新能源汽車包括純電動(dòng)汽車、增程式電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池電動(dòng)汽車、其他新能源汽車等。

 其工作原理：蓄電池——電流——電力調(diào)節(jié)器——電動(dòng)機(jī)——?jiǎng)恿鲃?dòng)系統(tǒng)——驅(qū)動(dòng)汽車行駛（Road）。

動(dòng)力電池是新能源汽車的“心臟”，而膠粘劑是實(shí)現(xiàn)“心臟”持久動(dòng)力的“肌膜組織”。其中新能源汽車所用的蓄電池是鋰電池，車用鋰電池對(duì)新能源汽車的發(fā)展與普及，至關(guān)重要。

      新能源汽車電池的用膠點(diǎn)：膠粘劑在動(dòng)力電池上的四大作用

      1．為動(dòng)力電池提供防護(hù)效果；

      2．實(shí)現(xiàn)安全可靠的輕量化設(shè)計(jì)；

      3．熱管理；

      4．幫助電池應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的使用環(huán)境。

      在電動(dòng)汽車發(fā)展的前幾年，動(dòng)力電池是由數(shù)個(gè)或數(shù)十個(gè)電芯（包括圓柱形電芯、方形電芯及軟包電芯）組裝成模組，再由數(shù)個(gè)模組組裝固定于PACK 殼體中，形成汽車動(dòng)力電池包。

      這種結(jié)構(gòu)由于有模組的存在，機(jī)械連接固定都比較方便，結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用并不十分必要。近些年，由于電動(dòng)汽車輕量化及長行駛里程的趨勢壓力，CTP 結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。CTP 結(jié)構(gòu)提升了電池包的體積/ 重量能量密度，進(jìn)一步延長了車輛續(xù)駛里程。

      CTP 結(jié)構(gòu)是指動(dòng)力電池包是由電芯（特別是方形電芯）直接組裝到PACK 殼體中（cell to pack），這種結(jié)構(gòu)省卻或大幅度減少了中間模組部件，大大減輕了電池包的整體質(zhì)量，直接為電動(dòng)汽車的輕量化和續(xù)駛里程做出了貢獻(xiàn)。這種CTP 結(jié)構(gòu)的電池包，一般需要大量使用膠粘劑來連接固定電芯，而無法使用傳統(tǒng)的機(jī)械連接方式。

      CTP 結(jié)構(gòu)對(duì)膠粘劑的要求

      膠粘劑在動(dòng)力電池CTP 結(jié)構(gòu)中的作用是非常重要的，用于CTP 的膠粘劑有兩大類現(xiàn)實(shí)需求：第一類就是以結(jié)構(gòu)粘接為主，兼顧一定的導(dǎo)熱作用；第二類就是以導(dǎo)熱粘接為主，膠粘劑應(yīng)用的目的是將電芯工作時(shí)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出到外部的散熱部件，實(shí)現(xiàn)熱管理的部分功能作用，兼顧結(jié)構(gòu)粘接要求。

這篇文章我們主要探討第一類結(jié)構(gòu)粘接的具體性能要求。這一類的結(jié)構(gòu)膠粘劑必須起到把電芯與PACK 殼體可靠連接、固定的作用，代替原來模組結(jié)構(gòu)的機(jī)械連接。

      CTP 結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池組裝用結(jié)構(gòu)膠的最終性能要求

      1. 強(qiáng)度要求

      由于整體PACK 以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)固性來自于結(jié)構(gòu)膠的粘接連接，代替了原有的機(jī)械連接方式，因此結(jié)構(gòu)膠的粘接強(qiáng)度及本體強(qiáng)度就要求有比較高的指標(biāo)，一般來說8 MPa 以上，甚至更高的強(qiáng)度是很有必要的。這樣高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)膠應(yīng)用于方形電芯的側(cè)面或底面，根據(jù)電芯從尺寸及外形不同，一般粘接面積可以達(dá)到3 000 mm2 以上，單個(gè)電芯粘接力可達(dá)24 000 N 以上，有的特殊形狀的方形電芯可以讓粘接面積達(dá)到17 000 mm2，理論上單個(gè)電芯粘接力甚至可以達(dá)到136 000 N 以上，較好地滿足電芯直接穩(wěn)固固定在PACK 殼體內(nèi)的要求。結(jié)構(gòu)膠的強(qiáng)度衡量可以是對(duì)接拉伸強(qiáng)度或者是搭接拉剪強(qiáng)度。

      2. 粘接材質(zhì)的適應(yīng)性

      PET 膜、3003 鋁合金要想使電芯獲得高的固定粘接力，不僅要有結(jié)構(gòu)膠本身的較高的拉伸強(qiáng)度以及更大的粘接面積，還要有對(duì)粘接材質(zhì)的適應(yīng)性，以及考慮被粘接材質(zhì)的本體強(qiáng)度。

      那么CTP 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)膠適用于哪些材質(zhì)呢？首先看一看方形電芯的材質(zhì)：方形電池的殼體一般使用3003 鋁合金。為了使電芯外殼具有絕緣性，大部分電芯生產(chǎn)廠商采用PET 薄膜包覆或半包覆方形電池的外殼（圖1）；還有一種是采用絕緣粉末涂料（噴粉）的方式在電芯外殼涂覆一層絕緣涂層，見圖2。

      這兩種電芯的表面材質(zhì)以及相對(duì)應(yīng)的PACK 殼體或絕緣膜就是結(jié)構(gòu)膠粘接的對(duì)象：PET（又稱藍(lán)膜）、噴粉涂層（環(huán)氧或其他樹脂）及3003 鋁合金。結(jié)構(gòu)膠必須對(duì)這幾種材質(zhì)具有良好的粘接性能。

      由于PET 藍(lán)膜一般采用壓敏膠背膠的方式將PET 藍(lán)膜包覆在電芯殼體外，或者采用熱縮方式套在電芯殼體上，那么結(jié)構(gòu)膠對(duì)于PET 藍(lán)膜（一般要經(jīng)過等離子或火焰預(yù)處理）的粘接要能夠保證粘接強(qiáng)度大于PET 藍(lán)膜的背膠與電芯鋁合金殼體的粘接或者能夠達(dá)到PET 藍(lán)膜破壞的強(qiáng)度。

對(duì)于3003 鋁合金以及噴粉涂層的粘接，要能夠達(dá)到破壞時(shí)的內(nèi)聚破壞，換句話說就是粘接膠層的破壞，而不是粘接膠層與鋁合金或噴粉涂層的界面脫開。

      3. 彈性（或柔韌性）要求

       動(dòng)力電池PACK 裝載于汽車上，行駛中難免會(huì)受到顛簸、沖擊及振動(dòng)等，電芯的固定粘接也要承受擠壓、剝離、彎曲和疲勞等各種力的考驗(yàn)。

粘接可靠性不僅取決于粘接強(qiáng)度，在受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，粘接膠層的柔韌性更重要。結(jié)構(gòu)膠的柔韌性可以從兩個(gè)方面來考察。一是斷裂伸長率：斷裂伸長率是指膠粘劑本體在拉伸后斷裂時(shí)的伸長長度與拉伸前長度的比值，用百分率表示。這一技術(shù)指標(biāo)表征的是膠粘劑本體在受到外力作用時(shí)能夠承受的受力變形能力，更高的斷裂伸長率意味著可以抵御更大的受力變形。斷裂伸長率達(dá)到100%， 甚至 150%就是這一期望的具體體現(xiàn)。二是彈性模量（儲(chǔ)能模量）：這是反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，表征了材料存儲(chǔ)彈性變形能量的能力，單位是MPa，是應(yīng)力與應(yīng)變的比值，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大。

      對(duì)于動(dòng)力電池的電芯粘接可靠性，往往需要進(jìn)行有限元分析，計(jì)算機(jī)模擬分析時(shí)一個(gè)重要的輸入指標(biāo)是模量（或泊松比）。因此，模量就是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。

      儲(chǔ)能模量的測試采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA）較為準(zhǔn)確。在CTP 結(jié)構(gòu)膠的工程應(yīng)用中，低模量是更期望的特性。結(jié)合第一點(diǎn)的強(qiáng)度要求，低模量與高強(qiáng)度是有一定的相互克制的。有公司及一些標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能模量（常溫）要求低于800 MPa，甚至個(gè)別的結(jié)構(gòu)膠要求低于300 MPa。

      4. 耐老化要求

      汽車的長期可靠運(yùn)行的基本要求，傳遞到動(dòng)力電池，CTP 結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)膠的耐老化特性同樣重要。對(duì)于膠粘劑來說，耐老化特性可以通過冷熱循環(huán)和濕熱老化測試來考察。可以參照GB/T7124 的相關(guān)規(guī)定測試。

耐冷熱循環(huán)測試不同的汽車廠家或標(biāo)準(zhǔn)有不同要求，老化條件參考汽車常用的耐老化測試方法，可以在-40 ～ 80℃（或90℃）高低溫交變循環(huán)，單次循環(huán)模式見圖3，循環(huán)次數(shù)可以由電池包設(shè)計(jì)及膠粘劑供應(yīng)商雙方商定。

耐濕熱老化， 一般是“ 雙85”（85 ℃，85% 相對(duì)濕度）條件下，1 000 h 老化。耐老化后的性能指標(biāo)與初始指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，不小于70%。

      5. 阻燃性能要求

      結(jié)構(gòu)膠應(yīng)用于動(dòng)力電池，作為汽車動(dòng)力電池材料的一部分，阻燃性是基本的要求。阻燃測試考慮其應(yīng)用環(huán)境，采用鋁—膠—鋁三明治結(jié)構(gòu)膠層厚度0.5 mm進(jìn)行測試，要求達(dá)到V0 級(jí)。可以按照GB/T 2408 的規(guī)定進(jìn)行測試。

      6. 電氣絕緣性能要求

結(jié)構(gòu)膠直接應(yīng)用于電芯粘接，絕緣性也是基本要求，介電強(qiáng)度要大于10 kV/mm ；體積電阻率要大于1×1012Ω.cm。可以參照GB/T 1408的相關(guān)規(guī)定測試。

      7. 導(dǎo)熱性能

      對(duì)于高強(qiáng)度低模量的結(jié)構(gòu)粘接膠，一般不考察其導(dǎo)熱特性。在動(dòng)力電池PACK 系統(tǒng)中，熱管理是非常重要的一個(gè)子系統(tǒng)，電芯的熱量需要能夠及時(shí)散發(fā)出去，保證電池在最佳工作溫度范圍內(nèi)，這時(shí)需要專門的導(dǎo)熱材料（如導(dǎo)熱膠）發(fā)揮這個(gè)作用，它的主體作用與我們前面探討的結(jié)構(gòu)膠是不一樣的，它重點(diǎn)考察的是導(dǎo)熱性能。

      當(dāng)然，結(jié)構(gòu)膠有一定的導(dǎo)熱能力是更好的，對(duì)以結(jié)構(gòu)粘接為主要訴求的結(jié)構(gòu)膠的導(dǎo)熱系數(shù)能夠在0.2 W/(m ·K) 以上，能夠起到一定的導(dǎo)熱散熱功效［空氣的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.0267 W/(m · K)］。

      8. 振動(dòng)臺(tái)架測試

      用于CTP 結(jié)構(gòu)電芯粘接用高強(qiáng)度低模量結(jié)構(gòu)膠，是否滿足新能源汽車的正常行駛要求，還是需要對(duì)整體電池包進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)架測試，滿足耐沖擊振動(dòng)要求，可以參照《GB/T 31467.3 電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第3 部分：安全性要求與測試方法》。

      CTP 結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池組裝用結(jié)構(gòu)膠的工藝性能要求

      工程膠粘劑是一門應(yīng)用科學(xué)，結(jié)構(gòu)膠是應(yīng)用在動(dòng)力電池PACK 的總裝工藝過程中，其應(yīng)用工藝的重要性不言而喻。

      CTP 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力電池PACK特點(diǎn)是電芯尺寸加大或特異形狀，取消了中間模組或大幅度減少，其組裝過程是由電芯直接組裝粘接到PACK 殼體：粘接用膠量相對(duì)較大，涂膠膠線走線相對(duì)較長；粘接合攏時(shí)間依據(jù)自動(dòng)化程度有所差異；組裝粘接完成的動(dòng)力電池PACK，由于體積較大，搬運(yùn)相對(duì)困難；汽車行業(yè)的特點(diǎn)是生產(chǎn)批量大、節(jié)拍快。

      結(jié)構(gòu)膠要適應(yīng)以上裝配及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其工藝性能具體要求可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

      1. 可操作時(shí)間要求

      一般來說可操作時(shí)間是指膠粘劑施膠后保持粘性，不影響粘接效果的時(shí)間。對(duì)于雙組分結(jié)構(gòu)膠，A/B 組分混合后就開始反應(yīng)，一定時(shí)間后混合后的膠粘劑會(huì)失去粘性，粘接就會(huì)出現(xiàn)浸潤不好等潛在失效可能，這一段時(shí)間可以認(rèn)為是可操作時(shí)間。

      由于動(dòng)力電池PACK 部件以及電芯尺寸都比較大，需要涂膠裝配零部件較多，在膠粘劑涂敷后到部件合攏粘接裝配的時(shí)間是裝配工藝節(jié)拍和設(shè)備能力等決定的，那么結(jié)構(gòu)膠的可操作時(shí)間就要考慮從A/B 組分混合后（如果是雙組分的）到粘接部件的合攏裝配、工裝夾具定位的時(shí)間間隔，并留出足夠的安全系數(shù)。裝配工藝節(jié)拍的不同、自動(dòng)化程度不同，以及后續(xù)固化方式的不同等，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)膠的可操作時(shí)間也會(huì)不同。

      如果是快節(jié)拍裝配，常溫后固化，則可操作時(shí)間要求比較短，可能會(huì)要求≥ 5 min，甚至更短；如果是裝配節(jié)拍相對(duì)慢一些且裝配線考慮涂膠裝配后的加溫固化，則可操作時(shí)間可以要求更長，甚至要求≥ 40 min。

      2. 初固時(shí)間（固化速度或達(dá)到定位強(qiáng)度時(shí)間）

      要求膠粘劑的固化特性是隨著時(shí)間推移（或加溫等其他措施），其強(qiáng)度逐漸是上升的。結(jié)合動(dòng)力電池PACK 粘接組裝工藝及后續(xù)工藝，粘接后的電池電芯具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度后更方便后續(xù)裝配工藝的實(shí)施，因此結(jié)構(gòu)膠的初固時(shí)間（固化速度或達(dá)到定位強(qiáng)度時(shí)間）也是非常重要的工藝性能指標(biāo)。

      根據(jù)PACK 裝配工藝、工裝及設(shè)備設(shè)計(jì)不同，粘接后的固化工藝有常溫固化和加溫固化兩種方式。

      為保證組裝效率，常溫固化的結(jié)構(gòu)膠一般要求盡可能短時(shí)間內(nèi)達(dá)到能夠搬運(yùn)等定位強(qiáng)度（約0.5 MPa），這一要求與充分的可操作時(shí)間有一定矛盾。因此，達(dá)到定位強(qiáng)度的初固時(shí)間一般在30 ～ 60 min。加溫固化的結(jié)構(gòu)膠可以兼顧長可操作時(shí)間與快速定位初固的要求，初固時(shí)間在70 ～ 80 ℃條件下15 ～ 20 min，達(dá)到0.5 MPa的定位強(qiáng)度。后固化可在80 ℃、4 h 時(shí)達(dá)到8 MPa 以上的強(qiáng)度或基本完全固化。加溫固化的裝配線需要配置加溫設(shè)備。

      3. 觸變性及粘度要求

      動(dòng)力電池PACK 電芯粘接組裝過程中，電芯被拿取、定位和涂膠等工藝動(dòng)作，以及涂膠完成后的組裝粘接工藝動(dòng)作，很有可能需要翻轉(zhuǎn)，涂膠位置也有可能是垂直立面。這要求涂敷在電芯或PACK 殼體（或保護(hù)層）上的結(jié)構(gòu)膠不能流淌，涂敷的膠粘劑膠線需要保持涂敷的形狀，以保證組裝粘接的過程可靠穩(wěn)定。因此，良好的觸變性是結(jié)構(gòu)膠必須的工藝性能，以保證涂敷的膠粘劑形狀穩(wěn)定，立面不流淌。

      同時(shí)，由于動(dòng)力電池PACK尺寸都比較大，組裝過程中的涂膠機(jī)器手操作半徑范圍也大，有的可達(dá)2 m 以上，再加上涂膠工序場地、電芯上裝工位以及結(jié)構(gòu)膠膠桶定位工位的實(shí)際距離考慮，結(jié)構(gòu)膠的輸膠管路長度都比較長，可能達(dá)到5 ～ 10 m，因此結(jié)構(gòu)膠的粘度不宜太高，以便于順暢打膠，A/B 組分混合后的粘度不宜超過60 000 cps。

      否則就需要非常高的輸送壓力，也可能造成出膠速率低，影響涂膠效率、整體裝配效率。另外，A/B 組分的結(jié)構(gòu)膠，兩組分的粘度也不宜相差太大，以保證穩(wěn)定的混合效果。

4. 混合比例要求

      一般動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)膠是雙組分的，混合均勻后的膠粘劑才能夠發(fā)揮其性能，對(duì)于A/B 組分的混合比例, 雖然不是強(qiáng)制性要求，但是考慮到混合的穩(wěn)定性，實(shí)際工程應(yīng)用中還是A/B 組分的比例差別不大的情況下，更能夠保證混合均勻及穩(wěn)定。A/B 組分1：1 或2：1 或4：1 的混合比例，有利于涂膠機(jī)比較穩(wěn)定、精確地混合，也有利于粘接質(zhì)量的穩(wěn)定保證。

      結(jié)語

      綜上所述，動(dòng)力電池CTP結(jié)構(gòu)的粘接用結(jié)構(gòu)膠，從應(yīng)用角度來看，基本性能要求具有良好的材質(zhì)適應(yīng)性、高強(qiáng)度低模量、良好的耐候性以及阻燃絕緣環(huán)保等基礎(chǔ)性能。配合動(dòng)力電池的組裝工藝過程，在操作時(shí)間、初固定位時(shí)間、觸變性和混合比例方面有一些工程性的工藝性能要求。

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