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    復合材料在電動客車的應用研究

    放大字體  縮小字體 發布日期:2018-01-05  來源:愛極客  瀏覽次數:495
    核心提示:電動客車研發的主攻方向是電池、電機、電控,其實這三個方面,零部件廠家才是主角,客車生產廠家是配角。客車廠家自己要做的主
           電動客車研發的主攻方向是電池、電機、電控,其實這三個方面,零部件廠家才是主角,客車生產廠家是配角。客車廠家自己要做的主要是輕量化工作。

            客觀地說,大家在這方面也做了不少工作,不少廠家對外發布了許多成果,而大規模推廣應用起來的不多。如果要把新材料用到車上來,主要困難是工藝上要解決的問題太多,如果要進行顛覆性工藝改革,推廣起來,涉及到方方面面,其阻力是可以想象的。
     
    大家普遍認為,以碳纖維為代表的復合材料對電動客車而言,是很接地氣的工程技術方案,但是目前成本過高,客車上推廣應用基本處在紙上談兵的狀態。下面是筆者對電動客車用復合材料推廣應用技術路線的研究。

    一、什么是工程復合材料
     
           復合材料是由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料等兩種或兩種以上的材料經過復合工藝而制備的多相材料。復合材料由連續相的基體和被基體包容的相增強體組成。基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、石墨、橡膠、陶瓷、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、石棉纖維、碳化硅纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。
     
            實際上客車用的復合材料還是比較多了,比如玻璃纖維做玻璃鋼前(后)圍、芳綸纖維做的蜂窩板等。這里討論的電動客車用復合材料,主要是指纖維成分的材料,具體是指“碳纖維”為增強材料的零部件和總成件。
     
            采用指纖維成分的工程復合材料的主要意圖是,替代金色材料減重、替代木質材料防火,保安全。電動客車用復合材料的主要意圖是減重,實現輕量化。
     
    二、目前電動客車用復合材料的不足
     
           目前車用復合材料主要是內飾件, 如果用玻璃纖維件,做車前圍、后圍的包覆件,目前出發點,基于美觀效果,其減重作用還不突出。隨著電動客車的發展,一次持續里程是短板的情況下,客車企業要主動作為,不能被動等待動力電池比能量的提升。客觀地講,動力電池比能量提升的進度還是比較緩慢的。而長途客車一次持續里程,用戶滿意的基本要求在500公里以上,城市公交一次性持續里程,用戶滿意的基本要求在300公里以上。站在客車生產企業的角度而言,電動客車用復合材料做內飾件,強化美觀性,是遠遠不夠的。當前,推廣復合材料應用的抓手是,要用復合材料去輕量化特性,實現承重結構的零部件和機構件。
     
    三、要求復合材料能做承載鋼梁等總成件,電動客車輕量化是重頭戲
     
            什么樣的復合材料能做承載鋼梁等總成件呢?毫無疑問是,“碳纖維”為增強材料做的總成件。為什么是碳纖維呢?碳纖維基本特性有:
     
            碳纖維(carbon fiber)是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”,質量比金屬鋁輕,但強度卻高于鋼鐵,并且具有耐腐蝕、高模量的特性,它不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。按性能可分為通用型、高強型、中模高強型、高模型和超高模型碳纖維;按狀態分為長絲、短纖維和短切纖維;按力學性能分為通用型和高性能型。碳纖維材料是開發承載鋼梁等總成件的必選項,
     
    四、碳纖維復合材料開發純電動客車的實例
     
            客觀地說,具體到碳纖維復合材料特性,要求客車廠的工程技術人員掌握到為客車整車、零部件開發設計的水平,是相當困難的或者基本沒有可能性。不像不像金屬材料,其特性有手冊可查。所以說,要用碳纖維復合材料開發客車結構(骨架),困難重重。必須要得到碳纖維復合材料研發公司的工程技術員的積極支持和深度參與。下面中外企業是用碳纖維復合材料開發車型(見圖1)和(圖2)。
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            2017年9月美國Proterra一款12m客車(載電660KWh)創下一次充電連續行駛1700Km的世界記錄,碳纖維復合材料輕量化技術的應用成為創紀錄的核心技術之一,顛覆性的全新設計的復合材料車身和全新設計的整車(圖1),其全壽命生命周期其綜合成本為同級別燃油車的70%。
    QQ圖片20180105111635
            圖2 是中國企業采用全復材車身(產品通過3C認證),整車(圖2)總重量僅為8.5噸,是目前上了工信部新能源車公告同車型中最輕的,其續航里程可達420公里,減重效果體現在3 個方面:
     
            結構減重:復材車身部件重1755kg,相比金屬車身減重1噸,具有良好的保溫、降噪性能,優異的耐腐蝕、抗疲勞特性;
     
            衍生減重:可省去內飾、地板、電池箱及托架等,共計約500kg,續航里程,可達到400km;
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            裝配線大大簡化,減少40%以上整車裝配線,固定資產投資可減少30%以上的廠房面積。
    強調:中國企業生產的碳纖維的復合材料,在高鐵列車上已經得到廣泛應用,目前已經可以用碳纖維復合材料生產出承載彈簧,替代板簧。這樣一來,純電動客車輕量化水平,有一個質的提高。
     
    五、碳纖維復合材料在電動客車推廣難度分析
     
            以上中外碳纖維復合材料電動客車的研發成功,表明這種材料技術應用已經成功,但是并不表明,可以在在電動客車研發中可以推廣應用這種材料了。認真思考一下,其推廣難度是相當大的。主要有:
     
           用“外柔內剛”特性的碳纖維材料生產出來的總成件(零部件)的功能和技術參數是將由材料配方決定的,即不同的總成件,有特定的材料配方。這對客車廠工程技術員而言是一個挑戰,目前客車廠工程技術人員是機械或者電器專業的,而纖維這種復合材料是高分子專業,相差太遠。
     
            用碳纖維這種復合材料做成零部件以后,目前的機械加工設備,會用得很少了。這個材料主要用模具成型的。實際上一臺12米客車,有多少不同零部件,就要多少個模具配套。實際研發中,零部件外形結構變化較快,如果批量太少,要開發太多的模具,這不現實。
     
            碳纖維材料與鋼材規格特性不一樣。目前客車用的金屬材料規格(特性)基本穩定,尤其的板材和型材,規格基本標準化。碳纖維“外柔內剛”特性說明,他的規格不便于標準化,生產出來的零部件的質量保障體系,如何建立?目前沒有經驗可以借鑒。
     
            一句話,如果12米純電動客車全部用碳纖維材料,必須予以系統地、正向設計,這對目前已經成熟、成型的設計體系,這是一個顛覆。顛覆是一種嚴重的破壞行為,這對客車企業而言,是不能接受的。
     
    六、電動客車用復合材料推廣應用技術路線
     
            碳纖維材料是汽車,尤其是純電動汽車用料的必然趨勢。目前是大家認識不到位,隨時間推移,一定會有越來越來愈多的整車廠家和零部件廠家會采用這種復合材料。目前采用金屬材料(鋼鐵或者合金鋁)設計和加工汽車零部件和總成件技術,最終被顛覆是不可避免的。
     
            純電動客車(零部件)廠要迎難而上,組織工程技術人員,學習碳纖維材料成型有關技術,認識到采用碳纖維材料是客車輕量化的主攻方向,介于越早越主動。電動汽車一次持續里程只有能燃油汽車具有可比性,才可以說,純電動汽車可以超越燃油汽車了。提高出電動汽車一次持續里程,整車和零部件廠可以挖潛空間比較大的。具體地說,是輕量化;再細化,就是碳纖維材料的推廣與應用了;
     
           碳纖維材料技術目前基本掌握在中央企業手上,基礎研究基本完成。目前推廣應用不起來,是因為客車產量不高,而零部件規格多,而模具成本過高,其材料成本比玻璃鋼的材料高出太多;
     
            碳纖維材料供應廠家,要打開市場,要提高推廣應用規模。建議其,當前是要進行市場培育,比如說,與客車廠家聯手,開發通用零部件,提供開發模具支持,驗證零部件的可行性,減少客車廠家采用新技術風險等,叫整車廠嘗到甜頭;
     
            碳纖維材料供應廠家,要公開技術專利,供整車(零部件)廠免費使用,市場培育是要有花費的,碳纖維材料供應廠家眼睛要盯住“材料”供應上即可;
     
            一句話,碳纖維材料供應廠家與客車整車廠家,誰也離不開誰。“先有蛋,還是先有雞”總是困惑人們對新技術推廣應用。筆者理解,碳纖維材料推廣應用的主動權在上游材料廠家,如果碳纖維材料廠家,頂層設計出來了,在進行產業布局,予以推進,我國汽車界推廣應用碳纖維材料一定會打開局面的。
     
     
     
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