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【聚焦】碳纖維復合材料在電動汽車輕量化領域中的應用

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【聚焦】碳纖維復合材料在電動汽車輕量化領域中的應用

發布日期:2018-07-12 作者:上海越科新材料股份有限公司 點擊:

      能源枯竭和環境惡化是阻礙可持續發展的兩大頑疾,由于節能減排的迫切要求,電動汽車的技術研發和產業化發展受到了越來越多的重視,以美國、歐洲為代表的發達國家積極展開電動汽車產業發展的實踐。中國作為快速崛起的大國,近年來汽車銷量急劇增長,石油需求大幅攀升,快速的工業化導致環境污染日趨嚴重。在這樣的背景下,中國發展電動汽車具有重大的現實意義,不僅有利于降低對石油的依賴,保證我國的能源安全,也有利于我國的環境保護和可持續發展。“十三五”期間,國家科技計劃將加大力度,持續支持電動汽車科技創新,把科技創新引領與戰略性新興產業培育相結合,組織實施電動汽車科技發展專項規劃。

       我國電動汽車行業已經有了一定的發展,但鑒于當前電池的能量密度、功率密度較低,導致電動汽車實際續航里程較短,而想要克服電池發展的瓶頸還有很長一段路要走。考慮到電動汽車的整車重量也是影響其續航里程的主要因素之一,因此除了加快電池、電機技術的研發,電動汽車車身輕量化方面的研究工作也應重視。




輕量化方向


       電動汽車輕量化可以從電池技術、電機技術、車用材料和汽車結構四個方面入手。在當前電池和電機的技術水平下,最大程度的輕量化要求我們在車身結構,材料的選擇與替代兩個方面進行合理優化,以此平衡電池包和電機的重量。

       1、結構輕量化。車身結構優化在滿足諸如車身剛度、模態、碰撞安全、疲勞壽命等特性的同時,也必須考慮車身結構的可制造性和生產成本。在結構優化方面,我國已經邁出了重要一步,車身結構設計相對成熟,優化空間正在減小。

       2、材料輕量化。目前仍以高強度鋼、鎂、鋁和塑料作為主要汽車材料組合。在輕量化趨勢下,我們應當深化多種材料組合的應用,在優化組合的同時引入新材料,其效益不僅是輕量化結果本身,對整車開發技術來講也是一種進步。

       結構優化發展較早的原因之一是未找到合適的輕量化材料替代汽車用鋼。鋁出現后,便以優異的性能開始應用于車身,同時玻璃纖維伴隨其他復合材料也開始出現。如今,碳纖維憑借其優越性幾乎可以完全替代鋼材料。當前已經有憑借碳纖維材料的優異特性成功降低車重和碳排放的實例,尤其在一些新款電動車中,人們可以找到碳纖維材料的身影。



應用現狀及效果



       國外電動汽車的碳纖維車身技術已經從實驗室走向生產。雷克薩斯LFA研發團隊深入研發碳纖維復合材料的生產技術,由65%的碳纖維增強塑料和35%的鋁合金材料構成的車身,比同樣的鋁制車身輕約100 |千克,結構更堅固。寶馬于2011年推出的Hommage全新概念車采用輕量化碳纖維復合材料,整車質量只有780千克。未來寶馬將要推出的電動汽車將更多地采用碳纖維,新電動車底盤也將在很大程度上采用碳纖維增強熱固性塑料。梅賽德斯奔馳SLR超級跑車,車身幾乎全部采用碳纖維復合材料,由于強化了碳纖維的應用,在碰撞中具有高效的能量吸收率。更值得一提的是該車在搭載240千克電池包的情況下整車重量不超過850千克。這一應用在降低整車質量的同時兼顧了汽車性能與安全,可見碳纖維復合材料對于平衡電動汽車電池包重量的顯著效果。

       碳纖維復合材料具有質輕高強、耐磨、熱導率大、自潤滑、耐腐蝕、抗沖擊性好、疲勞強度大等優越性。對于汽車生產商來說,碳纖維復合材料車身還具有集成化、模塊化、總裝成本低、投資小等優點,避免了傳統車身的噴涂過程和相應的環保處理成本。由于碳纖維增強復合材料有足夠的強度和剛度,是適于制造汽車車身、底盤等主要結構件的材料。目前,在賽車和高檔跑車之外,碳纖維增強復合材料可以很大程度地應用于傳統汽車中替代傳統零部件材料,如發動機系統、傳動系統、底盤系統,最重要的是車身。目前汽車車身重量的3/4是鋼材,輕量化空間很大,碳纖維復合材料是車身輕量化材料很好的選擇。這種材料的替換應用同樣適用于電動汽車車身,它的應用將可大幅度降低汽車自重達4060%,對汽車輕量化具有十分重要的意義。



大規模應用的阻礙因素



       碳纖維復合材料與汽車完美結合卻未欣欣向榮的原因,除了其本身的技術因素外,還有其他因素:

       1、性價比,也就是成本是生產商必須考慮的。輕量化的成本在一定程度上會成為后期節能的前期投入,反映在價格上就是整車的價位比較高。

       2、汽車發展和產品環境。金屬材料所占的市場及成熟的行業體系是碳纖維復合材料發展的主要障礙。碳纖維復合材料的技術及產品發展周期很難得到汽車投資者的青睞,況且針對汽車與碳纖維復合材料的規模性生產結合需要一定的前期投資。

       3、供應商的結構和能力。碳纖維復合材料供應商四分五裂,在資源和生產能力上有限,不具備設計、生產、實現汽車各種性能要求的系統研發能力。

引入方式

       如何將碳纖維復合材料引入汽車系列產品尤其是電動汽車系列產品是我們必須考慮的關鍵步驟,現今的汽車是各種功能型材料的完美組合體。碳纖維復合材料應用于車身的優點顯而易見,然而成本居高不下成為制約其在汽車工業中大規模應用的瓶頸。

性能優秀

      中航復合材料有限責任公司作為國內復合材料行業的領軍企業,于2016年1月啟動全復合材料客車車身研發項目,設計組成員與整車企業中植航電動汽車南通有限公司聯合設計,首輛全復合材料車身電動客車于同年7月制造完成。該客車車身采用高強度碳纖維與低成本玻璃纖維混合制造,成功實現了車身輕量化,使得行駛安全性和乘車舒適感有所提升。該客車更具備零排放、無污染,充電快,電耗低等優秀性能。

結構合理

       在設計初期確定車身結構方案階段,設計人員對比了三種結構形式:預成型骨架方案,層合梁骨架方案和無骨架方案。經分析比較,上述三種方案強度水平基本相當,有骨架方案具有剛度優勢,但三種方案均能滿足剛度要求。重量方面,三個方案無明顯差別,但無骨架方案在工藝性和成本方面具有明顯優勢,所以最終選定無骨架車身結構作為設計方案。

控制成本

       選材時考慮到玻璃纖維價格低,技術較為成熟,在性能方面具有較好的斷裂應力應變能力,但缺乏剛性。于是設計人員將碳纖維與玻璃纖維兩種材料按適當比例混合,綜合兩種纖維增強復合材料的性能,從而減少碳纖維的用量,降低生產成本。

       該客車采用真空輔助樹脂灌注(VARI)工藝制造而成,目前國際上復合材料客車車身基本都采用VARI工藝制造,其最大的優點是成本低,缺點是制件外觀存在細節上的瑕疵。除VARI工藝外,復合材料車身結構目前比較成熟的制造工藝還包括預浸料袋壓/熱壓罐、模壓、樹脂壓鑄(RTM)等,國外高端轎車采用的工藝主要是RTM和模壓工藝,其優點是制件質量好,工藝比較穩定,缺點是制造成本高,制造技術要求高。

減重明顯

       由于結構合理、選材得當,12米長的客車總重量僅為8.5噸,相比同級別車重量降低4~5噸,減重達30%以上。能夠實現2小時快速充電并且一次充電續航里程高達300千米,又因為整車重量減輕,使得電池剩余電量在低于25%情況下客車仍可正常行駛。

抗沖擊

       在側翻試驗過程中,當側翻角度達到49°時,整車隨即翻倒在地面,所有車窗玻璃破碎,然而車身未出現任何扭曲、撕裂及變形,并且安裝在車頂部近兩噸重的電池及箱體也保持完好無損。

抗翻滾性

       由于碳纖維復合材料的強度和模量均是高強度鋼和輕質鋁合金的數倍,因此該客車具有很高的結構強度和抗瞬間沖擊能力,其側傾角可達38°以上,比國內同類車指標優化20%以上,具有更好的抗翻滾性。

阻燃隔離

       近兩噸的電池箱體采用世界首創的頂置模式,充分證明車身的高強度性能,同時由于采用了阻燃技術,在電池箱體發生意外燃燒情況下,電池箱與車身乘客區域隔離,因此不會危及車內乘客。

低地板

       除駕駛員區,輪艙區、后設備艙區以外,全車選用低地板結構,使得乘客上下車更為方便,地板離地最小距離150厘米,在人性化設計方面,更設有殘疾人上車輔助功能。

爬坡能力

       由于重量減輕,重心降低,使得整車行駛穩定性、轉彎慣性等一系列行駛性能得到極大的優化和提高,特別是整車爬坡性能,具有28°以上的超強爬坡能力。

       高強度碳纖維復合材料在客車上的成功應用,將是客車乃至整個汽車行業的一次顛覆性革命,是汽車行業的又一個里程碑。這項革命性的技術在不久的將來會為中國的新能源汽車行業做出更大的貢獻,開創碳纖維新型復合材料客車、商用車發展的新紀元。


上海越科新材料股份有限公司成立于2006年,是結構復合材料技術提供商和產品制造商,專注于高性能要求和大型的結構性復合材料件的整體解決方案提供,模具設計制造,整體流水線總包,原材料供應。主要經營:環氧體系脫模劑聚酯體系脫模劑封孔劑等。



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