高端汽车、赛车和航空工业的热固性碳纤复合材料部件。此外，一个工程服务小组开发热塑性复合材料的材料卡，以用于像电池壳这类应用的模拟工作中。
在全球范围内，三菱化学的许多材料都在复合材料的电池壳上得到了应用，包括其GMT和GMTex材料。这些电池壳被用在日本和欧洲的电动汽车上，并被评定为“有助于保护电池模块和乘员舱在撞击中免受损坏”的电池防护板。
采用GMT和GMTex有机片材复合材料模压成型的量产电池盒盖的A、B面（图片来自三菱化学先进材料部门）
“我们正在采取多管齐下的措施来应对这一应用领域在性能和加工方面的挑战。”三菱化学先进材料部门工程项目经理John Conn解释道，“我们不仅要看材料的构成和功能，还要优先考虑面向制造的设计，以便利用我们的纵向一体化技术来应对生产上的挑战，确保部件的可制造性，满足成本和量产目标要求。比如，我们使用添加剂来改善我们的热塑性塑料和热固性塑料产品的阻燃性，同时尽量减小厚度，以提供功能化的轻量化解决方案。我们利用我们在航空领域积累的知识，通过对材料的不断创新，来将优化的工程和制造设计整合起来，形成高效的工业化解决方案，以此满足并超越电动汽车不断变化的应用需求。”他表示，材料供应商有责任开发具有成本效益的材料解决方案，增加OEMs 的附加价值。
该公司采取多管齐下措施的一个例子是开发能够承受热失控的材料。“在热失控事故中，电池盒盖是保护乘员的关键部件。”Conn说道，“电池壳必须保持高的结构性能，能抵抗冲击载荷，防止可能引发热失控事故的电池损坏。如果出现热失控事故，电池盒盖必须能够抵抗高温（通常超过800℃）以及电池降解产生的粒子和动能。为抵御热失控，我们不仅表征了我们现有的所有材料，还在开发创新的多功能材料，比如一种用于电池壳的新型阻燃热塑性复合材料，它暴露在1000℃的火焰中可以超过5min。”
该公司还开发了一种订制的材料筛选测试方法，能够在一个简单的设置中复制热失控期间的温度和能量，从而避免了因使用实际的电动汽车电池进行测试所带来的高成本和复杂性。“这使我们对新材料的筛选变得更加快速、切实可行且成本更低。”Conn 表示，几家OEMs正在考虑使用这种测试方法。
随着人们对可持续发展的日益重视，该公司表示，其已作好准备，能够以相似的价格，在满足性能要求的同时，满足人们对更环保材料日益增长的需求。“目前，我们正在探索将生物基热固性树脂系统用于我们的玻纤和碳纤增强的预浸料中。而且，我们经验丰富的热塑性塑料回收业务部门能与一些公司合作，采用最好的方法来回收他们在塑料生产中产生的废弃物。”Conn解释道，“这项业务通过定期回收、清洗、升级和转售各种含氟聚合物以及聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺和聚烯烃而节省了宝贵的资源。此外，我们的碳纤维回收业务提供了可订制再生碳纤维增强中间体和半成品的广泛的产品组合，这些努力得到了我们回收碳纤维增强生产废料和报废部件这项服务业务的支持，帮助我们以工业化的规模生产碳纤维增强复合材料，减少排放，从而创造一个更清洁、更可持续的未来。”
SABIC
SABIC活跃于石油化工、化学、聚合物、化肥和金属等领域，其特种业务部门生产纯净的、短纤维增强的和长纤维增强的热塑性塑料，以及耐高温的工程热塑性塑料合金和配混物，其中许多被用于开发单向玻纤或碳纤增强的热塑性复合材料带材以及其他类型的复合材料。该集团还生产热固性聚合物和添加剂，其石油化工业务部门专门从事短纤维和长纤维增强聚丙烯、聚碳酸酯、苯乙烯、热塑性聚酯及共混物/合金的生产。
SABIC的特种业务部门表示，其Noryl改性聚苯醚(MPPE)被用于混合电动汽车的电池盒盖已有一段时间。为满足电池电动汽车更加严格的要求，该公司开发了Noryl和LNP特种配混料中的几种新材料。Noryl GTX MPPE/PA据说可以承受电泳涂装(e-coat)，还能提供-30℃的低温抗冲击性能，经常被用于塑料/金属的混合结构之中。Noryl SA 低分子量双官能团低聚物用作环氧树脂和氰酸酯基热固性树脂的添加剂，能降低介电常数(Dk)和损耗因数，以便在更高频率的应用中提供更好的性能。新的LNP配混料使用了30种基础树脂和超过200种填料的组合包，可以实现特定的效果，包括：LNP Konduit，具有无卤阻燃和低Dk/散逸因数(Df)特性，为电池保持架和电池盒盖提供了射频(RF)信号透明度；LNP Faradex配混料，使用金属纤维来满足电磁屏蔽要求；LNP Stat-Kon则是为吸收电磁波而配制的配混料。
SABIC的石化业务部门表示，其材料也在许多混合电动汽车和电池电动汽车的电池壳上得到了应用。该公司提供的高阻燃短玻纤增强PP 树脂被用于本田汽车公司向中国市场销售的一款混合电动汽车的电池盒盖上。这款电池盒盖于2021年年底首次亮相，是行业中最大的电池盒盖之一。暴露在火焰中时，其所使用的无卤阻燃PP配混料会形成膨胀的焦炭，烧焦行为会导致自熄。这是第一个通过了新的中国GB 18384-2020规范要求的电池盒盖，与金属电池壳相比，这种注射成型的热塑性塑料电池壳实现了40%的减重，同时，功能集成简化了装配，降低了成本。该部件报废后完全可回收。
这款1.6m×1.4m的电池盒盖用于在中国市场销售的一款本田混合电动汽车上，是行业中最大的电池盒盖之一，据说是第一个通过了严格的中国GB 18384-2020阻燃标准要求且没有损失抗冲击强度的聚合物电池壳。含有膨胀型阻燃剂套餐组合的短玻纤PP配混料为提供高的力学性能和制造性能而得到了优化。该部件曾入围2021 SPE汽车创新奖底盘/硬件类竞赛决赛圈，并获得了2022 Silver Edison奖的热力学类别的奖项（上图来自SPE汽车部门，下图来自SABIC）
“我们看到，随着价值链加强了在电动汽车电池包及其单个部件设计上的合作，材料的混合也在发生变化。”SABIC汽车聚合物市场高级业务经理Dhanendra Nagwanshi解释道，“阻燃热塑性塑料有可能在混合物中占有更大的比重，因为它们可以提供巨大的优势，包括固有的耐热性、电绝缘性、膨胀性、轻量化以及有助于降低成本的部件整合和部件取消潜力。此外，它们可回收再利用，并能通过减重而减少对环境的影响。总之，热塑性塑料在电池应用领域的前途是光明的。”
Nagwanshi的团队正在研究的一个领域涉及到电池托盘。“电池托盘因其重量、复杂性和结构要求而更具挑战性。”Nagwanshi继续说道，“我们做了拆解可行性研究，发现采用混合系统带来的好处是减轻了60kg的重量，降低了50%的成本，而且冷却通道被集成到电池托盘中，不仅优化了冷却，还优化了可用的安装空间。热塑性复合材料不仅能显着减轻重量，提高阻燃性和热效率，还减少了电气短路和高压冲击的风险。考虑到可能会有尖锐物体刺穿托盘底部，使电解质溢出并可能引发火灾，我们评估了不同的肋、纤维和阻燃剂的组合，甚至研究了与金属结合的混合系统，以为托盘提供保护。”
索尔维
位于比利时Brussels的索尔维公司生产树脂和聚合物、结构粘合剂和表面处理产品、热固性和热塑性复合材料、碳纤维、复合材料模具及辅助材料，该公司提供用于电池壳的环氧玻纤及环氧碳纤阻燃预浸料已有十多年。
最近，索尔维与英国的汽车设计和工程咨询公司Ricardo Plc合作，完成了一个虚拟设计和仿真项目，该项目以Ricardo Plc制成的一个符合全球标准的采用金属外壳的电池模块为基准，设计了一种多材料的阻燃复合材料电池盒盖和电池托盘。这二者的主结构都可以采用由高面重的玻纤织物增强以及局部由单向碳纤维带加强的环氧树脂或聚苯硫醚（PPS）来制造。除了展示复合材料带来的轻量化机遇外，该团队还想要解决在乘用车中安装大的电池模块的容积效率问题。
“市场对复合材料的认知普遍集中在轻量化上，这一点固然很重要，但并非是使用复合材料的唯一原因。”索尔维特种聚合物、热塑性复合材料、交通运输市场经理Mark Wright表示，“在此项目中，我们不仅要揭示制造商面临的痛点问题，还要揭示大量使用复合材料能给电池壳的设计和性能带来哪些好处。我们回归首要设计原则，重点研究了如何利用复合材料的设计自由度和部件整合能力来提高电池壳内部X、Y和Z方向的容量，以解决众所周知的金属成形在形状和厚度方面的局限性问题。我们还考虑了规避模具成本和环境要求方面的问题。”
以Ricardo Plc开发的全金属电池壳的系统为设计基准，索尔维的多材料热塑性复合材料电池壳主要为高档汽车和中、低产量的汽车而开发。该公司依据关键的力学性能要求，对虚拟设计进行了评估, 包括模态刚度分析和中国的挤压测试等（图片来自索尔维）
基准测试结果显示，与金属设计相比，由于部件整合和更大的设计自由度，使得复合材料电池壳的体积减小了18%，其中45%来自高度的减小。这带来的好处是，可以为安装更多的电池单元腾出空间，从而延长续航里程，或者增加汽车内部的空间，改善乘坐的舒适性。总体上，质量减轻了53%，减重达75kg，组件数量从22减至2个，极大地简化了组装，减少了所需的密封件数量。此外，复合材料的电池盒盖不会腐蚀，并能提供热管理优势。现在，该团队正从虚拟原型转向原型的物理测试，包括力学性能、热失控、防火保护、热管理和EMI屏蔽等方面的测试。
与该设计项目同步，索尔维还在针对电动汽车的电池系统而开展一项雄心勃勃的材料表征研究，这项研究被认为是在热固性与热塑性原料之间的不可知论。该公司正在评估阻燃、拥有高玻璃化转变温度(Tg)的热固性塑料（环氧树脂、酚醛树脂和BMI）及热塑性塑料(PPS、PEEK和PEKK)，看看哪种组合最适合不同车辆类别及先进的空中机动(AAM)飞机上使用的特定电池组件。所评估的这些材料由多种纤维结构形式的玻纤或碳纤进行增强，均来自其自己的产品组合。这些材料经受了高结构载荷测试、挤压测试、侧面碰撞测试、侵入测试、模态刚度测试、阻燃测试以及热失控和热扩散测试等。
“我们的想法是观察这些材料在不同环境中的表现，特别是在以下3个重要方面的表现：防火保护、热失控防护和EMI 屏蔽。”Wright补充道，“我们在考虑短纤维、长纤维和连续纤维的选项，并试图用我们的材料表征方法来覆盖所有的基材。”他表示，索尔维是电池化学原料以及在电池与电池壳之间所用材料的主要供应商，所以目前的研究很可能具有更广泛的意义。“热固性塑料在短期内更容易实施，但热塑性塑料支持高产制造。”他接着说道。
Westlake Epoxy
2022年早些时候，美国Westlake Chemical公司收购了美国Hexion 公司的环氧树脂业务。现在被命名为Westlake Epoxy的公司，是为风能、汽车等行业提供特种涂料和复合材料的全球领先生产商。其环氧树脂和酚醛树脂系统被用于成型复合材料的电池盒盖、电池托盘和其他电池屏障部件，这些部件被用于在北美和欧洲销售的多种商用电动汽车平台上。到2023年，Westlake将实施5个以上的高产量项目。
“我们的Epikote环氧树脂和Epikure固化剂适用于LCM和HP-RTM工艺，Epokote/Epikure 06150和Epokote/Epikure 06170系统专为大幅面连续纤维复合材料部件如电池盒盖和电池托盘的大批量生产而量身订制。”Westlake Epoxy北美汽车业务开发经理Stephen Greydanus解释道，“我们还生产行业领先的酚醛树脂，尤其是我们的Eponol 06921/Epikure 06931/06941系统，提供了独特的阻燃性，并与广泛的增强材料类型和工艺相兼容，如LCM和模压成型的SMC。”
该公司认为，随着汽车制造商寻找能够满足热失控要求的材料，酚醛树脂会越来越受到关注。Westlake 还在考虑将这种聚合物系统用于电池包内部和周围的屏障和隔离系统。
Westlake玻纤/环氧复合材料正在经受1200℃的火焰测试，经过8分钟36秒的测试后，没有被烧穿（图片来自Westlake Epoxy）
“汽车行业人士都很熟悉FMVSS 302（美国联邦机动车辆安全标准302，测试内部材料的可燃性）和UL 94 V-0 （保险商实验室94 V-0垂直燃烧试验）标准，但现在大多数都没有能在极短温度和其他热失控条件下保持完好的金属或聚合物材料的工具箱。”Greydanus 继续说道，“因此，现在OEMs 和供应商们正在新的测试条件下评估新的材料，以为可行的材料建立工具箱。然而，正如航空工业几十年来所了解的，在聚合物材料范围内，酚醛树脂有自己独特的火焰、烟雾和毒性(FST)性能。”他补充说，该公司新的超低甲醛Eponol 06921酚醛树脂，结合Epikure 06931和Epikure 06941催化剂，允许采用一系列的生产工艺高速生产阻燃复合材料，包括模压成型的SMC和LCM工艺。基于热保护性能，该系统正在一个高速项目中被用于制造商用电动汽车的电池壳组件。此外，该公司的Epokote 06710/Epikure 06170环氧树脂系统正被用于采用LCM工艺制造大幅面的结构电池托盘。
“作为树脂供应商，Westlake Epoxy 配制了最新一代的酚醛树脂和环氧树脂系统，适用于SMC、LCM、HP-RTM、拉挤成型和其他生产工艺，能够采用多材料的电池壳设计，覆盖热固性复合材料的许多应用领域。”Greydanus总结道。
新能源复合材料电池（PACK)箱体企业汇总
一、引言
近年来，新能源汽车产业已经成为国家重点发展的战略性新兴产业之一。降低车身重量能有效提升电动汽车续航里程，电池包系统的重量一般占电动汽车整车质量的17%～29%,其中箱体是电池包中除电芯外最重的结构。
二、背景
随着社会发展，全球汽车发展迅速，世界前十汽车保有量如下。
世界铝业协会报告指出,汽车质量每减少10%,油耗可降低6%~8%。大众汽车公司的研究成果认为,汽车质量每减轻100kg,每百公里可节省燃油0.3~0.5L,每百公里CO2排放可减少8~11g。尽管说法不一,但都表明汽车轻量化对车辆节省燃油有直接影响。
图1 电动汽车轻量化对百公里能耗的影响
电池包作为纯电动汽车的核心部件，其质量（包括电池组）一般约占整车质量的30%～40%。对纯电动汽车而言，整车质量下降10%，可减少5.5%的电能损耗，同时增加5.5%的续驶里程。
三、电池包的要求
电池包服役过程中需承受来自地面的各种冲击载荷，箱体结构的强度、刚度及安全性等均会对电池包性能产生影响。包括动态冲击和静态承受力情况。所以要求电池包材料有较好的强度和韧性，有较好的动静态性能。
四、应用分析
碳纤维增强尼龙是金属的理想替代品， 由于结合了尼龙的轻质和碳纤维的机械强度和热性能，碳纤维复合尼龙材料的强度与刚度显着提高，其机械强度甚至超过了3D打印的PEEK和PEKK，在汽车工业中从车辆固定架和仪表等内外部组件到发动机壳体均可以替代金属部件。
不同纤维含量的PA66CF力学性能
PA66CF材料应用于电池箱箱体研究，并与传统金属箱体在颠簸路面急停和急转弯工况下进行了对比分析。某款电动公交车用电池箱模型各部件如图所示，电池箱主体为1010 mm×585 mm×285 mm的类长方体结构。在Abaqus中对电池箱上下箱体、电芯与内部支架、下箱体与内部支架、下箱体与托架、上箱体与垫条连接处建立Tie连接，在两块电芯、电芯与箱体、电芯与垫条之间建立surface-surface接触。
电池箱网格模型
颠簸路面急停工况分析
金属、PA66、PA66CF10、PA66CF20和PA66CF30电池箱在颠簸路面急停工况下计算得到的位移云图。金属电池箱最大应力出现在托架螺栓孔位置，PA66电池箱、PA66CF10电池箱、PA66CF20电池箱、PA66CF30电池箱最大应力都出现在托架螺栓孔位置和内部中间支架与电池箱连接位置。PA66电池箱体最大应力为24.5 MPa, PA66CF10电池箱体最大应力为25.9 MPa, PA66CF20电池箱体最大应力为29.5 MPa, PA66CF30电池箱体最大应力为31.7 MPa, 均未超过材料强度。
颠簸路面急停工况电池箱仿真结果
颠簸路面急转弯工况分析
金属、PA66、PA66CF10、PA66CF20和PA66CF30电池箱在颠簸路面急转弯工况计算得到的位移云图如下。金属电池箱最大应力出现在托架螺栓孔位置，PA66电池箱、PA66CF10电池箱、PA66CF20电池箱、PA66CF30电池箱最大应力都出现在托架螺栓孔位置和内部中间支架与电池箱连接位置。PA66电池箱体最大应力为44.1 MPa, PA66箱体最大应力为23.8MPa, PA66CF10箱体最大应力为25.6MPa, PA66CF20箱体最大应力为26.8MPa, PA66CF30箱体最大应力为29.4MPa, 均未超过材料强度。
位移方面，基于行业经验提出，电池系统静态分析在Y向3 g加速度工况下，要求最大变形量不超过3mm, PA66CF各含量电池箱在典型工况下位移均满足要求。
应力方面，PA66电池包系统在箱体减重85.5%的基础上，最大应力增加了26.6%和26.4%,箱体最大应力减小了54.8%和46.0%.
颠簸路面急转弯工况电池箱仿真结果如图:
综上所述，和金属箱体相比，PA66CF材料箱体质量减轻84%的同时，在颠簸路面急停和急转弯工况下，箱体最大应力减小了30%～50%;同时在上述工况下，碳纤维含量的增加能显着减小箱体最大位移，对系统最大应力和箱体最大应力影响较小，随着碳纤维含量的增加，PA66CF电池箱箱体最大位移和系统最大应力逐渐减小，箱体最大应力逐渐增大。
五、结论分析
不同纤维含量的PA66CF力学性能，结果材料性能都在实验条件下的承受极限之上。
和金属箱体相比，PA66CF材料箱体质量减轻84%的同时，在颠簸路面急停和急转弯工况下，箱体最大应力减小了30%～50%。
在颠簸路面急停和急转弯工况下，碳纤维含量的增加能显着减小箱体最大位移，对系统最大应力和箱体最大应力影响较小。
六、应用案例
苏州挪恩复合材料公司专注碳纤维箱体结构，不仅具备设计生产多种碳纤维箱体结构产品的经验，还为某军工单位研发生产具备电磁屏蔽功能的设计机箱，在碳纤维箱体结构方面实力雄厚。
(1)以挪恩复材为某知名汽车厂商定制的某款碳纤维动力电池箱部件为例，该款碳纤维复合材料动力电池箱体的重量仅为3kg，与传统钢结构材料制作的电池箱体相比大约能减重60％，在强度和荷载力上同样能达到相关的技术要求，更重要的是，因为车体下方的运行环境恶劣，该款碳纤维电池箱体展现出的抗腐蚀、防水、阻燃、使用寿命长等性能可以很好地应对和解决这些问题。
新能源汽车动力电池包壳体材料SMC，吉利，长安，广汽，传祺等都在用。
(2)帝豪EV450电池箱体上盖采用的是先进的SMC复合材料，SMC复合材料优势明显，因为它的比强度是钢材的4倍，同时重量还轻，并且更加耐腐蚀、防水，更适合作为替代材质。
(3)前途汽车K50每个标准电池箱由60个电芯组成，电池箱采用高强度SMC复合材质，较金属材质减重15%。
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电动汽车市场为长纤维复材带来哪些新机遇？
长纤维热塑性塑料（LFT）长期以来一直用于汽车工业，特别是基于聚丙烯（PP材质）的产品，它们具有重量轻、强度高和设计自由的特点，可以在某些结构应用中取代金属。
电动汽车的发展加速了人们对轻量化的兴趣。汽车制造商希望减轻重量以扩大续航里程，因此正在重新考虑一些熟悉部件的材料选择——前端、天窗框架等。然而，电动动力总成对车辆设计的影响也带来了新的零部件机会。
塞拉尼斯公司（Celanese）是LFT材料领域的领导者之一，拥有Celstran和Compel产品线。根据Celanese德国汽车OEM现场开发工程师Olaf Herd的说法，出于轻量化和碳足迹的原因，LFT材料在应用于汽车外部和内部部件方面都有潜力。
他表示，聚丙烯（PP）基化合物通常被考虑用于与碰撞相关的应用，如前端，以及尾门和座椅等结构部件，这些部件的机械和尺寸性能必须与良好的外观、低气味和低排放相结合。基于聚酰胺（PA，尼龙）的LFT则通常被认为是需要更好的耐热性的高应力功能部件。
在一些项目中，成本可能是一个问题，因为必须准备好LFT注塑工艺和工具来处理高度增强的模塑化合物。此外，在考虑使用LFT材料时，说服工程团队使用正确的材料数据卡也会有困难，然而，这对于确保在项目开始时进行正确的模拟和分析工作很重要。
然而，随着OEM和一级供应商对LFT材料的使用越熟悉，也就越有信心。
LFT材料的性能也在持续改进。高性能碳纤维增强PA基质树脂复合材料已经有了广泛的应用，但Herd认为人们有兴趣将钢纤维纳入LFT材料中，以提供固有的EMI屏蔽，并利用天然纤维和回收材料来实现可持续发展目标。由于汽车内饰对TVOC（总挥发性有机化合物）和气味规格要求很高，后两者在汽车内饰应用中都具有相当大的机遇与挑战性。
看到机会
汽车行业的潜在机遇对Teknor Apex公司来说非常有吸引力，公司计划进军LFT领域。该公司表示：“对于内燃机汽车来说，最常见的金属替代机会是引擎盖下的部件，而LFT通常不太适合。随着电动汽车占据越来越多的市场空间，汽车的重量分布也发生了巨大变化。这不可避免地导致原始设备制造商将重点放在更大的零件上，这些部件需要提高冲击韧性以及高刚性和刚度。这就是LFT在未来发挥关键作用的地方。”
该公司将在今年晚些时候推出其首款LFT产品。Teknor Apex公司表示：“标准聚丙烯和聚酰胺基LFT化合物的目标是在今年内推出。在不久的将来，我们希望通过可持续聚合物、部分芳香族聚酰胺和阻燃LFT等级，继续扩大特种LFT产品的组合。我们还看到了LFT等级与我们市场领先的交联技术和2K成型等相结合的有趣机会。”
与此同时，从运动休闲到工业零部件，主要的非汽车市场对更轻、成本更低、性能更高、更可持续的零部件的需求正在增长。这些应用中许多都需要更高性能的基质树脂，这些树脂具有针对性的利基特性，这是Lehmann & Voss 公司LFT业务几十年来的一部分。
“我们已经生产LFT近30年了。”该公司营销总监Thomas Collet说，“它始于非常特殊的利基应用。我们生产的第一批产品已经用润滑剂进行了改性，用于摩擦基体材料。”
Collet表示，公司许多年前就已经发现，利用LFT制造摩擦优化的部件具有相当大的优势，因为其所具备的机械强度，特别是在高温下，对于提高性能非常重要。
Collet说：“从那时起，我们开始寻找其他特殊的改性材料，如非常高的抗冲击性。LFT具有非常好的抗冲击性能，但我们仍然对其进行改性，以进一步提高抗冲击性”。他引用了该公司去年在K展会上展示的航空发动机燃料喷嘴手柄的例子，标准的长纤维聚酰胺还不能符合这种性能要求。
虽然这种小众材料是为了高性能而设计的，但这并不意味着它们一定是昂贵的选择。Collet说：“在许多情况下，高性能意味着只比现有的性能多一点，但不会超出您的需求。使塑料在更多应用中成为可能——这是我们利用复合材料的目的，对于我们的LFT产品也是如此。”
汽车是传统聚丙烯（PP）基LFT的主要应用市场，但是，Lehmann & Voss公司并没有把汽车作为其主要目标市场，尽管公司也拥有汽车LFT方面的产品。
Collet 表示：“我们感兴趣的性能领域包括聚酰胺 12、66 等，还有生物基材料。在高性能聚合物方面还会有更多的研究，这些材料将会更小众，但非常有趣。PPA和高温聚合物是我们的兴趣所在。”
Collet认为，Lehmann & Voss等复合材料公司由于其规模和灵活性，在专业LFT领域处于良好的发展地位。此外，专业复合材料制造商还拥有市场知识，了解LFT将在哪些方面能为客户带来改变。公司最终用户的多样性强化了这一洞察力。“我们在自行车上应用了聚酰胺410，自行车领域对我们来说是一个非常有趣的LFT市场。”Collet列举了其在工业、体育和休闲等多种市场的应用，在这些市场上，公司为滑雪板和自行车部件提供材料。“随着消费者对碳足迹越来越敏感，未来，复合材料制造领域的每个人都必须开发碳足迹数据，这就是我们已经在做的。”
金属替代
另一家在LFT材料领域取得进展的专业复合商是Feddersen集团公司旗下的Akro-Plastic公司。“LFT化合物具有优异的机械性能，因此非常适合金属替代和轻量化，从而降低碳足迹。”该公司全球销售总监兼创新总监Thilo Stier说，“他们非常符合市场需求。”
Stier表示，汽车、运输和工业是该公司最感兴趣的市场，减重是主要驱动力。“与具有短纤维的相同配方相比，极高的机械性能变得更好。例如，能量撞击吸收的影响要高出两到三倍。”
虽然LFT仍然是一种比短纤维化合物更昂贵的材料选择，但他表示，极大的性能提升和可持续性相结合，会对许多最终用户具有吸引力。他重点介绍了基于生物可再生聚丙烯的可持续配方，以及高性能共混物，如该公司的聚酰胺/聚丙烯共混物LFT，旨在提供PA型性能，并显着降低碳足迹。
Stier还将其在LFT中的IP视为差异化因素。“我们最大的优势是与我们的姊妹公司Feddem共同开发的生产线。这使我们能够提供更为广泛的特种LFT产品。PP/玻璃纤维目前主导着LFT市场。而我们的主要市场是尼龙、PPA 和混合系统。”他说。
在去年年底的德国K展会上，Akro Plastic展示了一个用于固定2公斤重的电动汽车动力装置的支架。该零件采用Akromid Lite PA6/PP LFT成型，由40%的玻璃纤维增强，比以前的铝部件减轻了40%的重量，比基于PA6的LFT级别减轻了8%。
在可持续发展领域，该公司展示了由Akrolen Next PP LFT制作的KTM FE 350 2022摩托车的座椅底座。这一材料由10%的长玻璃纤维增强，使用基于废油残渣的可再生PP生产，据说碳足迹为负的二氧化碳当量。
为Ziehl Abegg开发的风扇轮使用了40%玻璃增强的可再生PP LFT，其二氧化碳排放量相当于0.5kg，是石化产品的三分之一。
监督生产
除了向Feddersen集团的姐妹公司Akro-Plastic提供LFT生产技术外，复合机械制造商Feddem还为其他复合公司提供生产线。据业务发展经理Klaus Hojer表示，该公司目前看到既有LFT制造商希望补充或更新其设备，也有潜在的新参与者考虑在该领域实现多元化。
Hojer说，LFTs在满足当今的两个关键需求——轻量化和可持续性方面还有很长的路要走。他说：“与短纤维材料相比，由于其强度的提高，LFT化合物可以在注塑件中降低壁厚，或者通过减少化合物中的纤维含量来减少较轻的部件，而不会牺牲强度。”
“考虑到循环经济，LFT提供了在零件使用寿命结束后再次利用材料的选择。这是各个行业从热固性复合材料转向LFT的巨大动力。”他补充道。
使用工程塑料和替代纤维增强材料可以增强LFT材料的强度和耐温性，从而加大金属替换的机会，同时注塑模具零件的能力提供了更大的零件设计自由度，并消除了机械加工和精加工的需要。
在生产系统方面，Hojer表示，Feddem的主要目标是提高自动化水平，以高生产率、行业领先的纤维含量和浸渍控制、可靠地制造高质量的LFT材料。
该公司决定将挤出机与粗纱处理平行，这样可以减少生产线的总体占地面积。Hoyer说：“一条生产1000公斤/小时化合物的LFT生产线只需要2.6米的宽度，这使得它符合短纤维增强化合物的标准复合生产线的空间要求。”
最近提供交钥匙LFT生产技术的公司是德国的IPS智能造粒解决方案。公司董事总经理Simon Weis表示，由于对最终应用的要求越来越高，对LFT的兴趣正在增长。“长纤维增强聚合物将可能的金属替代品的范围扩展到新的苛刻应用领域。与它们的短纤维产品相比，LFT能够达到相同的性能，即使在更高的温度下。”
尽管IPS是LFT生产线的新手，但它在造粒系统设计和开发方面有着悠久的历史，最近推出了自己的双螺杆挤出机生产线。“我们收到了很多询问，对我们产品的兴趣也在上升。IPS的优势在于灵活性、客户服务和定制的智能解决方案。我们的客户很欣赏我们的可访问性和快速反应时间。我们能够在单机和IPS-LFT HP系统等完整系统中保持这种优势。”Weis说。
除了经过验证的造粒技术外，其LFT生产线还配备了一个展开模块，该模块经过设计，可在每个卷绕点提供严格的张力控制。这使其能够处理多种纤维类型。Weis预计，对混合生产系统的需求将增加，该系统可以将玻璃纤维和碳纤维组合在一条LFT产线中，以达到性价比目标。IPS-LFT-HP生产线还包括一个浸渍模块，用于处理PP、PA和PPA树脂，只需更换模板即可。
聚酮基 LFT
去年年底，Avient宣布扩大其Complet LFT产品系列，包括基于聚酮（PK）的版本。Complet PKE产品有望吸引在苛刻的寒冷环境中寻求极佳机械性能的客户，他们可以提供PA和POM基化合物的替代品。
Complet PKE系列还包括2021年推出的Edgetek? PKE和LubriOne? PKE聚酮基材料。它们都是半结晶的，具有良好的耐化学性、低吸湿性和与PA66相似的尺寸稳定性。该等级还提供减少的碳足迹：Avient声称PKE的碳足迹比PA66少61%，比PA6少46%。
Avient公司PlastiComp部门总经理Eric Wollan称："这一成果展现了我们对石油天然气、运输和工业行业客户需求的积极响应。这些客户希望为管道、管材、流体管理等寻找在低至-22℉的情况下仍然能够保持性能的新一代工程材料。我们很高兴能继续为我们的客户提供新的材料选择，帮助他们满足特定的性能要求和实现可持续发展目标。"
Complet PKE系列可提供含有30%-50%长玻璃纤维的不同等级材料，允许客户定制性能要求应对某些特殊要求。
这些产品在美国制造，可供应全球。Avient去年还扩展了其含有回收树脂的Complet REC LFT生产线。原来以PA6为基础的等级现在加入了基于PA66和TPU基树脂的版本，新配方使用后的回收水平不同——聚酰胺66（PA66）的回收成分为25%到100%，热塑性聚氨酯（TPU）的回收成分为25%到75%。
Wollan表示，新等级延续了Avient对可持续解决方案的承诺。它们的性能与基于原始树脂的标准PA66和TPU LFT相当，并在全球范围内提供黑色和自然色，并使用玻璃纤维、碳纤维和混合纤维增强系统。
日本的Polyplastic公司去年推出了Plastron LFT系列，该系列由配方再生纤维素纤维增强。该公司表示，再生纤维素纤维是一种轻质增强材料，因为它们是通过专有的溶剂湿法纺丝工艺作为连续纤维生产的，因此非常适合用于LFT生产。
该公司表示，其测试表明，与玻璃增强PP LFT具有相同弯曲模量的纤维素增强PP LFT树脂的密度降低了约5%—40%纤维素增强LFT的密度为1.06 g/cm3，而等效玻璃LFT为1.12 g/cm3（图1）。据说纤维素增强产品还显示出更好的夏比冲击强度、拉伸强度和弯曲强度（图2）。
表1：纤维素增强PP-LFT树脂和同等玻璃纤维增强等级的密度和弯曲模量的比较。
表2：30%短玻璃纤维增强PP和40%纤维素纤维增强PP-LFT的主要性能比较。
后尾箱门解决方案及其他
据Borealis称，LFTs已应用于许多汽车后尾箱门中，但为大众最新Multivan开发的全热塑性设计是迄今为止最大的。该公司与一级供应商麦格纳（Magna）一起，围绕其Fibremod PP LFT技术，为这家汽车制造商开发了该部件。
尾箱门由许多部件组成。外部框架和内部零件均采用Borealis的Fibremod GB416LF注塑成型，然后粘合在一起。涂漆的外部零件也粘在尾门结构上。该部件符合大众汽车苛刻的静态和动态负载要求，并符合其对排放、起雾和气味的限制。
Fibremod GB416LF 专为用于尾门托架和可见结构部件而量身定制。这种40%玻璃纤维增强的低排放材料的弯曲模量为8500 MPa，夏比缺口冲击强度为28 kJ/m2, 热变形温度（HDT）为160°C, 熔体流动速率（MFR）为2g /min（230°C/2.16kg），密度为1.24 g/cm3。能够满足严格的排放和机械性能要求。使用 Fibremod GB416LF 还可以消除额外的表面处理步骤，例如喷漆。
在Inalfa Roof Systems Korea与LFT生产商GS Caltex Corporation为现代集团开发的天窗框架中，可以看到LFT技术在生产大型零件方面的另一个新应用。该零件适用于2022车型年款起亚索兰托和现代集团的其他一些车型，在2022年北美SPE汽车奖竞赛的车身外部类别中获得第一名。
用于该部件的基于PA6的LFT结合了两种新技术。首先，它使用了扁平玻璃纤维增强，据称能够提供更高的尺寸稳定性和比传统可再生纤维低10倍的翘曲。其次，它使用了GS Caltex的加捻拉挤成型LFT生产技术，据称该技术可以实现比实际切割颗粒长度更大的纤维长度。
开发人员表示，将零件从金属转换后，重量减轻了51%，并将零件总数从33个减少到4个。40%扁平玻璃增强部件的翘曲类似于具有20%碳纤维增强的基于PA6的LFT，但成本降低了24%。
去年，沙特基础工业公司（SABIC）宣布，公司与中国主要货车制造商东风汽车合作，开发出一种用于生产坚固而且轻量化的车载工具箱新型复合塑料混合解决方案。该应用混合了SABIC的 STAMAX? 长玻纤聚丙烯树脂和一种连续玻纤复合层压嵌件，采用双色注塑工艺生产。与类似设计的钢制零件相比，采用该方案生产的成品零件重量减轻了30%，并有效提高了东风汽车的生产效率。
混合生产工艺将预先成型的单向增强聚丙烯复合带（本例中由中国江苏奇一科技公司生产）放入模具中，然后用Stamax LFT进行二次成型。插入件为零件的关键区域增加了刚度和强度，使得能够在应力较小的区域使用薄壁，从而进一步减轻重量。
与卡车工具箱应用的传统材料钢相比，SABIC的塑料复合材料混合解决方案扩展了设计选项，实现了零件的整合，并避免了可能增加成本和阻碍大批量生产的二次操作。
采用塑料复合解决方案生产的卡车工具箱重量减轻了约30%（4-6千克），同时还保证了应用所需的刚度、韧性和强度。SABIC ETP和市场解决方案总经理Abdullah Al Otaibi表示：“通过结合两种不同的材料，我们的解决方案显着提高了产品性能和可加工性。目前这种复合材料技术已通过生产验证，并开始在东风汽车量产，我们希望未来有更多汽车领域的应用可以受益其中。”
除了卡车工具箱外，STAMAX树脂混合解决方案适用的汽车应用还包括尾门、座椅、前端模块以及电动汽车的电池外壳等。
复合材料电动汽车电池包轻量化设计要点
在新能源电动汽车中，电池是重要的组成部分，传统电池包结构一般是由钢材或铝材制作而成，电池包结构重量大，降低了电动汽车的续航能力，所以应通过实验对汽车电池包的管理系统进行验证，有效监视电池包自动管理模块的充电或放电功能，从而提高电动汽车电池包轻量化设计的使用寿命，提升其动力性能。因此，设计人员需要设计一种新型的复合材料电池包，以促进电动汽车综合性能的提升。
1 复合材料概述
1 . 1 复合材料
复合材料是一种新材料，打破了单一材料组分性能的限制，具有较高的设计灵活性，能有效满足复合材料优化电池包箱体设计轻量化的需求。同时，设计人员可结合汽车噪声振动实验，整合复合材料的最大节点，设计相关的电池包轻量化性能，构建多目标优化方程及单元的目标函数，从而完成优化电池箱形貌的方案，有效保障电池箱地板结构的合理性。复合材料并没有明确的分类，若按照组分进行分类，复合材料可以分为增强体和基体，前者的选材主要有纤维、颗粒和片材，后者的选材主要有石墨、有机聚合物以及金属等；若按照性能进行分类，复合材料可以分为常用复合材料，主要有环氧树脂基复合材料以及先进复合材料，主要包含金属和碳纤维等复合材料；若按照用途进行分类，复合材料则可分为结构复合材料，主要用在主承力部件当中，还有功能复合材料，主要用来实现一些功能。
1 复合材料概述
1 . 1 复合材料性能特点
第一，具有良好的力学性能。随着人们对节能环保越来越重视，所以复合材料在汽车轻量化设计理念中应以优化节能技术为目的.兼顾质量及成本，以促进经济效益的提升。复合材料更加重视材料的力学性能，并且对部件结构具有较高的轻量化要求，这也是对材料评判的关键指标之一。为了提升现阶段电动汽车电池盒的等效刚度设计效果，设计人员可以利用复合材料的力学设计方程，设置相关的电池包参数，从而利用复合材料代替汽车金属材料的零部件，达到有效轻量化设计的目的。因此，这就能充分体现出复合材料的优势，其不仅具有更高的强度，而且也具有优异的吸能性能。
第二，设计自由度较高。在现阶段，层合板型复合材料的应用比较普遍，这种复合材料具有非均匀性，并且具有鲜明的各向异性，所以也具有较高的设计自由度。在进行铺层设计的过程中，设计人员应充分考虑到纤维方向，并结合构件的承载方向，这样才能在充分发挥材料作用的基础上，促进材料承载能力的提升。
第三，具有较强的耐腐蚀性和抗疲劳性：根据相关研究显示，复合材料的疲劳特性会对其断裂情况产生影响，所以这种材料一旦发生断裂，就会在层面上进行发散。同时，由于复合材料大都选择一些具有优质防腐性能的化学材料基体，所以将其应用到电动汽车领域，具有良好的实际应用效果。
第四，成型丁艺选择多样化。复合材料可以同时完成材料和结构成型，所以可以将其应用到一些比较复杂的构件的一体化成型当中在当前阶段，技术飞速发展，复合材料成型工艺也更加多样化,如喷射、热压罐和挤压等m。在实际选择相应T.艺时，设计人员应考虑到多方面因素的影响，如部件特性和材料种类等，这样才能保障使用T.艺的合理性：相较于传统材料而言，复合材料具有较大的轻量化优势，已经被应用到多个领域当中，如航天发动机部件上、海上结构物上以及汽车上。在传统T.艺中，设计人员一般都是将复合材料应用到比较昂贵的车辆上，但随着技术的发展，当前复合材料已经可以被应用到普通车型上：并且随着电动汽车的发展，复合材料的应用将会越来越普遍。
2 电池包轻量化设计的必要性
首先，电动汽车的动力主要来源于电池包，也就是电池系统，其中包含电池包结构、电池模组和电池管理等多个系统部件电池包壳体结构直接关系着整体电池系统的性能，主要通过减重来实现轻量化设计，可以保障动力、加速、刹车、负载牵引、尾气排放、燃油经济性等功能。随着电动汽车的不断发展，人们对其续航性能提出了更高的要求，要想满足人们对电池包续航的需求，就要加大电池模组容量，这样不仅会增加电池包的重量，而且也会提升电池系统的成本因此，设计人员需要对电池包进行轻量化设计，在不影响其整体重量的基础上.提高汽车的续航性能。
其次，碳纤维复合材料可以满足电动汽车轻量化设计的材料标准，通过连接电池包筘体，解决接头设计问题，提高复合材料在电池包轻量化设计中的应用效果，整合碳纤维或铝合金结构设计，促进车身材料功能的多元化发展。同时，还可以解决不同的接头性能差异问题。
3 复合材料电动汽车电池包轻量化设计要点
3 . 1 整体设计
在对电动汽车电池包进行轻量化设计的过程中，设计人员应将续航能力的提升当作重点内容，并加强对机械安全的重视在设计的过程中，设计人员应从不同角度对电池包进行完善，通过设计复合材料超声波焊接技术，增强复合材料金属的强度，减汽车工艺材料少接头形成的缺陷以及搅拌摩擦点焊接头的失效，全面提高复合材料的强度及耐力性，采用化学性质设计复合材料的形式与比例，通过分布与组合新材料，提升传动轴内部构件的抗压力与抗阻力，如防火阻燃性和机械碰撞性等：同时，要根据应用需求.结合电池包与地面的距离，以及电池模组的尺寸，合理确定复合材料的刚度性能，并且确保其变形能够满足设计需求。在IP防护中，设计人员要保障电池包结构能够符合防水等相关要求在防火阻燃方面，设计人员应考虑使用具有较高等级的阻燃材料，并合理使用相应的塑胶零件，并通过镀层等工艺操作，加强防火性能，避免电池包发生腐蚀。
3 复合材料电动汽车电池包轻量化设计要点
3 . 2 上盖板与下箱体设计
首先，为了满足轻量化设计要求，应将电池包上盖板的材料改为SMC复合材料。这种材料的厚度选择比较自由,能够在满足模态频率的基础上，达到减重的目的。在实际进行设计的过程中，设计人员应研究相关材料的静力学和进行模态分析，并且以电池箱的等代设计为依据，不断进行优化与迭代在对受载承、受压力的上盖板设计时，设计人员应降低共振频率，这样才能达到优化形貌、强化功能的优化设计尺寸，从而改善碳纤维复合材料的使用工况，提升综合性能，以及进一步优化层合板的厚度，确定层组次序最佳的铺层次序，达到电池包上盖板与下箱体设计的轻量化设计效果电池包上盖板还需借助螺栓来实现与下箱体的连接，所以要保障连接的可靠性，并确保下箱体表面的平整度。电池包下箱体不仅受载情况比较复杂，而且工作环境也比较恶劣，因此设计人员在选择材料时，最好选择碳纤维材料。
其次，在对下箱体进行结构设计时，应有效控制车身和车架等部分的连接，保障连接的固定性，这样才能满足其机械性能需求。要达到这一目的.设计人员可以通过加强支架来实现，根据电池包的重量情况，一般要对称布置8个以上的支架。通过对下箱体的结构进行改善，整体设计质量能得到显着提升。
最后，通过加强支架，电池包的刚强度可以得到强化，一旦处于极限工况下，支架还具有加强防护的作用：因此，为了优化设计，设计人员可以对下箱体进行支架设计如车辆在发生侧碰时，设计人员可在下箱体设置横梁，以有效强化电池包的整体性能在布置横梁时，要考虑到各种工况，再进行合理化的设置。
3 复合材料电动汽车电池包轻量化设计要点
3.3 碳纤维复合材料特征
根据碳纤维复合材料的特征，为了保障其设计应用效果，设计人员应对其进行铺层设计，这样也能确保该材料充分发挥自身的力学性能优势，提升设计效果。设计人员在实际进行铺层设计的过程中，首先应选择不同角度的标准角，每个角度最多进行两层连续铺层，这样才能防止出现裂纹。同时，要合理控制紧挨着的两个铺层的角度，对于方向不同的铺层，其占比应处于10%~60%之间，并设置层合板中面，以免影响结构的屈曲强度。其次，对于角度相同的铺层，应使其保持对称，并确保铺层数量相同。如果没有条件实现对称设计，也要尽量缩减该铺层与中面之间的距离，以免出现更多分层，影响整体设计效果。碳纤维材料的铺层应与纤维方向保持垂直，并且相邻铺层在过渡时，不应在同一个位置出现断头。最后，在进行铺层拼接时，应增加圆孔设计，并确保其半径不能小于6mm,这样可以降低纤维发生断裂的概率。
3 复合材料电动汽车电池包轻量化设计要点
3.4 空间设计
为了提高电池包的续航性能，设计人员需要在轻量化设计中尽量提升电池模组的承载力。一般情况下，对于电池包的前后两端，应保持30mm以上的距离，同时上盖板也要与车身保持合理的距离，最好超出15mm。要想提升电池包整体的应用效果，设计人员应基于轻量化需求，科学地进行空间设计，对相关性能指标进行优化设计。
3 复合材料电动汽车电池包轻量化设计要点
3.5 连接方式
传统电池包设计中往往使用的是钢材和铝材等材料，设计人员在对各部件进行连接时，需要使用焊接的方式。而在使用复合材料的情况下，则不能采取以往的连接方式，而是可以将胶连接和铆接方式结合在一起，这样不仅能够实现完整连接，而且还能充分发挥复合材料的优势。同时，胶结可以增强相应部位的抗疲劳性能。
3 复合材料电动汽车电池包轻量化设计要点
3.6 结构优化
在对电池包进行轻量化设计的过程中，结构优化是其中重要的一个环节。在该阶段，设计人员应基于设计要求，对复合材料的形貌进行优化，降低其整体重，这一环节也被称作铺层形状优化。为了降低电池包的重量，节省成本，设计人员应根据车辆的受载情况，结合具体的机构件厚度，不断优化铺层结构。在此基础上，设计人员还可以对结构进行进一步优化，即尺寸优化，并将各铺层与模组架关联起来，在保障基本性能的基础上，将材料变更为铝基复合材料，这样就可以减少铺层数量，降低资金消耗。
3 复合材料电动汽车电池包轻量化设计要点
3.7 电池包建模
为了提高电池包整体设计质量，优化电池模组性能，设计人员需要对其进行建模，对箱体结构进行优化，消除边界连接处的一些细微特征，并对其抽中面进行几何优化，并根据汽车零部件的情况，按照相应标准对单元尺寸进行网格划分。为了提升建模分析效果，设计人员应确保单元尺寸设定的合理性，将上盖板和下箱体通过螺栓进行连接，对其进行建模。为了有效控制电池包.也可以采用单元连接的方式。设计人员应基于轻量化设计来选择复合材料，综合分析各种工况下复合材料的强度，从而提升整体设计水平。同时，通过对电池包性能和结构等约束条件进行优化，整体设计效果也能得到显着提升。此外，设计人员要想有效提升复合材料的运行效果，则应对选择的复合材料进行验证，对其参数进行分析，并分析其与静力动态之间的关系，确保相应参数的准确性。
综上所述，复合材料在电池包结构中的设计应用，能够减轻电池包结构的重量推动新材料技术在电动汽车领域的发展，也对促进低碳社会的构建有着积极的影响。因此，应重视电动汽车电池包的轻量化设计，提高电池包的实际应用效果，优化复合材料的结构，为电动汽车的进一步发展提供保障。
作者：成 进
来源：《汽车工艺材料》
碳纤维复合材料在汽车轻量化领域中的应用进展
摘要：在“碳中和、碳达峰”目标的驱动下，汽车行业正朝着电动化和轻量化方向发展。轻量化是汽车行业节能减排的重要途径，其中碳纤维复合材料是最具发展前途的轻量化替代材料。主要介绍了近年来碳纤维复合材料在传统燃油车以及新能源车的应用及其发展现状，并详细阐述了碳纤维复合材料的优势，同时对碳纤维材料在汽车各部位的轻量化效率进行了深入分析。
作者：段文1，孔祥鑫2
1. 一汽-大众汽车有限公司，吉林长春；
2. 吉林工程技术师范学院数据科学与人工智能学院，吉林长春
碳纤维增强树脂基复合材料是一种由碳纤维和树脂基体组成的一种高强度复合材料。其中，碳纤维骨架作为增强相，具有轻质高强?高热导?低热膨胀?耐化学辐射等优良特性，热固性树脂或热塑性树脂作为连续相起到连接的作用[1]。研究表明，相比于传统的金属材料，碳纤维复合材料在密度?强度?韧性等诸多方面具有明显的优势[2-6]，因而在航空航天?风电领域?体育休闲?汽车工业以及建筑材料领域具有广泛的应用。随着世界范围内对低碳出行和绿色能源达成的共识，我国也将燃油车的节能减排以及新能源汽车的开发作为降低碳排放?改善全球气候问题的重要举措。其中，轻量化技术是汽车降低油耗?减少排放，以及新能源汽车提升续航里程的最有效途径之一。经统计，汽车质量每减少100kg，可节省燃油0.003~0.005L/km，减少CO?排放0.08~0.11g/km，加速性能提升8%~10%，制动距离缩短2~7m[7]。
目前，城市投入使用的12~16t电动城市客车，其车身每减重100kg，将降低0.55%的能耗，并提升0.55%的续航里程。另外，减少汽车的质量还可以减轻悬挂系统的负担，有效地提高舒适性，进而降低对悬挂系统的要求，减少对整车装备质量需求[8]。虽然碳纤维材料具有较高的轻量化效率，其机械性能和加工性能也完全满足工业化生产的要求，但受制于材料的成本压力，与实现大规模应用还存在一定的距离。
01 碳纤维复合材料的优势
目前来看，碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)用于汽车轻量化的优势主要体现在以下几个方面：
（1）碳纤维的比重一般为钢材的25%，CFRP的抗拉强度可以达到钢材的7倍以上，抗拉弹性模量也高于钢材。CFRP的比强度可达到2000MPa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度大约为60MPa/(g/cm3)，因而其轻量化效果明显。
（2）碳纤维复合材料是通过碳纤维和树脂经过复合工艺制成的一种多组分材料。由于树脂基大多为热固性或热塑性材料，与固化剂作用时可形成三维网络状结构的固体，之后通过纤维缠绕?拉挤成型?树脂传递模塑?真空导入成型?预浸料模压?热压罐工艺等方式一次成型，大大提高了材料的集成度。因此，能够有效减少零部件数量。此外，合成模具可设计性好?造型自由，实现流线型曲面的成本比较低。
（3）碳纤维复合材料振动衰减系数大?吸振能力强，能够达到减少振动?降低噪声的作用，从而增加乘坐的舒适度。其冲击吸收性能是金属的5倍，能够提高碰撞过程人员安全性，减振性能优异。
（4）碳纤维材料的生产过程已经基本实现了高度的机械化。机器人的大量使用确保了整个生产过程的自动化，人工操作的过程仅局限在最低程度，不仅明显提高生产效率?减小制造误差，人力成本也得以大幅降低。另外，碳纤维材料的生产方式采用大量的模压和黏结工艺来代替冲压和焊接，颠覆了传统汽车的生产流程，不仅生产安全性得到提高，而且规模化生产成本也在可接受范围内[9-10]。
02 碳纤维复合材料
在燃油车中的应用一台总质量约为1.5t的汽车，其车架质量约为600kg，占整车质量的40%；发动机和传动系统均为100kg左右，占整车质量的8%；内饰?座椅各占5%；其余为各种电器?玻璃?轮毂等装备。为了满足汽车轻量化的需求，现有部分厂商已经开始将碳纤维材料应用于不同部位以实现汽车零部件的有效替代。下面将从车身?发动传动系统?轮毂等方面分别介绍碳纤维材料的应用现状[11-17]。
03 碳纤维材料在车身上的应用
作为占据整车质量高达40%以上的主体部件，车身不仅起到支撑整体结构的作用，还要保证行驶的安全性。因此，良好的车身强度和抗扭刚度是车身材料所必须具备的，同时也需要维持舒适的驾驶体验。另外，车门部件还要尽量减少车门下垂形变和永久性形变，A?B?C柱与门槛部位则要保证整体结构的力学性能。保险杠部位要有良好的耐冲击性能[7，18]。
早在2003年，Daimler Chrysler公司推出的Dodge Viper型跑车首次在汽车挡板中采用了CFRP，减重18kg。不久之后，英国的莲花跑车在车身底座中使用一体成型的CFRP材料，成功替代了16个金属组件。到了2011年，兰博基尼推出了Murciélago替代车型，该车采用了全碳纤维复合材料单壳体车身，质量仅为145.5kg。2014年开始，宝马分别在i3和i8的车厢主体的Life模块?第六代7系的部分车身以及全系的A?B?C柱与门槛等部位采用大量的CFRP与钢或铝合金组成混合结构，在实现轻量化的同时又能有效保证车辆整体结构的力学性能。与此同时，Volvo的Polestar车型的上边梁?奔驰SLR跑车的前纵梁?Alfa Remeo4C的车架结构?引擎盖也均采用了CFRP部件。梅赛德斯-奔驰SLR跑车上由CFRP材料制成的两根纵梁可以彻底吸收正面碰撞时产生的能量，从而保证乘客厢的结构基本不受影响，同时，全部由CFRP材料制成的乘客厢，在发生尾部或侧面撞击时也能为车内乘客提供非常可靠的安全空间[19]。
在国内，北京汽车2016年款新型BJ40的发动机罩盖?车顶盖均采用碳纤维材料，最终减重50%左右。奇瑞汽车的艾瑞泽7的前横梁以及覆盖件?一汽集团的红旗超跑S9的车身也都采用了碳纤维材料。但是在车辆的主体结构方面还大都停留在概念车或新能源车型上。
04 碳纤维材料在发动机及传动?制动系统上的应用
在车辆的行驶过程中，其发动?传动以及制动系统往往决定了车辆的整体运动性能。传统燃油车的发动机在碳纤维材料的替代方面还停留在试验室阶段，仅有2011年比利时Solvay公司开发的CFRP Polimotor四缸发动机缸体，虽然其尚未应用到成品车中，但也为碳纤维材料的应用提供了新思路。除此之外，仅有部分厂家在发动机的零配件部分使用了一定数量的碳纤维替代材料，如上汽荣威的E50车型的引擎盖和福特部分车型的油箱底壳采用的CFRP复合材料等。
在传动方面，基于碳纤维材料优良的比强度，很多厂家已经开始采用由CFRP材料制造的传动轴[20]。福特的野马载重汽车，采用CFRP可以将原来的2个部件简化合并成1个传动轴，与钢材料相比，减重高达60%~70%；英国GKN技术公司开发的CFRP传动轴，在减重50%~60%的同时，其抗扭强度比钢大10倍，弯曲强度大15倍；奥迪Quattro系列?日本尼桑GTR和Fairladyz车型?阿斯顿·马丁V8 Vantage Coupe车型和Mazda RX-8车型上已大量使用CFRP复合材料制造的传动轴。在实际应用中还发现，将CFRP材料应用到改装车的转动轴上还能够有效降低转动轴的质量，增强车辆的耐久性和抗疲劳性。有关制动方面的应用主要集中在车辆的制动器。传统的汽车制动器衬片主要由石棉摩擦材料构成，但是这种材料在高温下会出现摩擦性能的“热衰退”现象，存在一定的安全隐患，并且在使用过程中会产生对人体有致癌危害的石棉粉尘，因而替代需求强烈。目前，SGL Carbox AG公司生产的一种车用的碳纤维-陶瓷制动盘装置已经在保时捷918 spider和GTI IS车型中使用，当车速从300km/h降低到50km/h时，制动距离不超过50m。
05 碳纤维材料在轮毂与内饰上的应用
汽车轮毂是汽车高速运动的主支撑结构件，轮毂的轻量化不仅能提高机动性能，如制动?启动加速?转向等，还能减少响应时间，显着改善车辆的操控性能。2009年生产的Shelby Ultimate Aero跑车，2012年出厂的保时捷911和2015年初设计的福特新一代野马Shelby GTR均使用碳纤维轮毂，在实现减重50%左右的同时，还能显着改善车辆的操控性能。这是因为随着轮圈的减重，其转动角动量大约降低40%，在一定程度上起到了间接改善汽车的加速和刹车效能的作用。除此之外，Carbon Revolution公司还为日产的R35 Nissan GT-R跑车量身定制了CFRP全碳纤轮毂，轮毂尺寸为50.80cm×26.67cm，质量为8.84kg，整车综合动力性能有大幅提升[21]。
另外，对于内饰?座椅等装饰方面的材料，由于并非是纯钢材的替代，因而在减重方面的效果并不明显，已知的有ELG公司与CRTC公司合作研制的可回收碳纤维汽车座椅?夹层板，福特研制的由碳纤维和钢制成的座椅框架，一汽红旗超跑S9的部分内饰材料以及北汽绅宝D60的前格栅和尾翼等。其使用目的大多是一种彰显运动与时尚，并作为一种提升车辆科技感的方案。
06 碳纤维复合材料在新能源汽车中的应用
现阶段，随着国家对碳排放政策的实施以及能源危机的加剧，新能源汽车逐渐成为汽车销售市场上的主力。由于这些新能源汽车没有燃油发动机，只有电机和电池，因此在材料的选择上会更注重汽车质量的轻质化和生产的便利性，其主要轻量化方向分为整车车架质量以及储能装置两个方向[22-25]。新能源汽车的质量每减少10%，对应的续航里程大约存在5.5%的提升[26]。碳纤维材料的使用有利于新能源汽车的轻量化，可以有效延长续航里程。
瑞典初创UNITI电动汽车公司新推出的电动车“Smart phone Car”就是一款典型的城市代步新能源车型。该车采用Zolterp X35的CFRP部件制成车身，一次充电可行驶约299km，30min充电即可行驶199km，在实现车身轻量化的同时又不牺牲整车的舒适性?安全性和续航里程。日本Teijjin公司也设计了一款由CFRP车体结构构成的4座概念车，由于采取CFRP材料制成，车体成型只需1min，且47kg的车体质量仅为同等钢制车体结构的1/5。韩国现代公司推出的Intrado燃料电池概念车也秉承了轻量化的设计理念，在全车架?引擎盖以及侧板方面均采用CFRP材料制造，相比传统钢板制造的汽车减重高达60%，大大提高了燃油效率，单次补充燃料行驶超过600km，而且由于车身质量较轻，百公里加速时间低于12s，同时兼顾了驾驶乐趣以及车辆的实用性。
国内方面，2016年3月上市的奥新e25新能源车也采用了CFRP车身，其百公里耗能低于10kW·h，续航性能理想。另外，奇瑞也开发了一款CFRP电动车，车身质量仅为218kg，相较金属车身减重达48%，并且在抗冲撞性和操控性上均有提高。
新能源汽车的动力结构主要有燃料电池和储能电池两个大类，其中氢能源车的储氢容器以及电动车的电池包都是质量大户，因而其轻量化方案也大多是基于这两个方向来考虑的[27]。在燃料电池方面，Quantum公司为铃木燃料电池汽车设计制造了一种容量为160L?工作压力为70MPa的CFRP超轻氢燃料压力容器。该容器能够以最小的体积和质量为燃料电池提供较高密度的能量，且其快速充放以及渗透率等指标均超过业界同行和政府规定的标准。另外，丰田燃料电池汽车Mirai在其燃料电池反应堆框架上首次使用了CFRP材料，并且能够适应大规模生产。
在储能电池方面，2013年左右，沃尔沃基于S80打造出了一种采用新蓄电材料的原型车。该车采用CFRP超级电容器板来替代传统车辆的各个部位，包括车门?车顶?后备箱盖等位置，实现整体减重15%。应用车体?车门?车顶材质还能够靠刹车动能回收系统以及传统的插电方式来充电。沃尔沃宣称：仅靠后备箱盖就有能力为汽车提供足够的能量，且充电时间也比传统电池更加快速，同时，这种蓄电材料在充放电时没有化学反应，因此不会存在蓄电能力下降的问题。另外，William先进工程公司利用可回收碳纤维(RCF)设计制造出整体式电动车底盘FW-EVX部件，创新性地将电池包?冷却装置及其轻量化底盘完全集成到一个可扩展平台上，甚至还能根据需求将驱动电机的外壳也集成到该平台上。CFRP底盘模压成型的悬挂横梁中80%采用了RCF部件，质量只有锻造合金件的40%。这一集成化设计不仅充分发挥了CFRP部件的设计灵活性，还可以取代其他装置金属壳体，减少质量，使电动汽车更集约化?更强?更轻[28]。蔚来公司生产的Nio ES6除了采用碳纤维后地板总成?碳纤维座椅板总成?碳纤维后地板横梁总成三大部件之外，其电池包上壳体也采用了碳纤维材料，大大减小整车质量。
07 结束语
综上所述，现阶段的碳纤维复合材料虽然已经在不同的汽车配件方面均有比较成熟的应用方案，并且得到了令人瞩目的技术革新，但受制于产品较高的价格以及回收方案的不完善，目前仍难以得到大规模应用。受近几年环境政策以及“碳中和?碳达峰”目标的要求，汽车轻量化已经成为汽车厂商亟须解决的生存性问题，因此，碳纤维增强复合材料也越来越受到汽车厂商的重视。实现碳纤维复合材料在汽车各部位中的广泛应用，可以更好地满足汽车的轻量化需求，并在新能源汽车领域取得进一步发展。
