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整车减重提升续航:MPP发泡材料在汽车电池包的轻量化方案

MPP发泡材料特性概述MPP发泡材料全称微交联聚丙烯发泡材料,属于化学发泡聚丙烯品类,相比传统聚丙烯发泡材料,具有更均匀
MPP发泡材料特性概述

MPP发泡材料全称微交联聚丙烯发泡材料,属于化学发泡聚丙烯品类,相比传统聚丙烯发泡材料,具有更均匀的泡孔结构、更优异的力学性能、耐温性和化学稳定性,同时密度低、可回收性强,完美契合新能源汽车对轻量化材料的核心要求。

新能源汽车电池包轻量化需求背景

新能源汽车续航焦虑一直是行业痛点,根据行业研究数据,整车重量每降低10kg,纯电动汽车续航里程可提升2-5km,减重对续航提升的边际效益十分显著。电池包作为整车重量占比最高的部件之一,通常占整车重量的30%-40%,传统电池包结构使用大量金属构件和普通隔热材料,重量冗余度高,轻量化改造空间极大。MPP发泡材料凭借自身特性,成为电池包轻量化升级的核心材料选项之一。

核心轻量化应用方案电池包上盖轻量化方案

传统电池包上盖多采用钢制或铝制金属结构,重量普遍在8-15kg区间,部分大容量电池包上盖重量甚至超过20kg,同时金属上盖还存在绝缘性差、易腐蚀的问题。

基于MPP发泡材料的轻量化方案有两种主流路线:

1.MPP发泡夹心复合上盖:以0.2-0.5mm厚度的高强度碳纤维或玻璃纤维热塑性复合材料作为内外蒙皮,中间芯层采用密度为0.08-0.15g/cm³的MPP发泡材料,通过热压复合成型。相比传统铝制上盖,整体减重幅度可达40%-60%,减重后重量可控制在3-6kg区间。同时MPP发泡芯层本身具备优异的隔热隔音性能,无需额外粘贴隔热吸音材料,进一步减少了辅件重量和装配工序。

2.MPP发泡增强改性全塑上盖:将MPP发泡材料与玻璃纤维、增韧剂共混改性,直接注塑成型电池包上盖,相比普通全塑上盖,力学强度提升30%以上,密度降低20%左右,成本比复合结构上盖更低,适合低端入门级新能源车型使用。

该方案除减重外,额外优势还包括绝缘性能提升,避免了金属上盖短路风险,同时MPP材料的耐腐蚀性能远优于金属,可延长电池包上盖使用寿命。

电池包隔热垫轻量化方案

电池热失控防护是电池包安全设计的核心要求,传统隔热垫多采用气凝胶毡、云母板或者普通PU发泡材料,气凝胶毡成本高且密度大,云母板重量大脆性高,PU发泡耐温性不足无法满足热失控防护要求。

MPP发泡材料的隔热减重方案为:

采用密度为0.1-0.2g/cm³的闭孔MPP发泡片材,经过表面改性处理后直接作为电池单体之间、模组与PACK壳体之间的隔热垫。相比传统1mm厚度气凝胶隔热垫重量约0.12kg/㎡,同等隔热效果下1.5mm厚度MPP发泡隔热垫重量仅为**0.09-0.18kg?不对,修正:同隔热性能条件下,MPP发泡隔热垫重量比气凝胶毡降低35%左右,1kWh容量电池对应可减重约0.08-0.12kg,一个60kWh的电池包可减重4.8-7.2kg,减重效果十分可观。同时闭孔结构的MPP发泡材料防水防潮性能优异,泡孔不吸水,不会因为电池包内部凝露出现隔热性能下降的问题,耐温范围可以达到-40℃到120℃长期使用,短时间耐温可以达到200℃以上,满足电池热失控初期的隔热阻隔要求。

针对更高要求的热防护场景,还可以开发MPP发泡复合气凝胶隔热层,以超薄气凝胶涂层涂覆在MPP发泡芯材表面,相比纯气凝胶隔热垫,重量降低25%以上,成本降低40%左右,兼顾了防护性能与轻量化要求。

电池模组缓冲垫轻量化方案

动力电池在车辆行驶过程中会承受反复的冲击和振动,需要缓冲垫来缓冲吸能,避免电池单体受外力损伤,同时固定电池单体位置。传统缓冲垫多采用EVA发泡或者普通橡胶垫,EVA发泡密度约0.3-0.4g/cm³,缓冲性能一般,重量较大,普通橡胶密度更是达到1g/cm³以上,重量负担很高。

MPP发泡材料缓冲方案:

采用闭孔MPP发泡片材裁切成型,密度可以控制在0.06-0.12g/cm³,仅为EVA发泡密度的1/4-1/3,同等缓冲吸能效果下,重量可降低60%-70%。同时MPP发泡材料的回弹性优异,长期压缩蠕变率低于5%,远低于EVA发泡的15%以上,使用寿命更长,长期使用不会因为缓冲垫变形导致电池单体移位。此外MPP发泡材料环保无毒,可完全回收,符合新能源汽车的环保设计要求。

该方案还可以配合结构胶实现电池单体的侧固定,替代传统的模组端板和绑带结构,进一步减少模组结构件重量:通过在MPP发泡缓冲垫表面涂覆结构胶,填充电池单体之间的间隙后固化,既实现了缓冲固定,又省去了金属端板和绑带的重量,单个模组可再减重2-3kg。

电池包底部防护层轻量化方案

电池包布置在车辆底盘位置,行驶过程中容易受到路面碎石撞击、剐蹭,需要底部防护结构来保护电池电芯不受损伤,传统底部防护多采用厚度3-5mm的钢板或者铝合金板,重量普遍达到10-20kg,是电池包重量的重要组成部分。

MPP发泡材料的底部防护轻量化方案为:

开发MPP发泡夹心复合防护板,外层采用1mm厚度的高强度热塑性连续玻纤复合材料,内层芯层采用密度0.1g/cm³的MPP发泡材料,整体厚度控制在4-6mm区间,整体重量仅为同厚度钢板的1/8,铝合金板的1/3,防护性能满足GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中底部挤压、剐蹭测试要求,单个电池包底部防护可减重8-15kg,减重幅度超过50%。同时MPP发泡芯层可以吸收撞击能量,分散冲击应力,提升防护结构的抗冲击性能,相比实心防护板,抗冲击能量吸收能力提升2倍以上。此外MPP发泡芯层还具备隔热性能,可以减少路面高温对电池包底部的热传导,优化电池包的工作温度环境。

电池包密封填充轻量化方案

传统电池包密封多采用实心橡胶密封条,或者PU发泡现场发泡填充,实心橡胶密封条密度大,重量高,PU发泡粘结性差,容易老化脱泡,密封稳定性不足。

MPP发泡材料的密封填充方案:

采用预成型的MPP发泡密封条,密度控制在0.1-0.15g/cm³,压缩永久变形低于10%,相比传统实心橡胶密封条,重量降低70%以上,一个标准电池包的密封条总重量可从原来的1.5-2kg降低到0.4-0.6kg。同时MPP发泡密封条耐老化性能优异,在-40℃到120℃的温度范围内可以长期保持弹性,不会出现变硬开裂的问题,密封寿命和电池包寿命同步。对于电池包内部线路间隙的填充,也可以采用MPP发泡发泡颗粒填充,相比传统灌封胶,重量降低80%以上,同时拆卸维护方便,不会影响电池包的二次回收利用。

应用注意事项与优化方向

MPP发泡材料在电池包应用中也需要注意几个问题:一是MPP发泡材料的成本目前比普通PP发泡、EVA发泡略高,但是相比减重带来的续航收益和电池成本降低(同等续航要求下可以减少电池电芯数量,降低整车电池成本),综合成本是划算的;二是MPP发泡材料的阻燃性能需要进行改性优化,通过添加无卤阻燃剂,使得材料达到UL94 V-0级阻燃要求,满足电池包的安全标准;三是连接工艺需要优化,MPP发泡材料和金属、复合材料的粘结连接需要专用的结构胶,保证连接强度,避免长期使用出现脱粘问题。

未来MPP发泡材料在电池包轻量化的优化方向主要包括:进一步降低发泡密度,开发密度低于0.05g/cm³的高强度MPP发泡材料,进一步提升减重效果;开发原位发泡成型工艺,实现MPP发泡材料和电池包结构件一体成型,减少装配工序,降低生产成本;开发可完全降解的MPP发泡材料,提升电池包回收阶段的环保性能。

宝益科技是国内知名的功能性高分子发泡材料供应商,深耕行业多年。宝益MPP产品采用原材料专利配方和超临界流体技术,实现从发泡过程清洁无污染到发泡成品安全环保,兼具刚性和韧性的特性,微米尺度的泡孔赋予了产品优异的减震、缓冲、隔热和吸声等性能,并且宝益MPP产品已达到UL94评价体系中的最高等级HF-1级别阻燃,广泛应用于汽车和新能源领域。