不断演进的电动汽车驱动系统对工程塑料提出新要求

---电动化交通推动塑料创新

美国的监管变化可能减缓了电动汽车的普及速度，但全球形势却截然不同。根据国际能源署的数据，2024年电动汽车占新车销量的比例超过20%，并预计在2025年将增长至25%。在中国，价格下跌预计将使这一比例推高至60%。

电动汽车的总零件数量远少于燃油车。对于电动汽车与燃油车共用的零件，传统的汽车复合材料通常能够提供所需的强度、安全性和耐久性。但一些电动汽车零件面临着独特挑战，特别是对高功率系统的绝缘和热量的散发需求。

更快充电、更紧凑模组、不断变化的架构

电动化转型不仅是整个电动车系统平台的巨大变革，更是从成熟技术向仍在快速发展技术的转变。持续演进的电动汽车设计对塑料零件提出了新要求。多家整车厂正将电池包从400伏向800伏架构过渡，其物理布局也在发生变化。电芯被集成到更少的模组中，同时被整合进车身底板，零部件也在进行轻量化和小型化改造。这些变化推动材料创新，以提供必要的热性能、电绝缘性、电磁屏蔽能力和化学耐受性。

高压下的电气性能

虽然目前道路上行驶的大多数电动汽车采用标准的400伏架构，但更高电压已得到广泛应用。800伏架构于2019年随着保时捷Taycan的量产而首次推出，现已应用于2025款现代Ioniq 5和起亚EV5等主流车型，多家汽车制造商也计划跟进。

从400伏向800伏的升级意味着更快的充电速度（在使用大功率充电桩时）、更高的充电效率（因废热减少）以及更优的性能表现。这也向材料生产商提出了满足更严苛规格要求的挑战。

"消费者最担心的是续航里程。快速充电有助于缓解这一担忧，因为充电时间从数小时缩短到了几分钟，"Syensqo公司高级副总裁布莱恩·巴莱诺表示，"从材料角度看，这需要具有高介电强度和高漏电起痕指数的材料。"

在高电压下，绝缘体可能击穿并变得导电，导致短路。介电强度是指在绝缘体发生这种击穿前所能承受的最大电场强度。比较漏电起痕指数（CTI）是衡量材料表面抵抗形成导电碳化路径的能力。

电气故障可能在电动汽车驱动系统中蔓延，带来火灾甚至爆炸风险。法规要求电动汽车中的绝缘材料即使在暴露于极端高温后仍能保持其完整性。

高压电机绝缘

更高电压的电池意味着驱动系统各部件电压的相应提升，包括电动汽车电机。在此处，所有电压转化为动力，铜绕组内部的温度可达180°C。漆包线带有绝缘层以防止短路，电机定子槽内还有额外的衬里以与金属保持隔离。

沃尔沃在其全新的800伏电动汽车平台中，使用Syensqo公司的Ketaspire PEEK（聚醚醚酮）作为漆包线绝缘材料，使用Ajedium PEEK薄膜作为槽衬。这些应用的传统材料分别是聚酰亚胺或聚酰胺-酰亚胺（PAI）磁漆，以及芳纶纸。PEEK材料在高温下具有更好的稳定性。这类电机也采用液冷方式，PEEK材料同时还提供耐化学性和低吸湿性。该解决方案也已被Mavel Powertrain公司选用于某款未指明的高性能跑车。

抗热冲击性

母线连接电动汽车驱动系统的各个部件，例如在充电系统与电池之间、电池组件之间（单个电芯或模组）、电池与配电单元之间，以及逆变器与电机之间提供导电路径。导电材料外包覆塑料以提供导热性和电绝缘性。

母线在快速充放电或极端天气条件下可能遭受热冲击。铜的热膨胀系数（CTE）相对较低，因此在加热和冷却时膨胀和收缩不大。如果用热膨胀系数更高的材料进行包覆成型，热循环会在绝缘层中产生应力，导致开裂并影响性能。

"根据热塑性绝缘材料在受热时相对于金属导体的膨胀/收缩情况，也需要一定的应变储备，"塞拉尼斯公司汽车营销经理约阿希姆·弗洛克解释说。

塞拉尼斯通过使母线经受温度骤变循环并记录裂纹出现所需的时间来研究抗热冲击性。塞拉尼斯为此应用供应新型玻璃纤维增强聚酰胺Zytel HTN系列，牌号FE130008和FE130009。除材料选择外，金属嵌件的设计、流动长度和绝缘厚度也是重要因素。

抗热冲击的母线设计和材料对车辆安全至关重要，因为绝缘层可以防止电弧和短路，并降低热失控风险。

电动汽车设计趋势可能会使材料科学变得更加重要。"我们看到设计日益紧凑化的趋势；因此，电气绝缘性能将比过去发挥更重要的作用，"弗洛克表示，"此外，温度升高也要求材料具备更好的导热性。"

平台变革催生复杂零件

为了更好地设计车辆其余部分，汽车制造商也在努力使电池包更加紧凑，并将其与车身底板集成。他们正在缩小电芯间距并尽可能实现轻量化。

凯迪拉克Celestiq的低矮车身设计需要完全不同于其它通用电动汽车模组配置的定制电池包设计。除了提供结构支撑、电气隔离和维持低热失控风险外，模组盖板还需要为模组外壳提供冷却通道。SABIC公司的玻璃和矿物填充聚酰胺复合材料Konduit PX11311U被Sun Microstampings公司用于模制该零件，该零件入围了塑料工程师协会汽车创新奖决赛。

该化合物的热导率远高于典型的聚酰胺材料，使其能够在保持电气隔离的同时安全地将热量从电芯导走。高导热性使其能够省去一个冲压金属部件。

即插即用的快速充电系统

快速充电通过缩短充电站周转时间来缓解里程焦虑，但要让车主在路上体验到这一优势，他们不仅需要一辆具备快充能力的汽车，还需要能够使用大功率充电系统。根据美国能源部的数据，仅有不到3%的公共充电桩功率达到350千瓦或以上。便捷的超快充电将需要更多数量防水、耐用、安全且稳定的充电系统。这意味着需要塑料工程技术的支持。

充电连接器暴露在自然环境中，确保其能正常运行至关重要，因此其制造材料不仅要具备可靠的电气和热性能，还要具有高耐久性和抗冲击性。尼龙PA 6和PA 66具有良好的漏电起痕性能和断裂伸长率，但缺乏尺寸稳定性。

"开发适用于多种应用的绝缘材料的主要挑战在于平衡有时相互冲突的性能组合，" Envalior公司聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）全球业务总监马克·马尔巴赫表示。

该公司为此应用推出了新型PBT牌号Pocan BFN4232ZHR。

新型Pocan材料在0.75毫米厚度下具有V0阻燃等级，高耐水解性，即使在85°C和85%相对湿度下储存1000小时后，仍能保持70%以上的断裂伸长率。据马尔巴赫介绍，其机械性能使得卡扣结构的精细设计成为可能，而尺寸稳定性对此至关重要。

推动塑料技术前行

超快充电可能消除许多潜在电动汽车用户的入场障碍。这可能导致更多整车厂转向800伏系统甚至更高。Lucid Air已经采用了924伏架构。

电池模组的集成化仍在继续；大众和Stellantis正在引入名为"电芯到电池包"的无模组电池包。

未来电动汽车设计可能会趋于稳定，各品牌将在一个成功的配置上提供不同变体，这一设计将像6英寸玻璃矩形板对手机的影响一样改变汽车。但目前，电动汽车市场仍然是一个充满活力的领域。这里列出的少数几种聚合物应用，以及其他数十种应用，在未来数年内仍将是材料创新的沃土。