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摘要：聚合物和材料專家分析了復(fù)合材料在當(dāng)前和未來努力提高電動汽車效率和對消費(fèi)者更具吸引力方面的作用。

前言

全球?yàn)闇p輕氣候變化的不利影響而制定的一項(xiàng)關(guān)鍵氣候行動目標(biāo)是從汽油動力汽車轉(zhuǎn)向電動汽車(EV)。由于車輛占全球排放量的近三分之一，該解決方案可能會提供一定程度的緩解。近年來，電動汽車的增長呈上升趨勢，并得到了全球客戶的明確回應(yīng)。在全球范圍內(nèi)，一些國家制定了雄心勃勃的目標(biāo)，在其車隊(duì)中增加電動汽車，到2030年，電動汽車將占全球汽車總銷量的32%。

盡管顯示出有潛力的減排優(yōu)勢，但顯然有幾個(gè)挑戰(zhàn)限制了迄今為止消費(fèi)者對電動汽車的廣泛采用。

第一個(gè)也是最普遍的挑戰(zhàn)是范圍限制和客戶對市場上當(dāng)前電動汽車的車輛價(jià)值的擔(dān)憂。根據(jù)AlixPartners (2019)的一項(xiàng)調(diào)查，67%的客戶正在尋找成本與汽油動力汽車相當(dāng)?shù)碾妱悠嚒?/span>

第二個(gè)主要挑戰(zhàn)是可用的充電基礎(chǔ)設(shè)施有限，因?yàn)榇蠖鄶?shù)現(xiàn)有充電站都集中在特定地區(qū)。根據(jù)Alix的調(diào)查，57%的消費(fèi)者由于無法充電而對電動汽車不感興趣。盡管西方國家一直在積極彌合這一差距，但似乎除中國、日本和韓國外，其他東方國家已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。平均而言，每天有超過100輛汽車前往加油站加油，而每天大約有10-20輛汽車前往充電站（GreenCar Reports）。充電速度也是個(gè)問題，目前還無法與汽油車的加油速度相提并論。安全問題和牽引電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)也令人擔(dān)憂。

克服這些挑戰(zhàn)肯定需要時(shí)間。然而，復(fù)合材料在多項(xiàng)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，以通過輕量化確保更高的車輛效率。在這里，我們將更仔細(xì)地研究幾個(gè)組件的發(fā)展：車輛動力傳動系統(tǒng)、電池模塊、電機(jī)、逆變器和轉(zhuǎn)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輕整個(gè)車輛系統(tǒng)的重量。汽車輕量化可以追溯到1900年代，當(dāng)時(shí)鋁進(jìn)入汽車行業(yè)并在包括車身在內(nèi)的大多數(shù)車輛部件中取代了鋼材。然而，對于電動汽車，由于安全和技術(shù)商業(yè)因素（例如大批量生產(chǎn)、降低每個(gè)零件的成本和滿足性能標(biāo)準(zhǔn)），我們將看到引擎蓋下(UTH)組件，尤其是多個(gè)動力總成組件中通過輕質(zhì)材料發(fā)生許多此類材料替代變化。此外，由鋁業(yè)協(xié)會(AluminumAssn.，Arlington,Va.)資助的研究表明，使用輕型結(jié)構(gòu)部件(復(fù)合材料或鋁)、功率較低價(jià)格較低的電池的汽車，其續(xù)航里程可以與使用重型不銹鋼部件、功率較高價(jià)格較高的電池的汽車相媲美。

電池模塊。最有趣的發(fā)展可以在電池模塊或外殼中看到，復(fù)合材料在其中變得非常流行。傳統(tǒng)的電動汽車電池重達(dá)400多公斤，金屬模塊重達(dá)100公斤。一些行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者正在使用復(fù)合材料來減輕電池模塊的重量，包括寶馬與SGLCarbon合作為其電池模塊供應(yīng)碳纖維復(fù)合材料。TRBLightweight Structures等公司（TRB，Huntingdon，UK）也通過改進(jìn)輕質(zhì)解決方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。TRB報(bào)告了最近的一項(xiàng)研發(fā)進(jìn)展，即模塊重量從80公斤減少到10公斤，同時(shí)增加了強(qiáng)度和阻燃性。

盡管鋼鐵和鋁制造商也在推動他們自己的輕量化設(shè)計(jì)，但復(fù)合材料在滿足阻燃要求和降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)方面具有主要優(yōu)勢，并且推動了快速充電。成本一直是復(fù)合材料的瓶頸；然而，現(xiàn)在復(fù)合材料相關(guān)供應(yīng)商正越來越多地融入汽車供應(yīng)鏈，從樹脂材料生產(chǎn)到結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)，我們開始看到顯著的成本下降。

電機(jī)和電氣元件。電機(jī)占車輛重量的很大一部分。因此，通過選擇合適的材料、設(shè)計(jì)和電子元件集成，可以優(yōu)化重量。目前，Hofer（德國紐廷根）和Hyliion（美國德克薩斯州雪松公園）等公司正專注于電動車橋的設(shè)計(jì)和開發(fā)，該車橋采用電機(jī)與轉(zhuǎn)換器/逆變器相結(jié)合，最大限度地減少了高壓電纜的使用.這必定會減少高壓電纜的重量以及逆變器/轉(zhuǎn)換器的外殼重量，因?yàn)樗鼘惭b在電動車軸外殼內(nèi)。然而，整個(gè)價(jià)值鏈中缺乏投資和協(xié)作等挑戰(zhàn)十分突出，導(dǎo)致電動車橋技術(shù)可能無法滿足OEM功率和成本要求。

在未來，我們可以預(yù)期會有更多的復(fù)合材料組件供應(yīng)商、合作和復(fù)合材料零件的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

此外，德國大學(xué)弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所(ICT,Pfinztal) 和卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)正在合作開發(fā)使用熱固性聚合物的混合金屬基復(fù)合材料，以提供更高的熱機(jī)械穩(wěn)定性并滿足電機(jī)外殼的剛性要求.然而，更高溫度下的尺寸穩(wěn)定性和電機(jī)冷卻是商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。塑料可能無法提供足夠的導(dǎo)熱性和均勻的熱量分布。重新設(shè)計(jì)冷卻通道可以改善電機(jī)的熱管理，但需要大約五到八年的時(shí)間來開發(fā)、測試和商業(yè)化。與此同時(shí)，特斯拉和其他公司正在開發(fā)復(fù)合材料，用于電動機(jī)的轉(zhuǎn)子外殼、定子和其他部件，如前所述，關(guān)于快速充電的最大擔(dān)憂之一是熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。作為回應(yīng)，幾家汽車制造商正在努力設(shè)計(jì)他們的電池組，其中包含旨在處理熱失控事件的系統(tǒng)。工程師同時(shí)致力于三個(gè)級別的保護(hù)：電池到電池、模塊到模塊和電池組級別的保護(hù)。添加任何這些保護(hù)措施都可能會增加重量、減少車輛行駛里程并需要已經(jīng)有限的空間。然而，涂料供應(yīng)商的顯著發(fā)展可能會提供一種創(chuàng)新的解決方案。他們開發(fā)了電池/模塊級別的技術(shù)，以在發(fā)生熱事件時(shí)阻止/延遲火勢蔓延。復(fù)合材料上的這些膨脹型涂層肯定有助于改善防火、減輕重量和節(jié)省空間。

內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)部件。為了減輕重量，內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)組件的集成（減少組件數(shù)量和改變設(shè)計(jì)）可能至關(guān)重要。復(fù)合材料將發(fā)揮關(guān)鍵作用，但由于材料成本較高和零件制造復(fù)雜性等挑戰(zhàn)，大規(guī)模采用可能會受到限制或延遲。此外，原始設(shè)備制造商設(shè)定的目標(biāo)成本、組件尺寸/方向、可擴(kuò)展性和制造流程之間存在不匹配；因此，目前，復(fù)合材料正在努力滿足許多組件所需的成本和性能基準(zhǔn)。復(fù)合材料部件的一些新興機(jī)會包括A、B和C柱、車頂和底板以及門框和側(cè)框等。

展望

從消費(fèi)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)的汽油動力汽車。事實(shí)上，電動汽車的采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(jì)問題，我們預(yù)測復(fù)合材料的采用將主要用于結(jié)構(gòu)部件中的高端汽車；然而，復(fù)合材料有機(jī)會用于主要部件，如電池外殼和一些電機(jī)子部件等（在所有汽車領(lǐng)域），我們可以預(yù)期在未來三到五年內(nèi)會有更多的滲透。對于較大的結(jié)構(gòu)部件，復(fù)合材料可能需要等待10年或更長時(shí)間，行業(yè)才會開始關(guān)注高強(qiáng)度鋼和鋁的替代品。