纖維增強復(fù)合材料在新能源汽車上的運用

新能源汽車匯報人：趙利亞指導(dǎo)老師：李又兵

新能源汽車

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展,能源與環(huán)境已經(jīng)成為人類發(fā)展和生存的重大問題。內(nèi)燃機汽車使用的燃料均為一次性能源,開發(fā)使用后便不可再生。隨著全球能源消耗的增加,地球的礦物能源已面臨枯竭環(huán)境問題也日益突出,在世界各地的大、中城市,大氣污染物中約40%~70%來自內(nèi)燃機汽車的尾氣排放。中國大城市的污染狀況目前是全世界最為嚴(yán)重的,全世界空氣污染最嚴(yán)重的20個城市中,有10個在中國。而中國華北、華東的大城市調(diào)査中,大氣污染的70%來自于汽車的尾氣排放。基于這些原因,新能源汽車就成為解決能源與環(huán)境問題的一個選擇。新能源汽車的發(fā)展史發(fā)展期1991寶馬公司推出E1電動車,馬自達設(shè)計推出氫轉(zhuǎn)子發(fā)動機概念年HR-X；1993巴拉德(Bdllard)汽車公司設(shè)計制造了世界首輛釆用燃料電池城市公共汽車；1996由于石油危機的影響,豐田、雷諾、福特、通用等公司先后推出各種純電動轎車；1997豐田推出油電混合動力汽車Coaster和Prius；2006日產(chǎn)推出可行駛400Km的電動跑車Roadster，寶馬推出時速達230km/h的全新氫動力汽車Hydrogen7；2008日產(chǎn)DenkiCube、雪佛蘭Volt，和特斯拉Roadster采用鋰離子電池技術(shù)，大幅度提高電動汽車性能；2011豐田推出FCV-R轎車式燃料電池汽車；混合動力汽車Prius銷量突破300萬；2014豐田、北汽、東鳳,比亞迪推出多款純電動微型車和純電動城市公交車；能源危機環(huán)境污染日益增長的汽車總量

矛盾汽車發(fā)展趨勢未來10年將迎來全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級節(jié)能汽車指以內(nèi)燃機為主要動力系統(tǒng)，綜合工況燃料消耗量提前達到下一階段目標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)的汽車。輕量化新能源汽車指采用新型動力系統(tǒng)，完全或主要依靠新型能源驅(qū)動的汽車。插電式混合動力純電動汽車燃料電池車……輕量化是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢

——汽車發(fā)展的趨勢智能化節(jié)能﹠環(huán)保作為全球汽車產(chǎn)銷第一大國，中國必須把握汽車未來發(fā)展的趨勢?。〕鞘谢丝谠黾映杀緣毫暧^經(jīng)濟■為什么要做輕量化-理由一國家政策-節(jié)能惠民國家法規(guī)-嚴(yán)格油耗國家戰(zhàn)略-節(jié)能減排2015年CO2排放155g/km，2020年CO2排放112g/km。2015年節(jié)能惠民5.9L/100km，2020年節(jié)能惠民4.5L/100km。2015年平均油耗6.9L/100km，2020年平均油耗5.0L/100km輕量化與油耗、性能的關(guān)系(逸動實際試驗結(jié)果)：1.實際油耗：整備質(zhì)量每減重100kg，油耗降低約0.4L/100km；2.加速性能：整備質(zhì)量每減重100kg，0-100km/h加速性提升8-10%；3.制動性能：整備質(zhì)量每減重100kg，制動距離縮短2～7m。整車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排提升產(chǎn)品競爭力的重要途徑■為什么要做輕量化-理由二隨著新能源汽車的發(fā)展，新的能源系統(tǒng)帶來的車身重量增加，汽車輕量化發(fā)展趨勢事在必行！以純電動汽車電池系統(tǒng)的重量為例，普通電池系統(tǒng)凈增加整車重量250-400kg！■為什么要做輕量化-理由三空氣阻力（對油耗貢獻約25％）與整備質(zhì)量無關(guān)聯(lián)。而大約油耗的75％與整備質(zhì)量有關(guān)(滾動阻力對油耗貢獻約35％，加速阻力和爬坡阻力對油耗貢獻約40％)?！鰶Q定油耗的因素FWi-牽引力FR-滾動阻力FL-空氣阻力FSt-爬坡阻力FB-加速阻力FWi=FR+FL+FSt+FB

■減重與油耗的關(guān)系汽車整備質(zhì)量每減少100Kg，百公里油耗降低0.3-0.6L；車重減小10％，可降低6％～8％的油耗，降低5～6%的排放。輕量化是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排最有效的技術(shù)手段之一

輕量化是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排最有效的技術(shù)手段之一提高性能10%對整車油耗的影響發(fā)動機效率10%汽車重量5%滾動阻力2-3%動力傳動效率1-2%■降低整車油耗的標(biāo)準(zhǔn)途徑1）改善發(fā)動機性能，提高燃燒效率(動力更新?lián)Q代技術(shù)難度大、耗資多，對汽車產(chǎn)業(yè)鏈帶動不明顯)；2）減輕汽車自重，進行汽車的輕量化設(shè)計（節(jié)能效果排第二位，涉及面廣，可以帶動原材料和零部件等汽車產(chǎn)業(yè)的的發(fā)展，最容易實現(xiàn)）；3）提升汽車的空氣動力學(xué)性能，降低滾動阻力；（風(fēng)阻系數(shù)主要由造型決定，不可能所有車都像賽車一樣風(fēng)阻系數(shù)降得很低）4）提高動力傳動效率，減小功或動力傳遞損失；（能量傳遞總是有損失的）縱觀汽車重量的變化歷史，因?qū)ζ嚢踩?、功能性要求的增加，整車重量逐漸增加。但進入21世紀(jì)后，越來越嚴(yán)格的環(huán)保和排放法規(guī)要求，目前整車重量呈明顯現(xiàn)下降的趨勢。奧迪A6七代車型重量的變化歷程■汽車重量的變化歷程安全性提高、舒適性和功能的增加導(dǎo)致重量增加。油耗與排放的要求使汽車輕量化成為必然趨勢1160Kg1230Kg1545Kg1790Kg1990Kg2050Kg1980Kg2012汽車輕量化輕質(zhì)材料高強鋼輕合金復(fù)合材料…結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等強度設(shè)計形狀拓撲優(yōu)化集成化設(shè)計…先進制造工藝激光拼焊板連續(xù)變截面板空心連續(xù)變截鋼管自沖鉚接…復(fù)合材料的使用時整車輕量化的主要途徑之一。整車輕量化的途徑國內(nèi)外新能源汽車的主要政策

國家年份相關(guān)政策

美國2014實行稅收減免、優(yōu)持扶持、分級補貼政策，實現(xiàn)新能源汽本多元化發(fā)展。2011對更新純電動汽車和插電式混合動力汽車的購買者稅收補償費用的10%(最高4000美元)。2009奧巴馬新能源政策：政府投資20億美元用以支撐新能源汽車電池及其零部件的研發(fā),到2015年100萬輛新能源汽車上路。2007能源獨立與安全法：將混合動力汽車添加到國家財政補貼范圍內(nèi)。

日本2014?氫能源白皮書?：進一步加快氫能源的開發(fā)利用,加強氫能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和提高氫燃料汽車資金補助。2010新一代機動車戰(zhàn)略2010；到2020年新能源汽車占整體乘用車銷售比例的50%，2030年為70%。2009“綠色稅制”政策：對購買“下一代汽車”新能源汽車可享受免除多種稅賦的優(yōu)惠。2006長遠能源規(guī)劃政策：涉及所有能源領(lǐng)域,政府規(guī)劃5年內(nèi)投資2090億日元用于開發(fā)車用電池、氫燃料電池技術(shù)。歐盟2014英國“超低排放城市”計劃：計劃投入5億英鎊推動超低排放汽車行業(yè)的發(fā)展；德國通過法律保護電動汽車駕駛者擁更多權(quán)利；2011歐盟電動電動城市運輸系統(tǒng)：鼓勵新能源汽車的發(fā)展，通步淘汰汽油或柴油的傳統(tǒng)汽車,德國“電動汽車政府方案”：政府通過制定多種政策措施,保障新能通汽車的發(fā)展；2010歐盟出臺?清潔能源和節(jié)能汽車歐洲戰(zhàn)略?政策法律框架，促選電動車的開發(fā)研究：“法國發(fā)展電動汽車全國計劃”投入15億歐元以上發(fā)展新能源汽車；德國通過500億經(jīng)濟刺激計劃，主要用子新能源汽車技術(shù)研發(fā)和相關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)上；2009德國“國家電動汽車發(fā)展計劃”：投資5億歐元進行新能源汽車研究、對充電基礎(chǔ)建設(shè)和新能源進行開發(fā)；2008歐盟2020年氫能與燃料電池發(fā)展計劃：歐盟擬斥資組建10億歐元的政府項目，用于燃料電池和氫能源的研究和開發(fā)；德國投資1500萬歐元用于車載電池等相關(guān)技術(shù)的研發(fā)；中國2014發(fā)布“關(guān)于免征新能源汽車車輛購置稅的公告”，對購置EV、HYBRID、燃料電池汽車(FCEV)免征車輛購置稅。2012通過“節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)”，將以純電動汽車作為汽車發(fā)展的主要方向，重點發(fā)展EV和HYBRID，推廣HEV節(jié)能內(nèi)燃機汽車，加快我國汽車行業(yè)的發(fā)展水平。2010提高政府對新能源汽車的政策扶持力度，把首批推廣的13個城市增至25個城市。2009啟動“十城千輛工程”,通過對新能源進行政府政府補貼,促進實現(xiàn)每年發(fā)展10個城市,每個城市推出1000輛新能源汽車。200711月1日起實施的(新能源汽車生產(chǎn)準(zhǔn)入管理規(guī)則）,制定新能源汽車國家標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用歷程在塑料及其復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用歷程上，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司李宏遠副總經(jīng)理的“復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用”報告認為：（1）成熟的第一步：通用改性塑料，比如PP、PVC、ABS及PA等耐熱熱增強改性，主要應(yīng)用在汽車內(nèi)外裝飾件上。（2）進行的第二步：長/短玻璃纖維增強復(fù)合材料，主要應(yīng)用于汽車部分結(jié)構(gòu)件和功能件上，是目前廣泛應(yīng)用于汽車上的重要復(fù)合材料。纖維熱塑性塑料：SMC/BMC;纖維熱塑性塑料：GMT、LFT。（3）關(guān)鍵的第三步：汽車用復(fù)合材料關(guān)鍵性的第三步，碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP），主要應(yīng)用于車身承載結(jié)構(gòu)件。（4）追求的第四步：追求綠色的第四步，天然植物纖維增強復(fù)合材料，主要應(yīng)用于汽車內(nèi)外裝飾件，有機回收，環(huán)保。成型技術(shù)FWBMCSMCRTMGMTR/S-RIMLFTHLUHLUSMCRTMLFTBMCGMTR/S-RIMFW汽車用復(fù)合材料成型工藝玻璃纖維增強型熱塑性塑料（GMT）；手糊成型（HLU）；纏繞成型（FW）；塊狀成型（BMC）；片狀成型（SMC）；樹脂傳遞模塑（RTM）復(fù)合材料在汽車上的運用趨勢2008年450Kg2012年400Kg2016年350Kg2020年290Kg高分子復(fù)合材料具有比強度、比模量大,耐疲勞性能好,阻尼減震性好，破損安全性高和耐腐蝕性能優(yōu)越等特點，因此高分子復(fù)合材料的使用能夠在使得汽車在節(jié)能減重的同時更具安全和舒適性。

典型乘用車所用材料基體材料環(huán)氧樹脂聚氨酯聚丙烯尼龍……纖維碳纖維玻璃纖維天然纖維……高分子復(fù)合材料

典型乘用車所用材料典型乘用車所用材料材料體系拉伸強度(MPa）拉伸模量（GPa）密度(g/cm3)比強度（g/cm3）比剛度（g/cm3）鋁合金420722.815126鋼（結(jié)構(gòu)鋼）12002067.815326SMC80-25010-161.7-1.9535.3BMC30-6010-121.8-2.1--LFT96-3409-201.414610玻璃纖維/聚酯單向1245482.062324織物5502227511S-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂單向1795562.089828織物8202641013T300碳纖維/環(huán)氧樹脂單向17601301.6110081結(jié)構(gòu)鋪層8106050638T700碳纖維/環(huán)氧樹脂單向21001301.6131081結(jié)構(gòu)鋪層10106063138 中國自主品牌碳纖維輕量化技術(shù)應(yīng)用 現(xiàn)狀及碳纖材料輕量化國內(nèi)CFRP使用情況

?節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃?2015年產(chǎn)銷量50萬輛油耗當(dāng)量提升為14.5KM/L2020年產(chǎn)銷量超過500萬輌油耗當(dāng)量提升為20KM/L新能源汽車、動力電池及關(guān)鍵零部件技術(shù)整體上達到國際先進水平。CFRP在氣車工業(yè)中,年用量比例還不大,應(yīng)用較為成熟的技術(shù)大部分僅集中在非連續(xù)纖維復(fù)合材料成型工藝上。在連續(xù)纖維快速成型方面,只重點突破了以熱塑性復(fù)合材料快速熱壓成型和快速樹脂流動成型為代表的低成本復(fù)合材料部件制造關(guān)鍵技術(shù)。實現(xiàn)了部分連續(xù)化自動化生產(chǎn),及連續(xù)破纖維復(fù)合材料片材.板材及部分部件的連續(xù)自動化制備,初步建立了車用復(fù)合材料部件生產(chǎn)示范線。合材料汽車部件的自動化設(shè)備。效率達到56件/天。

分別采用陰離子聚酰胺6(APA6)及聚環(huán)狀對苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)熱塑性單體,經(jīng)原位聚合成型制備出大尺寸復(fù)合材料氣車底板。突破了碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型關(guān)鍵技術(shù)。在熱壓成型工藝、液態(tài)成型工藝、設(shè)計技術(shù)、連接技術(shù)以及關(guān)裝備等方面取得重要進展。中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所、化學(xué)研究所等單位聯(lián)合研制出連續(xù)碳纖維復(fù)合材料快速熱壓成型成套裝備，及連續(xù)碳纖維復(fù)■上汽榮威E50三明治結(jié)構(gòu)碳纖維引擎蓋8kg降重3kg■奇瑞某新車型碳纖維復(fù)合材料前罩■長城、上汽、奇瑞、北汽、東風(fēng)、比亞迪等汽車主機廠都在開展碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用研究，但都基本停滯在外覆蓋件樣件展示。奇瑞碳纖維“小螞蟻”概念車亮相2012年北京車展■北汽concept900”轎跑型概念車碳纖維鷗翼式車門2013年上海車展■哈弗H6碳纖維改裝車（前罩、前后保險杠）中國自主品牌的碳纖維輕量化技術(shù)零部件現(xiàn)狀■奇瑞碳纖外覆蓋件（含側(cè)圍和地板）正在開發(fā)的碳纖維零部件：S301碳纖維傳動軸,鈑金1725kg，其中中間軸管重量4.825，預(yù)計可以實現(xiàn)減重2.7kg，目前正在與陜西新思維，哈玻院等進行樣件開發(fā)工作。碳纖維長安汽車復(fù)合材料輕量化技術(shù)應(yīng)用工作及其思路總成替代設(shè)計裝配分析CAE驗證擺臂材料演變及減重效果示意目的：技術(shù)積累和實驗驗證碳纖維地板&頂蓋開發(fā)與中科院寧波所、湖南大學(xué)等單位合作，擬在2017年入門級EV純電動車上搭載開發(fā)碳纖維地板和頂棚，進行實車實驗驗證，進行碳纖車身開發(fā)技術(shù)積累。長安汽車復(fù)合材料輕量化技術(shù)應(yīng)用工作及其思路汽車頂蓋BMWI3對標(biāo)與解析長安提前組建了項目團隊，制定了對標(biāo)解析工作計劃，預(yù)計2015年4月完成各項性能測試，與合作伙伴一道開始系統(tǒng)性地解析對標(biāo)。長安汽車復(fù)合材料輕量化技術(shù)應(yīng)用工作及其思路碳纖維“黑車身”及復(fù)合材料汽車開發(fā)對標(biāo)BMWI3整車結(jié)構(gòu)布置、性能、電池控制系統(tǒng)，研究材料-成型工藝-連接技術(shù)-涂裝工藝技術(shù)-維護維修-回收再利用技術(shù)，開發(fā)碳纖維“黑車身”，打造全新材料和結(jié)構(gòu)輕量化汽車。長安汽車復(fù)合材料輕量化技術(shù)應(yīng)用工作及其思路對標(biāo)BMWI3整車結(jié)構(gòu)布置、性能、電池控制系統(tǒng)，研究材料-成型工藝-連接技術(shù)-涂裝工藝技術(shù)-維護維修-回收再利用技術(shù)，開發(fā)碳纖維“黑車身”，打造全新材料和結(jié)構(gòu)輕量化汽車。碳纖維“黑車身”應(yīng)用研究和開發(fā)-是自主品牌汽車行業(yè)輕量化的“中國夢”目標(biāo)與挑戰(zhàn)：掌握碳纖維復(fù)合材料整車仿真技本及應(yīng)用關(guān)鍵技本,研究材料性能對零件CAE/整車CAE/碰撞/NVH/疲勞耐久和車內(nèi)空氣質(zhì)量等的影響；突破碳纖維整車結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù),連接裝配技術(shù)、表面涂裝工藝技術(shù)和快速成型工藝技術(shù)瓶頸；完成碳纖維黑車身(包括覆蓋件)結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析,及實驗驗證。背門后側(cè)門四門兩蓋開發(fā)思路：單件→系統(tǒng)→整車，試驗通過后層層推進頂蓋車身覆蓋件側(cè)圍車身框架前擺臂扭力梁底盤結(jié)構(gòu)件驅(qū)動軸傳動軸底盤軸類桿狀件碳纖維黑車身復(fù)合材料汽車

中科院深圳先進技術(shù)研究院汽車電子研究中心等單位研制的國內(nèi)首部碳纖維電動汽車。整車大量使用碳纖維部件,大大降低了車身重量,僅有1.1噸;輪轂減重29%,阻尼系數(shù)提高15倍，且達到良好的減壓性能。

通過復(fù)合材料體系研究、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計、快速成型工藝研究以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件性能驗證與評估,基本突破了汽車結(jié)構(gòu)件用復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù),對國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料汽車結(jié)構(gòu)件的設(shè)計和快速制造提供了有利的支撐。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所與奇瑞氣車聯(lián)合打造的碳纖維插電式混合動力車“艾瑞澤7”車型。車身采用CFRP,外売重量減輕10%,油耗降低7%;車身總體減重達40%~60%后,整體可操控性強,帶來更為出色的加速感受。長碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料汽車輪轂

北京航空航天大學(xué)、北京納盛通新材料科技有限公司、北京中材汽車復(fù)合材料有限公司自主設(shè)計研發(fā)的長碳纖維增強熱塑性(尼龍)復(fù)合材料（LCFT）輪轂,比汽車鋁輪轂可大幅減重40-60wt%,尺寸精度更局,抗疲芳、抗蠕變、耐熱、耐環(huán)境性能等性能更加優(yōu)異,生產(chǎn)效率更高、成本更低,且可回收循不使用,該注塑工藝已在保險紅、發(fā)動機罩蓋等非承力件大量使用。國產(chǎn)CFRP電動車中科院寧波材料所奇瑞CFRP電動車奧迪A3CFRP電動車東風(fēng)CFRP內(nèi)裝飾電動車I-car蓮花CFRP車身電動車北汽CFRP車身電動車國產(chǎn)CFRP大車及零件中聯(lián)重科CIFACFRP超長臂架泵車中集碳纖維箱體車CFRP進氣套件CFRP中控臺轎車CFRP底盤CFRP后視鏡國內(nèi)外汽車行業(yè)輕量化差距數(shù)據(jù)顯示，中國乘用車重量平均比歐洲汽車重5%~10%，商用車的數(shù)字則是17%。Page38三、碳纖維增強復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景1、碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中應(yīng)用的方向

車身內(nèi)、外裝飾部件

新能源汽車整體車身和部件

結(jié)構(gòu)承載部件

商用貨車車廂、傳動軸、碳纖維車輪、防撞潰