先进复合材料如何提高电动汽车续航里程

化学咨询公司ChemBizR的聚合物和材料专家思考了复合材料于当前和未来在努力使电动汽车更高效和更吸引消费者方面的作用。 

尽管电动汽车在减排方面表现出了巨大的优势，但到目前为止，显然还是有不少挑战存在。第一个也是最普遍的就是消费者对续航里程的担忧。根据Alix Partners的一项调查，67%的客户正在考虑成本与汽油动力汽车相当的电动汽车。

第二个挑战是有限的充电基础设施，因为大多数现有充电站都集中在部分区。根据Alix的调查，57%的消费者对电动汽车不感兴趣主要是因为充电问题。西方国家一直在积极弥合这一差距，但亚洲地区除了中日韩之外，其余的一些国家在这一基建方面还处于落后阶段。另外，充电速度也是一个问题，目前还无法与汽油动力汽车的加油速度相比。同时，牵引电池的安全问题和热失控风险也令人担忧。

图 | CompositesWorld

克服这些挑战需要用先进的材料来解决部分问题，我们探讨一下复合材料是怎样通过其轻量化来确保更高的车辆行驶效率，特别是对电池和电机来说。

为了提高任何车辆的效率，通常考虑的首要策略之一是减轻整个系统的重量。车辆轻量化可以追溯到1900年代，当时铝在汽车行业的使用取得了进展，并取代了包括车身在内的大部分汽车部件中的钢材。然而，对于电动汽车，因为安全和技术商业因素，例如大批量生产，每个零件的成本降低以及通过轻质材料满足性能标准，我们将看到引擎盖下（UTH）组件发生很多变化，尤其是在多个动力总成组件中。

电池模块

有趣的发展可以在电池模块或外壳中看到，其中复合材料已经变得非常流行。传统的电动汽车电池重量超400公斤，金属模块重达100公斤。一些领先制造商正在使用复合材料来减轻电池模块的重量，包括宝马与SGL Carbon合作为其电池模块提供碳纤维复合材料。英国TRB轻质结构等公司也在这一领域有所突破，改进了轻量化解决方案的结构设计。TRB报告了最近的一项发展，将模块重量从80公斤减少到10公斤，提高了强度和阻燃性。 

尽管钢铁和铝制造商也在推动自己的轻量化设计，但复合材料在满足阻燃要求和降低快速充电的热失控风险方面具有主要优势。成本一直是复合材料的瓶颈，然而，现在复合材料相关供应商正越来越多地进入汽车供应链，从树脂生产到结构生产，成本问题或能解决。

电机组件

电机占车辆重量的较大一部分。因此，在使用合适的材料、设计和电气元件集成的帮助下，自重可以得到优化。目前，有些公司正专注于电动车桥的设计和开发，其特点是电机与转换器/逆变器相结合，最大限度的少使用高压电缆。这肯定会减少高压电缆的重量以及逆变器/转换器的外壳重量，因为它将安装在电动车桥外壳内。然而，包括缺乏投资和整个价值链协作在内的挑战非常突出，导致电动车桥技术可能无法满足OEM的功率和成本要求。

德国大学弗劳恩霍夫化学技术研究所（ICT，Pfinztal）和卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）正在合作开发使用热固性聚合物的混合金属基复合材料，这些聚合物具有更高的热机械稳定性并满足电机外壳的刚性要求。然而，高温下的尺寸稳定性和电机冷却是使其商业化的主要挑战。塑料可能无法提供足够的导热性和均匀的热分布。重新设计冷却通道当然可以改善电机的热管理，但开发、测试和商业化大约需要五到八年的时间。与此同时，特斯拉和其他公司正在为电动机中的转子外壳、定子和其他组件开发复合材料，据报道，这些复合材料可实现新的性能水平，并显示出在这些类型应用中实现商业规模的潜力。

复合材料的采用预计将主要用于高档汽车的结构部件中，因为单位成本和规模经济问题。然而，复合材料有机会用于电池外壳和一些电机部件等汽车的其它主要部件，我们可以预期在未来三到五年内会有更多的渗透。对于较大的结构部件，复合材料可能需要等待10年或更长时间，毕竟行业才开始专注于更换高强度钢和铝。

内容参考来源：CompositesWorld