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        復合材料在電動汽車中的機遇和挑戰

        放大字體  縮小字體 發布日期:2022-08-18  瀏覽次數:411
        核心提示:全球各地領導人為減輕氣候變化的不利影響,紛紛頒布的一個關鍵氣候行動目標:將汽油動力汽車轉換為電動汽車。由于車輛占全球排放
             全球各地領導人為減輕氣候變化的不利影響,紛紛頒布的一個關鍵氣候行動目標:將汽油動力汽車轉換為電動汽車。由于車輛占全球排放量的近三分之一,該行動方案能為目前緊張的氣候局勢提供某種程度的緩解。近年來,電動汽車的增長出現了一個上升的趨勢,并得到了全世界用戶的明確響應。在全球范圍內,一些國家已經制定了雄心勃勃的目標,將電動汽車加入他們的長遠規劃,預計電動汽車在2030年之前占據全球汽車銷售總量的32%。
         
            盡管顯示出可觀的減排優勢,但顯然存在挑戰限制了消費者迄今為止對電動汽車的廣泛采用。第一個也是最普遍的挑戰是,客戶對目前市場上的電動車的續航焦慮和對車輛保值率的擔憂。根據Alix Partners在2019年的調查顯示,67%的客戶正在尋找與汽油動力汽車成本相當的電動車。
         
            第二個主要挑戰是有限的充電基礎設施,因為大多數現有的充電站都集中在選定的地區。根據調查,57%的消費者對電動汽車不感興趣,因為缺乏充電設施。盡管西方國家一直在積極彌補這一差距,但除了中國、日本和韓國之外,東方國家似乎被遠遠拋在后面。平均而言,每天有100多輛車到加油站加油,而每天大約有10-20輛車到充電站補電。充電的速度也是一個問題,速度還不能與燃氣動力汽車的加氣速度相比。牽引電池的安全問題和熱失控的風險也是令人擔憂的。
         
            克服這些挑戰肯定需要時間,復合材料已經在一些新的發展中發揮作用,確保通過輕量化提高車輛效率。以下幾個部件的發展值得我們更為密切地關注:汽車傳動系統、電池模塊、電機、逆變器和轉換器。
         
        重量和效率的相互作用
         
            為了提高任何車輛的效率,通??紤]的首要策略之一是減少整個系統的重量。車輛輕量化可以追溯到20世紀,當時鋁在汽車工業中取得了進展,并在大多數車輛部件中(包括車體)取代了鋼。然而,隨著電動汽車的發展,更多的變化發生在引擎蓋下的部件中,特別是多個動力總成部件,因為安全和技術商業因素,如大批量生產、降低每個部件的成本和通過輕質材料滿足性能標準。此外,由美國鋁業協會資助的研究表明,采用輕質結構部件(復合材料或鋁)和功率較小/昂貴的電池的車輛,其續航能力與采用重型電動車不銹鋼部件和功率較大/昂貴的電池的車輛相似。
            電池模塊。最有趣的發展可以在電池模塊或外殼中看到,復合材料在該結構的應用已經相當流行。傳統的電動車電池重達400多公斤,其中金屬模塊重達100公斤。一些行業領導者正在使用復合材料來減輕電池模塊的重量。寶馬公司與SGL Carbon公司合作,為其電池模塊提供碳纖維復合材料。英國TRB輕質結構公司等公司也在這一領域大放異彩,為輕質解決方案改進結構設計。TRB報告了最近的一項成果——將電池模塊的重量從80公斤減少到10公斤,同時增加了強度和阻燃性。
            雖然鋼和鋁制造商也在推動他們自己的輕量化設計,但復合材料在滿足阻燃要求和減少熱失控的風險方面有很大的優勢,因為它推動了快速充電的發展。成本一直是復合材料的一個瓶頸;然而,現在與復合材料相關的供應商正越來越多地融入汽車供應鏈,從樹脂的生產到結構的生產,開始看到顯著的成本節約。
            電機和電氣元件。電機占車輛重量的很大一部分。因此,在選擇得當的材料、設計和電氣元件集成的幫助下,重量當然可以得到優化。目前,德國Hofer和美國Hyliion等公司正專注于電子軸的設計和開發,其特點是電機與轉換器/逆變器相結合,盡量不使用高壓電纜。因為被安裝在電子軸的外殼內,將減少高壓電纜的重量以及變頻器/逆變器的外殼重量。然而,由于缺少投資,以及整個價值鏈合作在內的挑戰,電子軸技術可能無法滿足OEM的功率和成本要求。
            此外,位于德國的大學弗勞恩霍夫化學技術研究所和卡爾斯魯厄理工學院正在合作開發使用熱固性聚合物的混合金屬基復合材料,它具有更高的熱力學穩定性,并滿足電機外殼的剛性要求。不過,在較高溫度下尺寸的穩定性和電機的冷卻是商業化的主要挑戰。塑料可能無法提供足夠的導熱性和均勻的熱分布。重新設計冷卻通道肯定能改善電機的熱管理,但需要大約五到八年的時間來開發、測試和商業化。同時,特斯拉和其他公司正在開發用于電動機的轉子外殼、定子和其他部件的復合材料,據說能使性能達到新的水平。種種此類,顯示出復合材料在這些類型的應用中實現商業規模的潛力。
            如前所述,對快速充電的最大擔憂之一是熱失控的風險。作為回應,一些汽車制造商正在努力設計他們的電池組,設計出處理熱失控事件的系統。工程師們同時在進行三個層面的保護:電池與電池、模塊與模塊和電池組層面的保護。增加這些保護措施中的任何一項都涉及到重量的增加,降低車輛的續航能力,并需要占用更多的空間。然而,涂層供應商提供了一個創新的解決方案。他們已經開發了電池間及模塊層面的技術,在發生熱事件時阻止和延緩火災蔓延。復合材料上的這些膨脹涂層肯定會有助于提高防火性能,減輕重量和節省空間。然而,該領域全球法規尚未出臺,要由原始設備制造商和他們的內部風險評估計劃來確定發生熱失控的可能性有多大。
         
            內部和外部結構部件。為了減輕重量,內部和外部結構部件的整合可能是關鍵,這包含減少部件數量和改變其設計。復合材料將發揮關鍵作用,但由于材料成本較高和零件制造的復雜性等挑戰,大規模的采用可能受到限制或推遲。此外,在原始設備制造商設定的目標成本、部件尺寸及方向、可擴展性和制造工藝之間存在不匹配。因此,目前,復合材料正在努力滿足許多部件的預期成本和性能基準。復合材料部件的一些新興機會包括A、B和C柱、車頂和車底板、車門和側架等。
         
         
        不斷發展向前的行業
            從消費者的角度來看,目前,對電動車的需求不太可能超過傳統汽油動力車。事實上,電動汽車的采用率取決于政府的激勵措施、倡議和投資。此外,由于單位成本高和規模經濟的問題,復合材料的應用將主要在高端汽車的結構部件中。然而,在主要部件中,如電池外殼和一些電機子部件等,存在著復合材料使用的機會,可以預期在未來三到五年內會有更多的滲透。對于較大的結構部件,復合材料可能需要等待10年或更長時間,行業才開始關注高強度鋼和鋁的替代。此外,汽車行業在未來會出現更多的復合材料部件供應商,合作和復合材料部件的規模經濟。
         
         
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