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工业粘合剂如何为新能源汽车保驾护航
  2023-11-07      314

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好乐紫外技术贸易(上海)有限公司 邵建义 博士

随着改革开放的持续深化,中国经济也已取得了举世瞩目的腾飞,已成为全球第二大经济体,正在从制造大国迈向制造强国。另一方面,人类社会正在经历百年未有之大变局,国际形势错综复杂,地区冲突不断加剧。受多重因素的影响,全球经济增长乏力,通胀压力持续增大。美国不断加大对华制裁力度,阻碍了产业链全球化的进程,也对作为全球制造中心的中国产生了不利的影响。然而,2023年上半年中国经济增长5.5%, 说明了中国经济的韧性强、动力足,给全球经济的企稳回暖提供了强有力的支撑和信心。在支撑并引领中国经济的诸多领域中,新能源汽车无疑是最受关注的行业之一。

中国的新能源汽车行业,始于2001年,规模化于2010年, 经过10余年的规模化探索与沉淀,目前已经步入了快速发展的黄金阶段。从产量方面看,2023年7月3日,我国新能源汽车生产累计突破2000万辆;从技术发展层面看,纵观汽车产业的百年发展史,就是一个汽车不断电子电气化的过程。以电子元器件的成本占比为例,70年代普通汽车的电子元器件的成本占比为2-3%, 到2016年这一占比上升到20%,目前已经超过30%,估计到2030年达到50%。目前一个电动汽车的芯片数量是500到1000个左右。尤其近年来高速发展的5G通讯、人工智能、物联网等新技术给新能源汽车产业赋予了巨大的发展空间和活力。汽车的电子化、网联化和智能化俨然已经成为新能源汽车发展的必由之路。

一部新能源汽车,大概有1.5万个零件。尤其是无人驾驶技术的引入,需要大量的传感器、作动器、摄像头、激光雷达等硬件的支撑。新能源汽车的安全、舒适和智能化离不开各零部件的高可靠性、高灵敏性。在这些零部件的生产制造、安装组装过程中,会大量用到工业粘合剂,即工业胶水。那么工业粘合剂对新能源汽车的安全性、高可靠性和舒适性到底起到什么作用?又是如何助力新能源汽车行业高速、高质量发展?

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图1新能源汽车中要用到大量的传感器、作动器、摄像头等元器件

我们以智能辅助驾驶和无人驾驶技术中最重要的一个模块单元——激光雷达来说吧。激光雷达,即LiDAR,是Light Detection and Ranging的英文缩写。它就好比无人驾驶车辆的眼睛,给车辆的控制系统提供车辆周围环境即路况的详细信息,车辆的“大脑”才能相应的做出判断并发出指令以控制车辆安全、平稳的运行。激光雷达是一套非常复杂的系统,主要由激光发射、激光接收、信息处理、扫描系统组成;按扫描方式分,可分为机械式、混合固态和纯固态。以目前技术比较成熟并且市场占有率最高的混合固态式的激光雷达为例,从激光雷达中的单个元器件制造,到雷达的整体组装,工业粘合剂都起到了不可替代的作用。比如其中的摆镜和相关支架的装调,铝制的反射板轴的加固,都需要用高性能的工业粘合剂进行粘接,这些粘接都要满足汽车行业的严苛的可靠性测试,包括高温存储、低温存储、温度循环、高温高湿等测试。而且不会发生任何的连接失效,因为任何的失效,就会导致激光雷达无法正常工作。这就好比一个人在蒙着眼睛进行百米赛跑,其危险性是不言而喻的。国际知名工业粘合剂供应商——德国Panacol公司专门针对摆镜粘接的应用,开发了一款紫外光固化的高效工业粘合剂,即使通过1000小时的高温存储和低温存储,其强度衰减只有5%。就从根本上保证了激光雷达摆镜连接的长期可靠性。

激光雷达的接收端有一个Rx的探测器模块,这个模块对封装要求十分严格:SiPM芯片通过芯片贴装技术贴装在特制的陶瓷基板上,陶瓷基板上要通过3到4次的金属沉积形成一个500到600微米的金属支架,上面再度金,形成完整的支架。再把一片透明的玻璃用工业粘合剂贴到支架上,形成一个密封的腔体,来保护这个探测芯片。这里对粘接玻璃和支架的胶水要求非常高,比如尺寸为5×2.5毫米的玻璃,粘接推力要达到三公斤以上。而且在汽车的整个生命周期内,不能出现任何粘结失效问题;同时还要满足IP67的防水等级,以及后面的氦气气密性测试。而且,后续的玻璃粘贴的平整度也都有严苛的要求。这就对激光雷达能够及时、准确的接收到反射信号提供了强有力的保障!

扫描系统里面有一个旋转电机,这也是一个核心零部件。为了保证电机能够长期有效的工作,它的壳体也需要用胶水进行灌封;这里面胶水要面对不同的材料,比如铝合金的外壳,漆包线等。所以,胶水要对不同的材质粘接性能好并且后续要平衡不同材料在温度变化下的热胀冷缩,同时也要能长期耐受由于电机长时间工作而产生的高温。从工艺层面讲,胶水要有好的流淌性,能把电机内部的复杂的缝隙灌满。保证内部没有气泡。

激光雷达是一个复杂的系统单元,林林总总的需要用到胶水粘接或者密封的地方还很多,比如还有视窗的粘接或者密封等。这其中对粘接的要求都非常高,任何可能的粘接的失效,都意味着激光雷达的失效,这对行驶中的汽车的安全会造成极大的威胁。所以为了保证激光雷达的正常的工作,提供超高性能的工业粘合剂是非常重要的任务。

电动汽车中另外一个重要的部件就是BDU (Battery disconnect Unit)单元,也就是电池包断路单元。BDU总成一般包含如下部件:系统主路接触器,用来打开/切断电池包主路直流电流;预充继电器,用来保护高压电路免受系统上电时的瞬时大电流冲击;电流传感器,用来测量和计算电池包容量。BDU单元如果是箱外安装,就要连接电池包,则需要IP 67等级的防水,以确保车体的安全。

传统的壳体密封,通常采用橡胶密封圈来实现。但是对于BDU单元的壳体密封来说,这里边有两个痛点:其一就是BDU所用上下壳体的结合面是三维立体的,而传统的密封圈一般是适合于二维的平面的壳体;其二就是 BDU壳体的壳子是压铸铝成形的,很难在压铸的过程中形成一个放置传统密封圈的垫圈槽。所以无法直接固定垫圈。如果要实现这样一个槽的话,后续需要额外的机械加工工序,成本会非常高。在这种情况下如果采用一种特殊的工业粘合剂——现场成型垫圈(FIPG—Forminplace gasket)进行密封,那么就克服了如上的两个痛点。即用机器人匀速地把特制的需要紫外光固化的胶水(UV胶)打在结合面相应位置,然后进行不到一分钟的紫外光照射,就完成了胶水的固化,形成了弹性极好的垫圈。由于这种UV胶水是特制的,所以在打胶的过程中,它能够非常好的保持形状,即使在三维的斜面上打胶,也不会流淌变形,所以整体的形状保持会非常好,另外它是UV胶,可以在仅仅不到一分钟的时间,就完全从液体变成一个弹性非常好的高分子材料,即完成固化。而且在固化后,这样一个高分子材料对结合面正好有一定的粘接力,所以也能实现很好的定位。克服了常规密封垫圈的不足。并且完全可以满足IP67的防水等级。

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图2工业粘合剂作为3D密封垫圈在汽车中的应用

电动汽车都会有一个非常重要的模块单元——电池管理系统(BMS),其作用是保证电池在整个生命周期内安全、可靠、高效的使用,它也会检测电池在充放电等过程中的电压、电流、温度、容量等参数是否在安全范围内,以确保电池的安全使用。从而保证电动汽车的可靠性、耐用性和性能稳定性。BMS中的CCS集成母排,是动力电池BMS管理系统里的一部分,它通过PCBA、FPC和连接器组件将电池的温度、电芯电压等信号传输到BMS电池管理系统。母排上FPC接插件PIN脚之间的间距只有不到0.5毫米,却要承受极高的电压,如果不对pin脚外漏部分进行保护,那么很容易在使用过程中被电压击穿,形成电池包的短路,从而酿成大祸。目前,保护pin脚这一光荣而艰巨的任务,就是胶水来完成的。这里对胶水的要求同样特别高:首先要确保不能被高电压击穿,所以胶水要有高的介电强度;其次胶水在两面喷涂的厚度也有严苛的限制,一般不能超过0.2毫米,而且整个保护区域的面积,也就是胶水溢流控制也必须到位。这就对胶水粘度的设计提出了很高的要求;其他方面的要求还包括比如与软板材料的粘接强度高,耐腐蚀、耐机械冲击好,吸水率低,固化速度快等。

电机是新能源汽车最核心的零部件之一,就好比是传统燃油汽车的发动机。如今对于一部分高端车来讲,驱动电机甚至不止一个。新能源汽车所用电机的种类不尽相同,永磁同步电机由于其具有体积小、质量轻、效率高等明显优点而被广泛使用。新能源汽车的强大动力和加速度,都是靠电机提供的,而电机要完成这一功能,在结构上就离不开磁铁。永磁电机上的磁铁必须牢牢的用胶水粘在电机的转子/壳体上。汽车在行驶的过程中,会不断的产生振动,而且电机工作过程中会不断的发热,这两种载荷的叠加对胶水来说是一个很大的考验,要确保它在整个汽车的使用周期内都不得有任何失效,这就要求胶水供应商要开发出超强的长期耐高温的磁铁粘接胶水。国际知名胶水供应商品牌Panacol公司针对这一应用,专门开发出了一款高性能环氧胶St5858,对钢和铝的粘接强度超过34MPa,甚至在100度的高温下,还有非常强的粘接牢度。

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图3工业粘合剂粘接永磁电机中的磁铁

如上我们只是简单的列举了几个汽车上需要用到胶水的零部件。其实在汽车上需要用到胶水的零部件不胜枚举,比如电动汽车的电池包中,会用到大量的胶水,进行电池的定位,电池包的灌封以及散热等。汽车用的摄像头,未来一部汽车可能会有十几个甚至二十几个摄像头,每个摄像头都要高清地拍摄到周围的环境状况,为了保证这个“高清”效果,核心零件之间就是靠胶水进行粘接和对位的。还包括HUD,也就是汽车的抬头显示系统,以及汽车的迎宾灯,这里面的关键光学部件,甚至就是靠胶水来共同实现的。还有汽车的大灯,各种传感器,包括电池中以及电机中的的温度传感器的灌封,电路板上的元器件的加固,甚至是整个电路板上的三防漆等等,林林总总,不胜枚举。根据初步估算,传统燃油车的用胶量大概是20公斤左右,而新能源汽车的用胶量,应该是传统汽车的二到三倍。

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图4工业粘合剂作为电池包的可靠链接,必不可少!

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图5 工业粘合剂在现代汽车微型摄像头系统的粘接方案

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图6 工业粘合剂在传感器技术上的灌封应用

从以上汽车行业的分析可以看出,工业粘合剂作为一种连接方式,具有明显的优势。它不同于繁冗的机械连接,比如铆接、螺纹连接、焊接等,它几乎不占额外的空间,可以实现微型化、轻量化;粘接的速度快,有时UV胶仅需要一秒的时间,并且实现高强度连接;它可以把各种不同的材质,不同形状和构造的零件连接起来,而且内应力小。其实,在现代电子制造业中,胶水的作用已经不限于简单的物理连接,还包括加固、定位、保护、灌封、防水、绝缘、密封、防腐蚀等等。不仅如此,有时候胶水本身也可以作为功能材料使用,比如除了粘接以外,还可以导电、导热、阻尼、静电屏蔽,或者作为光学材料使用,包括透光、导光、遮光、消光、散光等。正是由于这些优势,工业粘合剂在电子化比重越来越高的新能源汽车制造生产过程中必将发挥越来越大的作用。

当今技术的飞速发展,尤其是物联网、大数据、云计算以及人工智能与制造业的不断深度融合,以及在节能减排和绿色引领的驱动下,使得新能源汽车行业必然会得到迅猛的发展。而现代科技的发展也赋予了工业粘合剂这一古老而传统的连接方式全新的内涵和外延,使其完全突破了作为传统连接方式的作用,正在新能源汽车的生产制造中发挥着越来越多元化的不可替代的作用,也定能助力新能源汽车行业的腾飞!

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图7为汽车保驾护航,Panacol只做雪中送炭,不做锦上添花!

作者简介:

邵建义毕业于大连理工大学,获博士学位。现任德国好乐集团上海分公司董事,总经理。邵建义博士曾于德国帕德博恩大学机械系任博士后研究员,从事工业粘合剂的计算机模拟、仿真与实验研究。其后,他一直活跃于胶黏剂行业。在这近20年的工作中,邵博士积累了大量而宝贵的工业粘合剂应用经验。他深入耕耘不同的行业,包括微型扬声器、CCM/VCM、触摸屏、智能卡、RFID、汽车电子、医疗、光伏等。尤其对把UV胶水推广到微型扬声器行业,做出了不可磨灭的贡献!在此期间,邵博士在不同行业成功开发完成了一系列重大项目,并在专业杂志和网站上发表10余篇文章,也曾给40余家世界500强及国内外知名企业做过关于胶黏剂应用方面的培训。

公司简介:

德国上市集团好乐公司是国际领先的紫外光源系统供应商之一。 德国Panacol 作为德国好乐集团旗下专业的高端工业粘合剂供应商,已具有50年的历史,是全球最早从事UV胶水研发的公司之一,也是全球最早把环氧类型UV 胶实现商业化的公司。Panacol公司长期致力于消费电子、汽车、一般工业、航空航天、光电以及医疗等多领域的工业粘合剂的研发、生产和销售,产品线十分丰富,尤其Panacol 研发生产的VU胶、环氧结构胶和导电胶,以其卓越的品质,独特的性能而享誉全球。好乐紫外技术贸易(上海)有限公司是好乐集团在中国的全资子公司。

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