Введение: новые вызовы для лакокрасочных покрытий со стороны автомобилей на новых источниках энергии
Подъём новых энергетических транспортных средств не только переформировал структуру автомобильной промышленности, но и поставил перед лакокрасочной отраслью беспрецедентные технические задачи. В отличие от традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, трёхэлектрическая система (аккумулятор, электропривод, электроуправление) новых энергетических транспортных средств предъявляет к защитным покрытиям требования, далеко выходящие за рамки традиционной концепции «эстетика + антикоррозия» — батарейный блок требует огнестойкости и теплоизоляции, электроприводной агрегат требует короностойкой изоляции, корпус батареи требует сверхдолговременной антикоррозионной защиты, и эти потребности зачастую необходимо реализовать совместно в одном и том же продукте.
Основные требования новых энергетических транспортных средств к системе «три электрических компонента» (батарея, электродвигатель, электроника управления) к покрытиям заключаются в следующем: батарейный блок требует двойной функции огнестойкости класса UL 94 V-0 и управления теплопроводностью, электроприводный агрегат требует короностойкой изоляции (PDIV ≥ 1500 Вп), а корпус батареи требует стойкости к солевому туману не менее 1000 ч. Технический порог этих трёх требований значительно выше, чем у традиционной автомобильной окраски, и именно это является центральной темой, которую данная статья систематически разберёт.
I. Система защитного покрытия аккумуляторного блока
1.1 Технический принцип огнезащитного покрытия аккумуляторного блока
Огнезащитное покрытие аккумуляторного блока — это вспучивающееся огнезащитное покрытие, наносимое на внутреннюю поверхность корпуса батарейного блока (обычно из алюминиевого сплава, высокопрочной стали или композитных материалов). Его основной принцип заключается в том, что при тепловом разгоне батареи и резком повышении температуры (обычно выше 200°C) содержащиеся в покрытии карбонообразователь, дегидратирующий агент и вспениватель последовательно вступают в химические реакции, образуя плотный обугленный слой толщиной в 50–100 раз больше исходного покрытия. Этот обугленный слой обладает чрезвычайно низкой теплопроводностью (обычно ≤ 0,05 Вт/м·К) и эффективно препятствует теплопередаче, выигрывая для пассажиров драгоценные «золотые 5 минут» на эвакуацию.
Согласно GB 38031-2020 «Требования безопасности к тяговым аккумуляторным батареям для электромобилей», после теплового разгона отдельного элемента аккумулятора батарейный блок не должен воспламеняться и взрываться как минимум в течение 5 минут. Вспучивающееся огнезащитное покрытие является одним из ключевых технических решений для достижения этой цели.
1.2 Теплопроводящее структурное покрытие аккумуляторного блока
В отличие от потребности в «теплоизоляции» огнезащитного покрытия, теплопроводящее структурное покрытие между батарейным модулем и теплоотводящей пластиной должно сохранять высокую теплопроводность в рабочем диапазоне температур батареи (от -30°C до 80°C). В настоящее время основные системы теплопроводящих покрытий включают:
| Тип теплопроводного покрытия | Теплопроводность (Вт/м·К) | Прочность на сдвиг (МПа) | Область применения | Справочная стоимость (юаней/кг) |
|---|---|---|---|---|
| Теплопроводная паста | 1.0 – 5.0 | N/A (нет конструкционной прочности) | Заполнение зазора между модулем и холодной плитой | 50 – 200 |
| Теплопроводный конструкционный клей (эпоксидная система) | 0.8 – 2.5 | ≥ 8 | Конструкционное склеивание ячейки и холодной плиты | 80 – 300 |
| Теплопроводный конструкционный клей (полиуретановая система) | 0.6 – 2.0 | ≥ 5 | Сценарии с требованием гибкости | 60 – 200 |
| Теплопроводная прокладка | 1.0 – 12.0 | N/A (сжатие и восстановление) | Заполнение больших зазоров | 100 – 600 |
| Теплопроводный заливочный компаунд | 0.5 – 2.0 | ≥ 3 | Сплошная заливка модуля | 50 – 150 |
1.3 Антикоррозионное покрытие корпуса аккумуляторного блока
Корпус аккумуляторного блока обычно устанавливается под днищем транспортного средства и напрямую подвергается экстремальным условиям эксплуатации, таким как удары камней с дорожного покрытия, вымачивание в грязи и воде, воздействие противогололедных солей зимой. Типичная система антикоррозионного покрытия корпуса батареи представляет собой:
- Предварительная обработка: силановая обработка или цинкфосфатирование (масса покрытия 2-3 г/м²)
- Грунтовка: Эпоксидная цинконаполненная грунтовка (толщина сухой пленки 60-80 μm, содержание цинкового порошка ≥ 80%)
- Финишное покрытие: полиуретановое или полимочевинное покрытие, стойкое к удару камней (толщина сухой пленки 100–200 мкм, удлинение ≥ 150%)
Данная система должна пройти испытание нейтральным солевым туманом ≥ 1000 ч (ASTM B117) и одновременно соответствовать требованиям стойкости к удару камней (ISO 20567-1, удар при низкой температуре -20°C).
II. Изоляционное покрытие электроприводного агрегата
2.1 Новые требования плоских (шинных) электродвигателей к изоляционному лаку
С распространением высоковольтных платформ 800V рабочее напряжение приводных двигателей повысилось с традиционных 400V до 800V и выше. Моторы с плоским проводом (Hair-pin моторы) стали основным технологическим направлением благодаря более высокому коэффициенту заполнения пазов и плотности мощности. Однако проблема концентрации напряжений в изоляционном слое в местах изгиба прямоугольных проводников в моторах с плоским проводом предъявляет чрезвычайно высокие требования к гибкости и адгезии изоляционного лака.
Ключевые показатели эксплуатационных характеристик электроизоляционного пропиточного лака для электропривода включают:
- PDIV (напряжение начала частичного разряда):≥ 1500 Вп (для платформы 800В рекомендуется ≥ 1800 Вп)
- Стойкость к коронному разряду:≥ 500 ч (IEC 60343, двухполюсное напряжение 1,5 кВ, частота 10 кГц)
- Маслостойкость к ATF: выдержка при 150°C × 1000 ч, сохранение пробивного напряжения ≥ 80%
- Температурный класс:Class H (180°C) или Class C (200°C+)
2.2 Сравнение систем изоляционных пропиточных лаков
| Тип пропиточного лака | Класс нагревостойкости | PDIV (Vp) | Стойкость к маслу ATF | Содержание ЛОС (г/л) | Условия отверждения |
|---|---|---|---|---|---|
| Эпоксидно-ангидридная система | Class F (155°C) | 1200 – 1600 | Хорошая | 50 – 150 | 150°C × 2ч |
| Ненасыщенный полиэфиримид | Class H (180°C) | 1500 – 2000 | Средняя | 30 – 100 | 160°C × 1,5ч |
| Силиконовая система | Class C (200°C+) | 1800 – 2500 | Отличная | 100 – 250 | 200°C × 2ч |
| Водная эпоксидно-полиуретановая | Class F (155°C) | 1000 – 1400 | Удовлетворительная | ≤ 50 | 140°C × 1ч |
III. Защитное покрытие электронной системы управления
Платная защита на уровне печатной платы электронного блока управления (OBC/DCDC/PDU) обычно выполняется с помощью защитного лака (Conformal Coating), чтобы предотвратить отказы схемы, вызванные влажностью, солевым туманом и химическими газами. Дополнительные требования к защитному лаку для электронного управления новых энергетических транспортных средств включают:
- Диапазон рабочих температур: от -40 °C до 150 °C (установка вблизи моторного отсека)
- CTI (сравнительный индекс трекингостойкости): ≥ 600 В
- Теплопроводность: некоторые ОВУ с высокой плотностью мощности требуют, чтобы покрытие обладало определённой способностью к теплопроводности.
- огнестойкость по стандарту UL 94 V-0
IV. Технология нанесения и контроль качества
4.1 Нанесение огнезащитного покрытия на аккумуляторный блок
Способы нанесения огнезащитного покрытия аккумуляторного блока в основном включают безвоздушное распыление и точное нанесение двухкомпонентного клея. Толщина сухой пленки огнезащитного покрытия обычно составляет 1,0 – 3,0 мм, что значительно больше, чем у обычных красок, поэтому требуется специальная технология нанесения толстым слоем. Ключевые контролируемые параметры включают:
- Температура нанесения клея: 25°C – 40°C (предварительный подогрев перед смешиванием двухкомпонентного состава)
- Давление нанесения клея: 15–25 МПа (безвоздушное распыление)
- Равномерность толщины пленки: ±0,2 мм (онлайн-мониторинг толщины лазерным толщиномером)
- Условия отверждения: комнатная температура в течение 7 суток или ускоренное отверждение при 80 °C в течение 4 ч
4.2 Технология электроизоляционной пропитки электропривода
Технология пропитки статора электродвигателя с плоским проводом в основном включает три способа: погружная пропитка (Dip), капельная пропитка (Trickle) и вакуумно-компрессионная пропитка (VPI). VPI является наиболее надежным способом обеспечения высокого PDIV: вакуум удаляет пузырьки воздуха внутри обмотки, а затем под давлением изоляционный лак полностью пропитывает её.
V. Отраслевые тенденции и технические перспективы
В перспективе 2026–2030 годов технологии покрытий для трёх ключевых систем (батарея, электродвигатель, электронный контроль) новых энергетических транспортных средств будут развиваться в следующих направлениях:
- Многофункциональная интеграция: одно покрытие одновременно обеспечивает огнестойкость + теплопроводность + изоляцию, сокращая количество операций и видов материалов
- Интеграция CTP/CTC: с развитием технологий Cell-to-Pack и Cell-to-Chassis покрытие должно быть непосредственно совместимо с элементами питания и конструктивными деталями кузова
- Новые требования к твердотельным батареям: твердый электролит чрезвычайно чувствителен к влаге и требует герметизирующего покрытия с extremely высокой пароизоляцией
- Облегчённое нанопокрытие: с использованием технологии модификации аэрогелем или заполнения полыми микросферами плотность покрытия снижается на 30–50%
- Интеллектуальное самовосстанавливающееся покрытие: после повреждения покрытия оно способно к самостоятельному восстановлению, что продлевает срок службы батарейного блока
Часто задаваемые вопросы: типичные проблемы покрытий для трех ключевых систем (батарея, электродвигатель, электронное управление) новых энергетических транспортных средств
Q1: Как огнезащитное покрытие батарейного блока и пассивная система пожаротушения работают совместно?
Огнезащитное покрытие обеспечивает первый барьер против горения, при начале теплового разгона оно начинает вспучиваться и формирует обугленный слой. Пассивная система пожаротушения (например, аэрозольный огнетушитель) выступает вторым рубежом защиты и активируется при дальнейшем повышении температуры до порога срабатывания. Вместе они образуют двойную архитектуру защиты «пассивная огнезащита + активное пожаротушение».
Q2: Как выбрать стандарт PDIV для электроприводного изоляционного пропиточного лака?
Значение PDIV должно быть не менее чем в 1,5 раза больше пикового рабочего напряжения двигателя. Для платформы 400 В PDIV ≥ 900 Вп; для платформы 800 В PDIV ≥ 1500 Вп (рекомендуется ≥ 1800 Вп для создания запаса безопасности).
Q3: В чем различие в технологии нанесения теплопроводного конструкционного клея и теплопроводной заполняющей пасты?
Теплопроводный конструкционный клей требует точного контроля траектории нанесения и количества клея (обычно используются сервоприводные дозирующие клапаны), поскольку он одновременно выполняет функцию структурного склеивания; теплопроводная заполняющая паста в основном заполняет большие зазоры, требования к точности нанесения относительно низкие, но предъявляются требования к сжимаемости и упругости восстановления.
Q4: Взаимосвязь между теплоизоляционным покрытием между элементами и огнезащитной плитой уровня модуля?
Теплоизоляционное покрытие между элементами (например, покрытие из аэрогеля или слюдяная бумага) используется для замедления распространения теплового пробоя отдельного элемента на соседние элементы; огнезащитная плита уровня модуля (например, слюдяная плита) обеспечивает более высокий уровень огнезащитной изоляции на уровне модуля. Функции этих двух решений взаимодополняющие и совместно формируют многоуровневую систему защиты от теплового распространения.
Q5: Как решить проблему адгезии магниевого основания корпуса батарейного блока?
На поверхности магниевого сплава легко образуется рыхлый слой оксида магния, что приводит к плохой адгезии покрытия. Решения включают: предварительную обработку микродуговым оксидированием (MAO) для формирования плотного керамического слоя, обработку специальным силановым аппретом (с системой Zr/Ti) или использование эпоксидного грунта с особыми адгезионными добавками.
Q6: Каковы требования к стойкости изоляционного лака к маслу ATF в среде масляного охлаждения электропривода?
Изоляционный лак масляного охлаждаемого электропривода должен пройти тест на старение при выдержке в масле ATF: после выдержки в масле ATF при 150°C в течение 1000 ч коэффициент сохранения пробивного напряжения должен быть ≥ 80%, а лаковая пленка не должна иметь вздутий, размягчения или отслаивания. Силиконовая система показывает лучшие результаты в этом тесте.
Q7: Какие новые проблемы создает платформа высокого напряжения 800 В для изоляционного покрытия?
Проблемы платформы 800 В включают: более высокие требования к PDIV (≥ 1500 Вп по сравнению с 900 Вп для платформы 400 В), более сильный эффект коррозии от частичных разрядов, более строгие требования к диэлектрической проницаемости и фактору диэлектрических потерь изоляционного лака, а также более высокие нагрузки du/dt из-за высокочастотного переключения (компоненты SiC).
Q8: Как покрытие батарейного блока проходит тепловые испытания на распространение по GB 38031-2020?
GB 38031-2020 требует, чтобы батарейный блок в течение 5 минут после инициирования теплового разгона одного элемента не воспламенялся и не взрывался. Стратегии покрытия включают: нанесение вспучивающегося огнезащитного покрытия толщиной ≥ 2 мм на внутреннюю поверхность верхней крышки батарейного блока, заполнение межэлементного пространства теплоизоляционным заливочным компаундом, а также укладку композитного покрытия с теплопроводностью и теплоизоляцией на дно модуля.
Q9: Как низкоплотное теплоизоляционное покрытие достигает цели снижения веса?
За счет введения легких наполнителей, таких как полые керамические микросферы (плотность 0.2-0.6 г/см³), аэрогелевый порошок (плотность 0.1-0.3 г/см³) или вспененные микрокапсулы, плотность огнезащитного покрытия может быть снижена с 1.3-1.5 г/см³ до 0.6-0.9 г/см³. Однако следует учитывать, что низкая плотность может повлиять на прочность обугленного слоя, и требуется балансировка путем оптимизации рецептуры.
Q10: Как окрасочная линия обеспечивает совместимость традиционной краски для кузова и специальных покрытий для трех электрических систем?
Батарейные блоки и электроприводные агрегаты обычно не окрашиваются на линии окраски кузова, а проходят окраску на отдельной специализированной линии. Температура отверждения покрытий для трех электрических систем обычно ниже, чем у традиционной краски для кузова (катафорез 180-200°C против часто 80-150°C для покрытий трех электрических систем), поэтому совместное производство на одной линии невозможно. Некоторые новые заводы используют параллельную компоновку «основная линия + вспомогательная линия» для повышения эффективности.
Q11: Как проводить испытание и оценку кратности вспучивания коксового слоя огнезащитного покрытия?
Согласно методу испытания кратности вспучивания в стандарте GB 14907-2018 «Огнезащитные краски для стальных конструкций», образцы покрытия нагревают в муфельной печи при различных температурах (300°C, 500°C, 800°C) и измеряют отношение толщины коксового слоя к исходной толщине. Обычно требуется кратность вспучивания ≥ 20 раз, а структура коксового слоя должна быть плотной, однородной и без сквозных трещин.
Q12: Какие требования к соответствию экологическим нормам предъявляются к покрытиям для аккумуляторных батарей?
Необходимо соответствовать ограничениям GB 24409-2020 «Ограничения на вредные вещества в лакокрасочных материалах для транспортных средств» в отношении ЛОС, тяжелых металлов (Pb, Cr6+, Hg, Cd), бензольных соединений и гликолевых эфиров. Для экспортируемых аккумуляторных батарей также необходимо соответствовать ограничениям директивы ЕС ELV (2000/53/EC) и регламента REACH в отношении веществ, вызывающих особую обеспокоенность (SVHC).
См. также / Похожие материалы
Резюме
Защитное покрытие для системы «три электрических компонента» новых энергетических транспортных средств — это область с высокой степенью технической междисциплинарности, охватывающая науку о противопожарных материалах, технику электрической изоляции, проектирование теплового менеджмента и технологии защиты от коррозии — четыре профессиональных направления. При выборе схемы покрытия необходимо исходить из целей общей безопасности транспортного средства и с учетом конструкции батарейного блока, уровня напряжения электроприводной платформы и ограничений производственных затрат проводить системный выбор решения и планирование технологии. Завод лакокрасочных материалов Kexin New Materials уже предоставил индивидуальные решения защитных покрытий для системы «три электрических компонента» нескольким предприятиям по производству транспортных средств на новых источниках энергии. Свяжитесь с нами для получения профессиональной технической консультации.