碳纖維復合材料在電動汽車領(lǐng)域中的應用
2017-08-28 09:27:29
作者：苑曉潔 來源：中國航空新聞網(wǎng)
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核心提示： 中航復合材料有限責任公司作為國內(nèi)復合材料行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，于2016年1月啟動全復合材料客車車身研發(fā)項目，設計組成員與整車企業(yè)中植航電動汽車南通有限公司聯(lián)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。
全復合材料車身電動客車
能源枯竭和環(huán)境惡化是阻礙可持續(xù)發(fā)展的兩大頑疾，由于節(jié)能減排的迫切要求，電動汽車的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展受到了越來越多的重視，以美國、歐洲為代表的發(fā)達國家積極展開電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)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(yè)化導致環(huán)境污染日趨嚴重。在這樣的背景下，中國發(fā)展電動汽車具有重大的現(xiàn)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(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展。“十三五”期間，國家科技計劃將加大力度，持續(xù)支持電動汽車科技創(chuàng)新，把科技創(chuàng)新引領(lǐng)與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育相結(jié)合，組織實施電動汽車科技發(fā)展專項規(guī)劃。
我國電動汽車行業(yè)已經(jīng)有了一定的發(fā)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(xù)航里程較短，而想要克服電池發(fā)展的瓶頸還有很長一段路要走?？紤]到電動汽車的整車重量也是影響其續(xù)航里程的主要因素之一，因此除了加快電池、電機技術(shù)的研發(fā)，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(shù)、電機技術(shù)、車用材料和汽車結(jié)構(gòu)四個方面入手。在當前電池和電機的技術(shù)水平下，最大程度的輕量化要求我們在車身結(jié)構(gòu)，材料的選擇與替代兩個方面進行合理優(yōu)化，以此平衡電池包和電機的重量。
1、結(jié)構(gòu)輕量化。車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化在滿足諸如車身剛度、模態(tài)、碰撞安全、疲勞壽命等特性的同時，也必須考慮車身結(jié)構(gòu)的可制造性和生產(chǎn)成本。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，我國已經(jīng)邁出了重要一步，車身結(jié)構(gòu)設計相對成熟，優(yōu)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(yōu)化組合的同時引入新材料，其效益不僅是輕量化結(jié)果本身，對整車開發(fā)技術(shù)來講也是一種進步。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)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(xiàn)后，便以優(yōu)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(xiàn)。如今，碳纖維憑借其優(yōu)越性幾乎可以完全替代鋼材料。當前已經(jīng)有憑借碳纖維材料的優(yōu)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(xiàn)狀及效果
國外電動汽車的碳纖維車身技術(shù)已經(jīng)從實驗室走向生產(chǎn)。雷克薩斯LFA研發(fā)團隊深入研發(fā)碳纖維復合材料的生產(chǎn)技術(shù)，由65%的碳纖維增強塑料和35%的鋁合金材料構(gòu)成的車身，比同樣的鋁制車身輕約100 |千克，結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(yōu)越性。對于汽車生產(chǎn)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(yōu)點，避免了傳統(tǒng)車身的噴涂過程和相應的環(huán)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(jié)構(gòu)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(tǒng)汽車中替代傳統(tǒng)零部件材料，如發(fā)動機系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)，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(guī)模應用的阻礙因素
碳纖維復合材料與汽車完美結(jié)合卻未欣欣向榮的原因，除了其本身的技術(shù)因素外，還有其他因素：
1、性價比，也就是成本是生產(chǎn)商必須考慮的。輕量化的成本在一定程度上會成為后期節(jié)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(fā)展和產(chǎn)品環(huán)境。金屬材料所占的市場及成熟的行業(yè)體系是碳纖維復合材料發(fā)展的主要障礙。碳纖維復合材料的技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)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(guī)模性生產(chǎn)結(jié)合需要一定的前期投資。
3、供應商的結(jié)構(gòu)和能力。碳纖維復合材料供應商四分五裂，在資源和生產(chǎn)能力上有限，不具備設計、生產(chǎn)、實現(xiàn)汽車各種性能要求的系統(tǒng)研發(fā)能力。
引入方式
如何將碳纖維復合材料引入汽車系列產(chǎn)品尤其是電動汽車系列產(chǎn)品是我們必須考慮的關(guān)鍵步驟，現(xiàn)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(yōu)點顯而易見，然而成本居高不下成為制約其在汽車工業(yè)中大規(guī)模應用的瓶頸。
中航復合材料有限責任公司作為國內(nèi)復合材料行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，于2016年1月啟動全復合材料客車車身研發(fā)項目，設計組成員與整車企業(yè)中植航電動汽車南通有限公司聯(lián)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(xiàn)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(yōu)秀性能。
結(jié)構(gòu)合理
在設計初期確定車身結(jié)構(gòu)方案階段，設計人員對比了三種結(jié)構(gòu)形式：預成型骨架方案，層合梁骨架方案和無骨架方案。經(jīng)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(yōu)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(yōu)勢，所以最終選定無骨架車身結(jié)構(gòu)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(shù)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(chǎn)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(yōu)點是成本低，缺點是制件外觀存在細節(jié)上的瑕疵。除VARI工藝外，復合材料車身結(jié)構(gòu)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(yōu)點是制件質(zhì)量好，工藝比較穩(wěn)定，缺點是制造成本高，制造技術(shù)要求高。
減重明顯
由于結(jié)構(gòu)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?qū)崿F(xiàn)2小時快速充電并且一次充電續(xù)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(cè)翻試驗過程中，當側(cè)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(xiàn)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(zhì)鋁合金的數(shù)倍，因此該客車具有很高的結(jié)構(gòu)強度和抗瞬間沖擊能力，其側(cè)傾角可達38°以上，比國內(nèi)同類車指標優(yōu)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(chuàng)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(shù)，在電池箱體發(fā)生意外燃燒情況下，電池箱與車身乘客區(qū)域隔離，因此不會危及車內(nèi)乘客。
低地板
除駕駛員區(qū)，輪艙區(qū)、后設備艙區(qū)以外，全車選用低地板結(jié)構(gòu)，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(wěn)定性、轉(zhuǎn)彎慣性等一系列行駛性能得到極大的優(yōu)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(yè)的一次顛覆性革命，是汽車行業(yè)的又一個里程碑。這項革命性的技術(shù)在不久的將來會為中國的新能源汽車行業(yè)做出更大的貢獻，開創(chuàng)碳纖維新型復合材料客車、商用車發(fā)展的新紀元。
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