パワーバッテリーカバーに連続繊維強化コンポジットの適用

21世紀の初めから、リチウムイオンバッテリー技術の成熟により、電気自動車（EV）の急速な発展が促進されました。近年、EV浸透が加速し、従来の内燃機関の車両に対する破壊的な傾向が生じています。ただし、範囲の不安、冬のパフォーマンスの低下、バッテリーの安全性などの課題は、EVのより広範な市場の受け入れを依然として妨げています。これらの問題に対処するには、新しい材料の開発と適用に密接に結びついているパワーバッテリーテクノロジーのさらなる革新が必要です。これらの材料には、バッテリーセル内の電極材料だけでなく、バ​​ッテリーハウジング材料などのシステム統合レベルでの構造材料も含まれます。

システムのエンクロージャーやカバーを含むパワーバッテリーハウジングは、一般的に鋼やアルミニウムなどの金属材料で作られています。これらの材料は、高強度と確立された製造プロセスを提供し、バッテリーハウジングの機械的性能要件を満たしています。ただし、エネルギー密度、熱断熱、およびその他の属性の需要が増加するにつれて、軽量複合材料は金属の交換または部分的に置き換え始めました。これは、バッテリーハウジングの開発における重要な技術的傾向になり、注目と探索的アプリケーションの増加を獲得しています。特に、複合カバーは市場対応の車両モデルで大量生産を達成しており、使用とアプリケーションの範囲が継続的に拡大し、将来さらに重要な役割を果たすように設定されています。

1。複合材料アプリケーションの概要

1.1自動車複合材料の概要

自動車産業では、繊維強化ポリマー/プラスチック（FRP）複合材料が広く使用されています。最も一般的なアプリケーションでは、従来の金属材料を交換して、車両のボディ、内部および外部トリム、アンダーボディパネルなどのコンポーネントの重量削減を実現します。樹脂マトリックスの処理特性に応じて、FRPは熱硬化性および熱可塑性複合材料に分類され、どちらも自動車分野で広く採用されています。

• 熱硬化コンポジット
  一般的な熱硬化樹脂には、1回限りの熱硬化、高強度、優れた耐熱性、優れた電気特性、腐食抵抗、老化抵抗、および寸法安定性を特徴とするエポキシ樹脂が含まれます。

• 熱可塑性複合材料
  一般的な熱可塑性樹脂には、ポリプロピレン（PP）、ナイロン/ポ​​リアミド（PA）、ポリカーボネート（PC）、およびポリエチレン（PE）が含まれます。これらの材料は、加熱すると柔らかくなり、冷却すると硬化し、繰り返し処理できます。それらは、耐衝撃性、処理の容易さ、リサイクル性を提供します。

自動車FRPで使用される一般的な強化繊維には、炭素繊維とガラス繊維が含まれます。炭素繊維には優れた強度がありますが、複雑な製造プロセスと高コストはEVでの大規模なアプリケーションを制限しています。ガラス繊維はそれほど強くありませんが、費用対効果が高くなります。ただし、炭素とガラス繊維の両方の複合材料のリサイクルと再利用は依然として困難であり、環境上の懸念をもたらす可能性があります。

補強繊維は、複合製品の保持された繊維寸法に基づいて分類されます：短繊維、長い繊維、および連続繊維。連続した繊維強化複合材料は、最良の強度、剛性、および耐衝撃性を示し、軽量の自動車用途に重大な可能性を示します。

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1.2複合成形プロセス

樹脂ベースの複合材料は、圧縮成形、樹脂移動成形（RTM）、フィラメント巻線、滑strusionなどのプロセスを通じて形成できます。バッテリーカバーなどの大きなパネル構造の場合、主要な方法は圧縮成形とRTMです。

• 圧縮成形：定義された量の成形材料を金属型に入れてから、加熱して押して、形を整えます。サブカテゴリは次のとおりです。

• 不連続繊維熱硬化コンポジット：SMC（シートモールディング化合物）、BMC（バルクモールディング化合物）、TMC（厚い成形化合物）。

• 不連続繊維熱可塑性複合材料：GMT（ガラスマット熱可塑性植物）、LFT-D（直接長繊維熱可塑性弾性）、LFT-G（長繊維熱可塑性顆粒注入）。

• 連続繊維複合材料：PCM（Prepreg圧縮モールディング）、WCM（ウェット圧縮成形）。

• 樹脂移動モールディング（RTM）：このプロセスでは、樹脂を閉じた金型に注入して、補強材料を含浸させ、製品を治すことが含まれます。従来のRTMには、多孔性を引き起こす低い樹脂含浸率、樹脂の流れの破壊ファイバーアライメント、大規模製品の不均一な樹脂分布など、制限があります。これらの問題により、高圧RTM（HP-RTM）や真空アシスト樹脂伝達モールディング（VARTM）などのプロセスが改善されました。たとえば、HP-RTMは樹脂注入圧力を高め、低気孔率と高繊維体積分率の生成物を作成します。

  

  
  

• 2。電源バッテリーカバーの複合材料

• パワーバッテリーカバーの一般的な材料には、鋼、アルミニウム合金、複合材料が含まれます。

• 鋼鉄：スチールカバーは、高強度と低コストを提供します。高強度の鋼（例：HC340、DP590）は、軽量化のために0.8mmまたは0.7mmの厚さを有効にします。電気泳動などの表面処理は耐食性を改善し、耐火コーティングは熱保護を促進します。

• アルミニウム合金：アルミニウムは、鋼よりも高い特異的強度を提供し、さらなる体重減少を可能にします。通常、5シリーズのアルミニウム合金が使用され、厚さは1.2mmまたは1.5mmという低さです。アルミニウムは腐食抵抗のために天然の酸化物層を形成しますが、電気泳動、スプレーコーティング、または保護層の適用などの処理により、断熱と熱保護が改善されます。

• 複合材料：バッテリーカバーでの複合材料の初期のアプリケーションは、BAIC EU5車両のバッテリーカバーなど、不連続ガラス繊維を使用したSMCプロセスを使用しました。ただし、SMC材料の低強度（引張強度<100mpa）は2mm以上の厚さを必要とし、軽量の利点を制限しました。連続繊維成形プロセス（PCMやHP-RTMなど）の最近の進歩により、炭素繊維複合技術がより費用対効果の高いガラス繊維複合材料に拡張されました。

• 連続ガラス繊維強化複合材料は、アルミニウム合金よりも高い密度（〜1.9g/cm³）よりも高い強度（引張強度> 400mpa）を達成するようになりました。厚さは1.2mm以下に減少する可能性があり、大幅な軽量化を可能にします。さらに、材料の固有の耐火性と断熱特性は、アルミニウムと比較して安全性を高めます。ただし、コストは鋼やアルミニウムよりも高いままです。

• 連続ガラス繊維強化複合カバーの大量生産は、主にPCMおよびHP-RTMプロセスを使用します。

• PCM：より低いインベストメント、手動の老朽化、生産量の遅い、小さなバッチやプロトタイプに最適です。

• HP-RTM：より高い機器とカビのコスト、乾燥繊維布材料、真空高圧樹脂注入、生産速度の高速、および優れた表面の品質。