化學咨詢公司ChemBizR的聚合物材料專家分析了當前和未來復合材料（新能源材料分析檢測技術產(chǎn)學研合作高峰論壇）在提高電動汽車的效率從而增強電動汽車對消費者的吸引力方面所能發(fā)揮的作用。
為減輕氣候變化帶來的不利影響，一個關鍵的全球氣候行動目標是由燃油汽車向電動汽車轉變。在全球，源自汽車的溫室氣體排放量幾乎占總排放量的1/3，因此，上述解決方案將對此帶來一定程度的緩解。近年來，電動汽車的銷量呈增長趨勢，得到了來自世界各地消費者的明確回應。在全球，一些國家已制定了雄心勃勃的目標，將電動汽車納入發(fā)展規(guī)劃之中，這將使電動汽車的銷量到2030年達到全球汽車總銷量的32%。
然而，雖然電動汽車具有減排優(yōu)勢，但到目前為止，幾大挑戰(zhàn)性問題卻限制了電動汽車的廣泛應用。第一個也是最具普遍性的挑戰(zhàn)是行駛里程受限以及消費者對當前電動汽車市場價格的關注。據(jù)Alix Partners 2019年的調(diào)查，67% 的消費者希望電動汽車的價格與汽油動力汽車的相當。
第二個重大挑戰(zhàn)是有限的充電基礎設施，因為大多數(shù)現(xiàn)有的充電站都集中在選定區(qū)域。據(jù)Alix survey的研究，57% 的消費者因無法充電而對電動汽車不感興趣。與平均每天有超過100輛的汽車到加油站加油相比，每天到充電站充電的汽車大約只有10～20輛。充電速度也是一大問題，目前還不能與燃油車加油的速度相比。而牽引電池的安全問題和熱失控風險也令人擔憂。
解決這些挑戰(zhàn)性問題需要花費時間，而復合材料正在一些研發(fā)進展中發(fā)揮作用，以確保通過輕量化來提升汽車的效率。在此介紹幾類部件的開發(fā)進展，包括：汽車的動力傳動系統(tǒng)、電池組件、電動機、逆變器和變頻器。
重量與效率的相互作用
為提高汽車效率，通?？紤]的首要策略之一是減輕整個系統(tǒng)的重量。汽車的輕量化最早可以追溯到1900年代，當時鋁在汽車工業(yè)中取得了突破并在大多數(shù)汽車部件中替代了鋼材，包括汽車的車身。但對于電動汽車而言，由于安全、技術和商業(yè)方面的因素，比如，大批量的生產(chǎn)、單個部件的降本，以及通過使用輕質(zhì)材料來滿足性能標準要求等，我們將看到，這種變化很多會發(fā)生在引擎蓋下的部件上，特別是多個動力總成的部件上。此外，由美國鋁業(yè)協(xié)會資助的一項研究表明，采用輕型結構部件（復合材料或鋁）和小功率、低價電池的車輛與采用重的鋼制部件和高功率、高價電池的車輛相比，行駛里程基本相似。
電池組件
最有吸引力的開發(fā)進展是電池組件，或者說電池殼，在此方面，復合材料（新能源材料分析檢測技術產(chǎn)學研合作高峰論壇）的應用已非常普遍。傳統(tǒng)的電動汽車電池重量超過400kg，其中，金屬的電池殼就達100kg。為此，一些行業(yè)領先者正在使用復合材料來減輕這一電池組件的重量，如，德國的寶馬汽車公司與西格里碳纖維（SGL Carbon）公司合作，將碳纖維復合材料用于其電池殼；英國的TRB Lightweight Structures公司（以下簡稱TRB）也通過改進結構設計來提供輕量化解決方案。TRB的一項最新進展將電池殼重量從80kg減至10kg，同時還增強了強度和阻燃性。
雖然鋼和鋁的制造商們也在推廣他們的輕量化設計方案，但復合材料在滿足阻燃要求以及通過推動快速充電來減少熱失控風險方面卻更具優(yōu)勢。成本一直是應用復合材料的一大瓶頸問題，然而，當前復合材料相關領域的供應商們（從樹脂的生產(chǎn)直到結構的生產(chǎn)）正越來越多地融入到汽車供應鏈之中，這使我們開始看到成本顯著降低的趨勢。
電動機和電氣元件
電動機占據(jù)了汽車重量的很大一部分，因此，可以通過選擇合適的材料、設計以及對電氣元件的集成來優(yōu)化重量。目前，一些公司如德國Hofer公司和美國Hyliion公司正專注于設計、開發(fā)電動車軸，其特點是使用最少的高壓電纜來將電動機與變頻器/逆變器結合起來。顯然，這將減輕高壓電纜的重量和逆變器/變頻器的外殼重量，因為逆變器/變頻器將被安裝到電動車軸的外殼內(nèi)。但是，包括缺乏投資以及整個價值鏈的合作等在內(nèi)的挑戰(zhàn)性問題，卻導致電動車軸技術可能無法滿足OEMs對功率和成本的要求。
此外，德國的弗勞恩霍夫化學技術研究所（簡稱ICT）和卡爾斯魯厄理工學院（簡稱KIT）正在合作開發(fā)采用熱固性聚合物的混合的金屬基復合材料，以提供更高的熱力學穩(wěn)定性，滿足電動機外殼的剛度要求。這是因為，在較高溫度下的尺寸穩(wěn)定性問題以及電動機的冷卻問題是商業(yè)化面臨的一大挑戰(zhàn)，而塑料無法提供足夠的熱導率和均勻的熱分布。重新設計冷卻通道雖然可以改善電動機的熱管理，但開發(fā)、測試和商業(yè)化大約需要5～8年的時間。
特斯拉和其他一些公司也在開發(fā)適用于電動機的轉子外殼、定子等部件的復合材料，表示要使性能達到新的水平，同時展示這類應用的商業(yè)化潛力。
如前所述，消費者對快速充電的最大擔憂之一是熱失控風險。為此，一些汽車制造商正在采用為解決熱失控問題而設計的系統(tǒng)來設計其電池包。工程師們正在研究3個級別的防護：單個電池之間的防護、電池模組之間的防護以及電池包級別的防護。添加這些防護措施，會增加重量、減少續(xù)航里程以及占用有限的空間。值得一提的是，涂料供應商的一項研發(fā)進展為此提供了創(chuàng)新的解決方案，他們開發(fā)的技術能夠在電池和電池模組的層級上阻止或延緩火焰的蔓延，以防止熱失控事故的發(fā)生。不錯，這些用在復合材料上的飾面防火涂料有助于防火、減重以及節(jié)省空間，但問題是，全球監(jiān)管尚未到位，這取決于OEMs和他們的內(nèi)部風險評估程序來確定熱失控發(fā)生的可能性有多大。
內(nèi)部和外部結構組件
為實現(xiàn)減重，對內(nèi)部和外部結構組件的整合（減少組件數(shù)量和改變設計）至關重要，對此，復合材料將發(fā)揮重要作用。雖然大量使用復合材料可能會受到限制，或者因較高的材料成本和部件制造的復雜性等挑戰(zhàn)性問題而推遲對復合材料的應用。此外，在OEMs設定的目標成本、部件尺寸/定位、可擴展性和生產(chǎn)工藝之間還存在不匹配，因此，目前復合材料正在努力達到許多部件理想的成本和性能標準要求。復合材料面臨的一些新的應用機遇包括A、B、C 柱，車頂和車身底板，車門和側邊框架等。
展望未來
從消費者的角度來看，目前對電動汽車的需求不太可能超過傳統(tǒng)的汽油車。事實上，電動汽車的使用率取決于政府的激勵措施、舉措和投資。此外，由于單位成本高和規(guī)模經(jīng)濟效益問題，預計復合材料在結構部件上的應用將主要針對的是高檔車。然而，復合材料卻有機會用于諸如電池殼和電動機的一些子部件等部件上，未來3～5年，可以期待復合材料滲透到更多的應用領域。對于較大的結構部件，在行業(yè)開始集中精力替換高強鋼和鋁之前，復合材料可能需要等待10年或更長的時間。此外，可以預期，未來將出現(xiàn)更多的復合材料部件供應商、更多的合作以及更多具有規(guī)模經(jīng)濟效益的復合材料（新能源材料分析檢測技術產(chǎn)學研合作高峰論壇）部件。
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