電動車為新興產業,高分子材料在電動車內的使用仍在持續演進。這發展趨勢為有興趣進入此領域的新進業者帶來了開發機會,以及擴展事業版圖的期待。本文將針對電動車內的新零件所使用的材料進行掃描,以說明高分子材料的新應用機會,作為讀者了解電動車用高分子材料的參考資訊。
【內文精選】
電氣化與輕量化是電動車中材料創新的機會
1. 電動車較燃油車更有材料輕量化的需求
電動車以電池與馬達作為其動力來源,電池與馬達相加的總重量遠高於傳統燃油車中油箱與引擎的總重。為了提高電動車的能源效率以及可行駛的里程數,電動車開發者較傳統燃油車業者更重視整車的輕量化設計,也為輕量化的材料帶來新的開發機會。
2. 電動車在電池、車身與電控系統中皆有高分子材料的新應用機會
電池與電控兩個系統,為電動車相較於傳統內燃引擎車改變較多的部位,完全替代了油箱與引擎室的存在。電氣化所需的新車用零件,將是應用高分子材料的新機會。另外,電池系統重量遠高於傳統油箱重量,如何進一步減重,也是許多電動車業者關心的方向。
各車廠電池包的設計將影響高分子輕量化材料與膠材的應用
1. 許多化材業者/應用公司專業投入CMP設計的電池包輕量化複材開發
輕量化複材在殼體中的應用目前未見到有標準化的材料選擇與設計,皆由各化材業者依照自身的專長,與車商以及零件供應商討論後,開發出符合車商安全、耐用與輕量化需求的複材殼體。
大致上來說,若開發者為化材廠商,基於成本考量,以玻璃纖維(Glass Fiber; GF)補強系統為主流,樹脂系統有熱固與熱塑,加工的工藝有LFT (Long Fiber Reinforced Thermoplastics)與SMC (Sheet Molding Compound)。若是研發機構獲得政府研發補助發展的殼體,則可以看到高價碳纖維(Carbon Fiber; CF)補強的CFRTP (Continuous Fiber Reinforced Thermoplastics)應用。
2. 電池包內應用的功能性膠材為高分子材料的新應用機會
由於電池包內包含了複合材料與金屬等不同材質的材料,若要將這些材料接合,傳統金屬焊接將不適用,因此在電池包內黏接不同材質的結構組裝膠便成為高分子材料的新應用機會,也是許多膠材供應商開發的方向。
除了結構接著外,電池在放電時會放熱,因此熱管理相關的導熱與散熱功能膠材,也是電池包中高分子材料的新應用機會。
3. 與車內其他零件整合的電池包材料使用狀況將有所不同
為了進一步輕量化,已有許多車廠,開始簡化電池包的設計,將電池包中電池芯直接安裝在電池包殼體內,省去了電池芯先組裝成電池模組的步驟,稱為CTP(Cell to Pack)的電池包設計。像是BYD就應用其具有專利刀片電池設計,增大單一電池芯的長度(最大長度與電池包寬度相當),將電池芯扁長化設計,來進一步完成CTP電池包設計。
在CTP的電池包設計推出後,車廠還計畫更進一步簡化電池包設計,讓電池包殼體的下蓋能與汽車底盤整合,或者殼體上蓋能與車身底座整合,以進一步降低整車重量,像是Tesla的CTC (Cell to Chassis)與BYD的CTB (Cell to Boby)整合技術,便是目前電池包整合減重設計的方向(如圖三)。
圖三、各種電池包結構與整合技術,(a) CMP電池包設計;(b) CTP電池包設計;(c) BYD具有專利的刀片電池CTP電池包設計;(d) CTC或CTB的整合設計
高價電動車車身有機會應用碳纖複合材料補強輕合金的材質
i3的CFRP車身重量僅180公斤,其CF是由BMW與SGL合資的CF生產工廠提供,環氧樹脂是由Huntsman供應,而結構膠的供應商有DuPont(原為Dow)與Sika。
然而BMW i3具獨創性的全CFRP車身結構,由於造價過高,並未吸引其他同業跟進仿效,BMW集團見其推廣成效不彰,在2017年決定先退出與SGL合資的碳纖維生產廠,決定未來大幅減少碳纖維的採購量,並在2022年宣布i3停產。其接續車款iX1的車身將採用鋁合金車、高強度鋼、CFRP與CFRTP的多材料Carbon Cage車身設計(圖五),同時具有減重、安全與可控成本的特色,但高分子複合材料零件數量與結構膠用量已遠低於i3,每台車身所用的CFRP與CFRTP總重量在30公斤上下。
圖五、BMW iX1的Carbon Cage車身設計中應用CFRP與CFRTP的零件
除了BMW集團在中高價車款中導入部分CFRP零件,其他歐洲車廠像是Audi與Land Rover也計劃在其高價的電動車款中導入部分CFRP零件,以達到減重的效果 ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》457期,更多資料請見下方附檔。