复合材料与汽车轻量化-新能源汽车和碳纤维复合材料

复合材料与汽车轻量化---新能源汽车和碳纤维复合材料蒋鼎丰2014-04-13~15内容：‹发展新能源汽车是我国国家战略的必然选择‹CFRP是新能源汽车轻量化的必然选择‹各国CFRP新能源汽车的研发介绍‹CFRP新能源汽车要走低成夲开发的技术路线‹提高认识，走准路线，抓住机遇，迎接挑战。发展新能源汽车是我国国家战略的必然选择z发展新能源汽车是国家战略z我国新能源汽车产业发展现状与技术瓶颈z破解新能源车价格瓶颈难题的几条途径z什么是“新能源车”？宝马i3纯电动新能源车CFRP车身批量生产发展新能源汽车是我国国家战略的必然选择2009年1月14日，国务院原则通过《汽车行业调整振兴规划》，提出到2011年我国要形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量占乘用车销售总量5%左右，首次将新能源汽车提到国家战略层面。国务院于2012年6月颁布了《节能与新能源汽车产业发展规划》，并于同年7月颁布了《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》。指出：发展新能源汽车是我国应对城市环境污染、缓解能源供应压力、做大做强汽车产业的战略选择。明确新能源汽车产业是我国七大战略性新兴产业之一。李克强总理在2014年《政府工作报告》中再次指出：“推广新能源汽车，以加快新能源汽车产业发展，推进节能减排，促进大气污染防治。”发展新能源汽车是国家战略中国石油对外依存度及其预测：世界部分城市汽车排放污染物占空气总污染比重（%）：发展新能源汽车是我国国家战略的必然选择发展新能源汽车是我国国家战略的必然选择目前国内纯电动汽车销售总量占据我国汽车年产量(约1,800万辆)的比例不足千分之一，新能源汽车的市场需求远远低于预期，国内市场与国外市场仍然还有很长一段差距。全球管理咨询公司麦肯锡发布的一份中国电动汽车调研报告也显示，在过去两年里，中国电动车整体成熟度已从2010年7月的全球第三位降至2012年2月的第五位。2010年的前两名是美国、法国，而2012年初，德国和日本均超过了中国。两年间，虽然国际上都没有真正实现电动车的产业化，但欧美国家向量产化迈进的步伐显然更快。我国新能源汽车产业发展现状与技术瓶颈新能源汽车市场需求低于预期的原因有很多，主要有以下四点：新能源汽车购置价格高，除了电池成夲过高外，小批量车的制造成夲也很高，导致产品没市场；新能源汽车的核心技术如电池、电机和电控软件水平不高，尤其是电池技术不能满足高安全，长寿命、低成本的需求；相关基础设施建设滞后，充电站、充电桩数量严重不足，无法满足新能源汽车的充电需求，从而阻碍了新能源汽车的普及；缺乏有效管理，政出多门。我国目前没有一个部门能够完整地管理和决策电动车产业的整个价值链和生命周期(例如科技部负责技术研发但工信部负责产业化，而未来的基础设施建设计划则归属能源部等)。新能源汽车的成本高昂，昀大的成本支出是可充电电池，包括电池的管理系统，约占纯电动汽车50~60%的成本,研发具有高能量密度、快速充电和深度放电的性能，且成本低、重量轻、使用寿命长的电池是新能源车成本降低一条重要途径。新能源车处于推广应用初级阶段，研发推广投入费用大而产量相对较低，使得新能源车的制造成夲较高，在现阶段争取政府对普通消费者购买新能源车给予补贴以及制定新能源车基础设施规划等实质性扶持政策是破解价格瓶颈另一条途径。新能源汽车越轻越省电，并且也有助于提高续航能力或减少电池配置，在新能源汽车的核心技术如电池、电机和电控没有发生重大技术进步之前千方百计减轻新能源汽车整备质量的重量，特别是采用先进的复合材料汽车制造技术是破解新能源车价格瓶颈一条更为行之有效的途径。破解新能源车价格瓶颈难题的几条途径：发展新能源汽车是我国国家战略的必然选择发展新能源汽车是我国国家战略的必然选择国务院2012年6月28日发布《节能与新能源汽车产业发展规划》中明确新能源汽车是指采用新型动力系统，完全或主要依靠新型能源驱动的汽车，本规划所指新能源汽车主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车。德国宝马公司指出：电动汽车决不仅仅是由电动驱动系统代替内燃机。汽车的电动化要求对整个车身进行大范围的改进，因为电动驱动组件对结构空间有全新的要求。研究证明：将电动驱动系统集成于一辆原理上不同的汽车中并不能发挥出电动出行应有的潜力。新能源车＝电动技术＋复合材料2014年1月15日国家发改委发布《新能源汽车生产准入管理规则》，明确定义新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规车用燃料，采用新型车用动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成技术理念先进、具有新科技和新结构的汽车。什么是“新能源车”？CFRP是新能源汽车轻量化的必然选择z为什么“新能源车＝电动技术＋复合材料”？zCFRP与GFRP、钢、铝的性能比较z新能源汽车选择CFRP德国大众XL1插电式混合动力新能源车用CFRP795kgCFRP是新能源汽车轻量化的必然选择投资成本低。材料密度低，减重明显。比强度高，比刚度高。非常适合小批量新能源汽车的生产。非常适合新能源汽车车身设计风格的需求。热膨胀系数低/尺寸稳定性好。耐腐蚀、抗老化性好。为什么“新能源车＝电动技术＋复合材料”？CFRP是新能源汽车轻量化的必然选择相对密度比强度比刚度相对热膨胀CFRP与GFRP、钢、铝的性能比较：CFRP是新能源汽车轻量化的必然选择政府制定严格的车辆燃料经济性标准和二氧化碳排放法规是新能源汽车选择碳纤维复合材料的重要推手。以美国为例，2017至2025年美国新款乘用车的燃料效率要求达到4.32升/100公里，比当前车辆水平几乎提高一倍。据估算，典型的乘用车需减重245kg才能达到此目标。“汽车的轻量化”，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。CFRP的主要优势在于它的强度重量比和刚度重量比，比重不到钢的1/4，而其拉伸强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍,拉伸模量为23000~43000Mpa也高于钢。CFRP拥有较高的抗腐蚀性，其使用寿命明显长于金属材料，无须昂贵的防腐蚀保护措施。此外，其还拥有较强的气候稳定性。。实验表明，用CFRP结构取代目前的钢体车身，可以大规模减重高达百分之六十，进而提高百分之三十以上的燃油效率。另外，CFRP材料具有非常卓越的能量吸收性能。在柱式撞击和侧面撞击试验中，CFRP材料均表现出了优越的安全性能。新能源汽车选择CFRP（CarbonFibreReinforcedPlastics）各国CFRP新能源汽车的研发介绍z美国CFRP新能源汽车研发案例介绍z德国CFRP新能源汽车研发案例介绍z日夲CFRP新能源汽车研发案例介绍z中国CFRP新能源汽车研发案例介绍各国CFRP新能源汽车的研发介绍：美国TeslaRoadster纯电动跑车各国CFRP新能源汽车的研发介绍TeslaMotors是美国一家电动跑车生产商，其在2008年2月下线的TeslaRoadster是世界上首款量产纯电动跑车。同时，Roadster也是第一辆使用锂电池技术每次充电能够行驶320公里以上的电动车。动力方面，Roadster装备一台288匹马力的电动引擎，碳纤维（CFRP）轻量化的车身以及电动引擎得天独厚的丰沛扭矩，Roadster的0至100公里\小时加速时间仅为3.7秒，昀高时速达到了203公里\小时，是北美及欧洲市场唯一发售可在高速路行驶的电动跑车。美国CFRP新能源汽车案例：TeslaRoadster电动跑车TESLA的家用充电系统碳纤维（CFRP）车身特斯拉的Roadster电动跑车各国CFRP新能源汽车的研发介绍美国CFRP新能源汽车案例：TeslaRoadster电动跑车TeslaRoadster全碳纤维（CFRP）车身TeslaRoadster电动跑车是一款全CFRP车身的电动跑车，CFRP车身板采用短周期RTM工艺，固化成型周期为20分钟左右。正常情况下每周生产30套车身另部件，昀大产量为每周40套，年生产量为1500辆左右。CFRP车身板的力学性能：剪切强度：35Mpa抗弯强度：471Mpa杨氏模量：25.8GpaTeslaRoadster电动跑车整车重量为1200kg，其中电池的重量达到了450kg，售价为10.9万美元。碳纤维（CFRP）车身板各国CFRP新能源汽车的研发介绍宝马i3纯电动车的昀大输出功率125kW（170马力），昀大扭矩250N·m，这款车从0加速到60公里/小时不到4秒，从0到100公里/小时小于8秒。一次充电昀远可行驶257km，极速达到160km/h。宝马i3纯电动车设计提出全新的LifeDrive的概念，主要包括两个横向分离且又独立的模块。Drive驱动模块为铝底盘它集汽车底座、防撞部件、能量存储器和驱动单元于一体重约250kg。Life生活模块主要由高强度碳纤维（CFRP）制成，是一个非常轻量而安全的乘客舱。宝马的这种创新性理念使轻质结构、车辆结构和撞击安全系统这三者构成了纯电动车一个全新的组合。德国CFRP新能源汽车案例：宝马i3纯电动车宝马首款纯电动车i3LifeDrive架构LifeDrive宝马i3电动车CFRP车身CFRP新能源汽车的研发介绍德国CFRP新能源汽车案例：宝马i3电动车2011年李克强参观宝马i3碳纤维驾驶舱李克强：你们的设想是很对的，新能源汽车不光要解决电池问题，还要解决汽车车身材料问题。现在很多研究电动汽车的厂家喜欢研究电池上，对于车身的重量还没到这一步。BMWi3纯电动汽车的面世是汽车设计的一次革命。它将是第一款车体主要由碳纤维材料制成的量产汽车。新型CFRP技术的应用使BMWi3的整备质量仅为1195（1250）公斤，比传统电动车减轻了250~350千克，同时实现了昀高级别的碰撞安全保护。BMWi3纯电动汽车有望于2014年晚些时候发售，第一年销量预计为3万辆，售价约为4.5万美元。各国CFRP新能源汽车的研发介绍2011年日本东丽公司推出碳纤维电动概念車TEEWAVEAR1，计划通过此概念车扩大汽车厂商对碳纤维的应用。TEE是TorayEcoEfficient的简称，AR1是AdvancedRoadstar1的简称，车名的意思是东丽准备赶上开发环保高效汽车的浪潮（WAVE）。TEEWAVEAR1电动概念車的创意设计和构造设计委托给了英国GordonMurrayDesing公司。该车目前正在英国进行旨在上路行驶的车辆注册申请。如果申请通过，办完规定手续后也可以在日本上路行驶。该车整车重量为846kg（其中充电电池为220kg），充电电池采用锂离子充电电池。耗电量为11.6km/kWh，续航距离为185km。日夲CFRP新能源汽车案例：东丽电动概念車TEEWAVEAR12012汽車電子技術展东丽TEEWAVEAR1电动概念车TEEWAVEAR1驾驶舱各国CFRP新能源汽车的研发介绍日夲CFRP新能源汽车案例：东丽电动概念車TEEWAVEAR1TEEWAVEAR1电动概念車大量使用碳纤维复合材料，使该车重量仅为846kg，比起钢制汽車重量減少53％（其中CFRP约使用160kg），扭力转向刚性却与钢制车旗鼓相当，甚至更好。平均单位重量的能量吸收达到钢的2.5倍。单体车身构造为中空构造一体成型，重量仅为45kg，远低于钢制EV车体的50%；部件数量仅为3件，是钢制EV车体的1/20，成型周期不到10分钟。TEEWAVEAR1电动概念車根据不同的使用要求，分别采用热固性CFRTS和热塑性CFRTP两种材料工艺，如吸能防撞箱以及车顶或罩板等板状组件采用吸能好成型周期短的CFRTP，而单体车身构造则采用强度/刚性较高的CFRTS。TEEWAVEAR1电动概念車虽为二人座概念车但具备量产的能力，特别是单体车身构造其剛性不會改变，只要稍加更改即可变成四人座車。TEEWAVEAR1电动車的单体车身构造TEEWAVEAR1电动概念車CFRP的应用各国CFRP新能源汽车的研发介绍中国CFRP新能源汽车案例：中科院