碳纤维复合材料在电动汽车轻量化领域中的应用

全复合材料车身电动客车

　　能源枯竭和环境恶化是阻碍可持续发展的两大顽疾，由于节能减排的迫切要求，电动汽车的技术研发和产业化发展受到了越来越多的重视，以美国、欧洲为代表的发达国家积极展开电动汽车产业发展的实践。中国作为快速崛起的大国，近年来汽车销量急剧增长，石油需求大幅攀升，快速的工业化导致环境污染日趋严重。在这样的背景下，中国发展电动汽车具有重大的现实意义，不仅有利于降低对石油的依赖，保证我国的能源安全，也有利于我国的环境保护和可持续发展。“十三五”期间，国家科技计划将加大力度，持续支持电动汽车科技创新，把科技创新引领与战略性新兴产业培育相结合，组织实施电动汽车科技发展专项规划。

　　我国电动汽车行业已经有了一定的发展，但鉴于当前电池的能量密度、功率密度较低，导致电动汽车实际续航里程较短，而想要克服电池发展的瓶颈还有很长一段路要走。考虑到电动汽车的整车重量也是影响其续航里程的主要因素之一，因此除了加快电池、电机技术的研发，电动汽车车身轻量化方面的研究工作也应重视。

　　轻量化方向

　　电动汽车轻量化可以从电池技术、电机技术、车用材料和汽车结构四个方面入手。在当前电池和电机的技术水平下，最大程度的轻量化要求我们在车身结构，材料的选择与替代两个方面进行合理优化，以此平衡电池包和电机的重量。

　　1、结构轻量化。车身结构优化在满足诸如车身刚度、模态、碰撞安全、疲劳寿命等特性的同时，也必须考虑车身结构的可制造性和生产成本。在结构优化方面，我国已经迈出了重要一步，车身结构设计相对成熟，优化空间正在减小。

　　2、材料轻量化。目前仍以高强度钢、镁、铝和塑料作为主要汽车材料组合。在轻量化趋势下，我们应当深化多种材料组合的应用，在优化组合的同时引入新材料，其效益不仅是轻量化结果本身，对整车开发技术来讲也是一种进步。

　　结构优化发展较早的原因之一是未找到合适的轻量化材料替代汽车用钢。铝出现后，便以优异的性能开始应用于车身，同时玻璃纤维伴随其他复合材料也开始出现。如今，碳纤维凭借其优越性几乎可以完全替代钢材料。当前已经有凭借碳纤维材料的优异特性成功降低车重和碳排放的实例，尤其在一些新款电动车中，人们可以找到碳纤维材料的身影。

　　应用现状及效果

　　国外电动汽车的碳纤维车身技术已经从实验室走向生产。雷克萨斯LFA研发团队深入研发碳纤维复合材料的生产技术，由65%的碳纤维增强塑料和35%的铝合金材料构成的车身，比同样的铝制车身轻约100 |千克，结构更坚固。宝马于2011年推出的Hommage全新概念车采用轻量化碳纤维复合材料，整车质量只有780千克。未来宝马将要推出的电动汽车将更多地采用碳纤维，新电动车底盘也将在很大程度上采用碳纤维增强热固性塑料。梅赛德斯奔驰SLR超级跑车，车身几乎全部采用碳纤维复合材料，由于强化了碳纤维的应用，在碰撞中具有高效的能量吸收率。更值得一提的是该车在搭载240千克电池包的情况下整车重量不超过850千克。这一应用在降低整车质量的同时兼顾了汽车性能与安全，可见碳纤维复合材料对于平衡电动汽车电池包重量的显着效果。

　　碳纤维复合材料具有质轻高强、耐磨、热导率大、自润滑、耐腐蚀、抗冲击性好、疲劳强度大等优越性。对于汽车生产商来说，碳纤维复合材料车身还具有集成化、模块化、总装成本低、投资小等优点，避免了传统车身的喷涂过程和相应的环保处理成本。由于碳纤维增强复合材料有足够的强度和刚度，是适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的材料。目前，在赛车和高档跑车之外，碳纤维增强复合材料可以很大程度地应用于传统汽车中替代传统零部件材料，如发动机系统、传动系统、底盘系统，最重要的是车身。目前汽车车身重量的3/4是钢材，轻量化空间很大，碳纤维复合材料是车身轻量化材料很好的选择。这种材料的替换应用同样适用于电动汽车车身，它的应用将可大幅度降低汽车自重达4060％,对汽车轻量化具有十分重要的意义。

　　大规模应用的阻碍因素

　　碳纤维复合材料与汽车完美结合却未欣欣向荣的原因，除了其本身的技术因素外，还有其他因素：

　　1、性价比，也就是成本是生产商必须考虑的。轻量化的成本在一定程度上会成为后期节能的前期投入，反映在价格上就是整车的价位比较高。

　　2、汽车发展和产品环境。金属材料所占的市场及成熟的行业体系是碳纤维复合材料发展的主要障碍。碳纤维复合材料的技术及产品发展周期很难得到汽车投资者的青睐，况且针对汽车与碳纤维复合材料的规模性生产结合需要一定的前期投资。

　　3、供应商的结构和能力。碳纤维复合材料供应商四分五裂，在资源和生产能力上有限，不具备设计、生产、实现汽车各种性能要求的系统研发能力。

　　引入方式

　　如何将碳纤维复合材料引入汽车系列产品尤其是电动汽车系列产品是我们必须考虑的关键步骤，现今的汽车是各种功能型材料的完美组合体。碳纤维复合材料应用于车身的优点显而易见，然而成本居高不下成为制约其在汽车工业中大规模应用的瓶颈。

　　中航复合材料有限责任公司作为国内复合材料行业的领军企业，于2016年1月启动全复合材料客车车身研发项目，设计组成员与整车企业中植航电动汽车南通有限公司联合设计，首辆全复合材料车身电动客车于同年7月制造完成。该客车车身采用高强度碳纤维与低成本玻璃纤维混合制造，成功实现了车身轻量化，使得行驶安全性和乘车舒适感有所提升。该客车更具备零排放、无污染，充电快，电耗低等优秀性能。

　　结构合理

　　在设计初期确定车身结构方案阶段，设计人员对比了三种结构形式：预成型骨架方案，层合梁骨架方案和无骨架方案。经分析比较，上述三种方案强度水平基本相当，有骨架方案具有刚度优势，但三种方案均能满足刚度要求。重量方面，三个方案无明显差别，但无骨架方案在工艺性和成本方面具有明显优势，所以最终选定无骨架车身结构作为设计方案。

　　控制成本

　　选材时考虑到玻璃纤维价格低，技术较为成熟，在性能方面具有较好的断裂应力应变能力，但缺乏刚性。于是设计人员将碳纤维与玻璃纤维两种材料按适当比例混合，综合两种纤维增强复合材料的性能，从而减少碳纤维的用量，降低生产成本。

　　该客车采用真空辅助树脂灌注（VARI）工艺制造而成，目前国际上复合材料客车车身基本都采用VARI工艺制造，其最大的优点是成本低，缺点是制件外观存在细节上的瑕疵。除VARI工艺外，复合材料车身结构目前比较成熟的制造工艺还包括预浸料袋压/热压罐、模压、树脂压铸（RTM）等，国外高端轿车采用的工艺主要是RTM和模压工艺，其优点是制件质量好，工艺比较稳定，缺点是制造成本高，制造技术要求高。

　　减重明显

　　由于结构合理、选材得当，12米长的客车总重量仅为8.5吨，相比同级别车重量降低4~5吨，减重达30%以上。能够实现2小时快速充电并且一次充电续航里程高达300千米，又因为整车重量减轻，使得电池剩余电量在低于25%情况下客车仍可正常行驶。

　　抗冲击

　　在侧翻试验过程中，当侧翻角度达到49?时，整车随即翻倒在地面，所有车窗玻璃破碎，然而车身未出现任何扭曲、撕裂及变形，并且安装在车顶部近两吨重的电池及箱体也保持完好无损。

　　抗翻滚性

　　由于碳纤维复合材料的强度和模量均是高强度钢和轻质铝合金的数倍，因此该客车具有很高的结构强度和抗瞬间冲击能力，其侧倾角可达38?以上，比国内同类车指标优化20%以上，具有更好的抗翻滚性。

　　阻燃隔离

　　近两吨的电池箱体采用世界首创的顶置模式，充分证明车身的高强度性能，同时由于采用了阻燃技术，在电池箱体发生意外燃烧情况下，电池箱与车身乘客区域隔离，因此不会危及车内乘客。

　　低地板

　　除驾驶员区，轮舱区、后设备舱区以外，全车选用低地板结构，使得乘客上下车更为方便，地板离地最小距离150厘米，在人性化设计方面，更设有残疾人上车辅助功能。

　　爬坡能力

　　由于重量减轻，重心降低，使得整车行驶稳定性、转弯惯性等一系列行驶性能得到极大的优化和提高，特别是整车爬坡性能，具有28?以上的超强爬坡能力。

　　高强度碳纤维复合材料在客车上的成功应用，将是客车乃至整个汽车行业的一次颠覆性革命，是汽车行业的又一个里程碑。这项革命性的技术在不久的将来会为中国的新能源汽车行业做出更大的贡献，开创碳纤维新型复合材料客车、商用车发展的新纪元。