纤维增强复合材料在新能源汽车上的运用

新能源汽车汇报人：赵利亚指导老师：李又兵新能源汽车随着世界经济的快速发展,能源与环境已经成为人类发展和生存的重大问题。内燃机汽车使用的燃料均为一次性能源,开发使用后便不可再生。随着全球能源消耗的增加,地球的矿物能源已面临枯竭环境问题也日益突出,在世界各地的大、中城市,大气污染物中约40%~70%来自内燃机汽车的尾气排放。中国大城市的污染状况目前是全世界最为严重的,全世界空气污染最严重的20个城市中,有10个在中国。而中国华北、华东的大城市调査中,大气污染的70%来自于汽车的尾气排放。基于这些原因,新能源汽车就成为解决能源与环境问题的一个选择。新能源汽车的发展史发展期1991宝马公司推出E1电动车,马自达设计推出氢转子发动机概念年HR-X；1993巴拉德(Bdllard)汽车公司设计制造了世界首辆釆用燃料电池城市公共汽车；1996由于石油危机的影响,丰田、雷诺、福特、通用等公司先后推出各种纯电动轿车；1997丰田推出油电混合动力汽车Coaster和Prius；2006日产推出可行驶400Km的电动跑车Roadster，宝马推出时速达230km/h的全新氢动力汽车Hydrogen7；2008日产DenkiCube、雪佛兰Volt，和特斯拉Roadster采用锂离子电池技术，大幅度提高电动汽车性能；2011丰田推出FCV-R轿车式燃料电池汽车；混合动力汽车Prius销量突破300万；2014丰田、北汽、东凤,比亚迪推出多款纯电动微型车和纯电动城市公交车；能源危机环境污染日益增长的汽车总量矛盾汽车发展趋势未来10年将迎来全球汽车产业转型升级节能汽车指以内燃机为主要动力系统，综合工况燃料消耗量提前达到下一阶段目标值标准的汽车。轻量化新能源汽车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。插电式混合动力纯电动汽车燃料电池车……轻量化是产业发展的必然趋势——汽车发展的趋势智能化节能﹠环保作为全球汽车产销第一大国，中国必须把握汽车未来发展的趋势！！城市化人口增加成本压力宏观经济■为什么要做轻量化-理由一国家政策-节能惠民国家法规-严格油耗国家战略-节能减排2015年CO2排放155g/km，2020年CO2排放112g/km。2015年节能惠民5.9L/100km，2020年节能惠民4.5L/100km。2015年平均油耗6.9L/100km，2020年平均油耗5.0L/100km轻量化与油耗、性能的关系(逸动实际试验结果)：1.实际油耗：整备质量每减重100kg，油耗降低约0.4L/100km；2.加速性能：整备质量每减重100kg，0-100km/h加速性提升8-10%；3.制动性能：整备质量每减重100kg，制动距离缩短2～7m。整车轻量化是实现节能减排提升产品竞争力的重要途径■为什么要做轻量化-理由二随着新能源汽车的发展，新的能源系统带来的车身重量增加，汽车轻量化发展趋势事在必行！以纯电动汽车电池系统的重量为例，普通电池系统净增加整车重量250-400kg！■为什么要做轻量化-理由三空气阻力（对油耗贡献约25％）与整备质量无关联。而大约油耗的75％与整备质量有关(滚动阻力对油耗贡献约35％，加速阻力和爬坡阻力对油耗贡献约40％)。■决定油耗的因素FWi-牵引力FR-滚动阻力FL-空气阻力FSt-爬坡阻力FB-加速阻力FWi=FR+FL+FSt+FB10/15ModeFuelEfficiency(km/l)0510152025305001000150020002500DirectInjectionGasolineNormalGasoline35HybridVehicleWeight(kg)CO2:140g/km40■减重与油耗的关系汽车整备质量每减少100Kg，百公里油耗降低0.3-0.6L；车重减小10％，可降低6％～8％的油耗，降低5～6%的排放。轻量化是实现汽车节能减排最有效的技术手段之一轻量化是实现汽车节能减排最有效的技术手段之一提高性能10%对整车油耗的影响发动机效率10%汽车重量5%滚动阻力2-3%动力传动效率1-2%■降低整车油耗的标准途径1）改善发动机性能，提高燃烧效率(动力更新换代技术难度大、耗资多，对汽车产业链带动不明显)；2）减轻汽车自重，进行汽车的轻量化设计（节能效果排第二位，涉及面广，可以带动原材料和零部件等汽车产业的的发展，最容易实现）；3）提升汽车的空气动力学性能，降低滚动阻力；（风阻系数主要由造型决定，不可能所有车都像赛车一样风阻系数降得很低）4）提高动力传动效率，减小功或动力传递损失；（能量传递总是有损失的）纵观汽车重量的变化历史，因对汽车安全性、功能性要求的增加，整车重量逐渐增加。但进入21世纪后，越来越严格的环保和排放法规要求，目前整车重量呈明显现下降的趋势。奥迪A6七代车型重量的变化历程■汽车重量的变化历程1160Kg1230Kg1545Kg1790Kg1990Kg2050Kg1980Kg2012汽车轻量化轻质材料高强钢轻合金复合材料…结构优化设计等强度设计形状拓扑优化集成化设计…先进制造工艺激光拼焊板连续变截面板空心连续变截钢管自冲铆接…复合材料的使用时整车轻量化的主要途径之一。整车轻量化的途径国内外新能源汽车的主要政策国家年份相关政策美国2014实行税收减免、优持扶持、分级补贴政策，实现新能源汽本多元化发展。2011对更新纯电动汽车和插电式混合动力汽车的购买者税收补偿费用的10%(最高4000美元)。2009奥巴马新能源政策：政府投资20亿美元用以支撑新能源汽车电池及其零部件的研发,到2015年100万辆新能源汽车上路。2007能源独立与安全法：将混合动力汽车添加到国家财政补贴范围内。日本2014«氢能源白皮书»：进一步加快氢能源的开发利用,加强氢能源基础设施建设和提高氢燃料汽车资金补助。2010新一代机动车战略2010；到2020年新能源汽车占整体乘用车销售比例的50%，2030年为70%。2009“绿色税制”政策：对购买“下一代汽车”新能源汽车可享受免除多种税赋的优惠。2006长远能源规划政策：涉及所有能源領域,政府规划5年内投资2090亿日元用于开发车用电池、氢燃料电池技术。欧盟2014英国“超低排放城市”计划：计划投入5亿英镑推动超低排放汽车行业的发展；德国通过法律保护电动汽车驾驶者拥更多权利；2011欧盟电动电动城市运输系统：鼓励新能源汽车的发展，通步淘汰汽油或柴油的传统汽车,德国“电动汽车政府方案”：政府通过制定多种政策措施,保障新能通汽车的发展；2010欧盟出台«清洁能源和节能汽车欧洲战略»政策法律框架，促選电动车的开发研究：“法国发展电动汽车全国计划”投入15亿欧元以上发展新能源汽车；德国通过500亿经济刺激计划，主要用子新能源汽车技术研发和相关基础建设上；2009德国“国家电动汽车发展计划”：投资5亿欧元进行新能源汽车研究、对充电基础建设和新能源进行开发；2008欧盟2020年氢能与燃料电池发展计划：欧盟拟斥资组建10亿欧元的政府项目，用于燃料电池和氢能源的研究和开发；德国投資1500万欧元用于车载电池等相关技术的研发；中国2014发布“关于免征新能源汽车车辆购置税的公告”，对购置EV、HYBRID、燃料电池汽车(FCEV)免征车辆购置税。2012通过“节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)”，将以纯电动汽车作为汽车发展的主要方向，重点发展EV和HYBRID，推广HEV节能内燃机汽车，加快我国汽车行业的发展水平。2010提高政府对新能源汽车的政策扶持力度，把首批推广的13个城市增至25个城市。2009启动“十城千辆工程”,通过对新能源进行政府政府补贴,促进实现每年发展10个城市,每个城市推出1000辆新能源汽车。200711月1日起实施的(新能源汽车生产准入管理规则）,制定新能源汽车国家标准。复合材料在汽车上的应用历程在塑料及其复合材料在汽车上的应用历程上，中航复合材料有限责任公司李宏远副总经理的“复合材料在汽车领域的应用”报告认为：（1）成熟的第一步：通用改性塑料，比如PP、PVC、ABS及PA等耐热热增强改性，主要应用在汽车内外装饰件上。（2）进行的第二步：长/短玻璃纤维增强复合材料，主要应用于汽车部分结构件和功能件上，是目前广泛应用于汽车上的重要复合材料。纤维热塑性塑料：SMC/BMC;纤维热塑性塑料：GMT、LFT。（3）关键的第三步：汽车用复合材料关键性的第三步，碳纤维增强复合材料（CFRP），主要应用于车身承载结构件。（4）追求的第四步：追求绿色的第四步，天然植物纤维增强复合材料，主要应用于汽车内外装饰件，有机回收，环保。成型技术FWBMCSMCRTMGMTR/S-RIMLFTHLUHLUSMCRTMLFTBMCGMTR/S-RIMFW汽车用复合材料成型工艺玻璃纤维增强型热塑性塑料（GMT）；手糊成型（HLU）；缠绕成型（FW）；块状成型（BMC）；片状成型（SMC）；树脂传递模塑（RTM）复合材料在汽车上的运用趋势55%25%20%33%33%33%2008年450Kg2012年400Kg2016年350Kg2020年290Kg高分子复合材料具有比强度、比模量大,耐疲劳性能好,阻尼减震性好，破损安全性高和耐腐蚀性能优越等特点，因此高分子复合材料的使用能够在使得汽车在节能减重的同时更具安全和舒适性。典型乘用车所用材料基体材料环氧树脂聚氨酯聚丙烯尼龙……纤维碳纤维玻璃纤维天然纤维……高分子复合材料典型乘用车所用材料典型乘用车所用材料材料体系拉伸强度(MPa）拉伸模量（GPa）密度(g/cm3)比强度（g/cm3）比刚度（g/cm3）铝合金420722.815126钢（结构钢）12002067.815326SMC80-25010-161.7-1.9535.3BMC30-6010-121.8-2.1--LFT96-3409-201.414610玻璃纤维/聚酯单向1245482.062324织物5502227511S-玻璃纤维/环氧树脂单向1795562.089828织物8202641013T300碳纤维/环氧树脂单向17601301.6110081结构铺层8106050638T700碳纤维/环氧树脂单向21001301.6131081结构铺层10106063138中国自主品牌碳纤维轻量化技术应用现状及碳纤材料轻量化国内CFRP使用情况«节能与新能源汽车产业发展规划»2015年产销量50万輛油耗当量提升为14.5KM/L2020年产销量超过500万輌油耗当量提升为20KM/L新能源汽车、动力电池及关键零部件技术整体上达到国际先进水平。CFRP在气车工业中,年用量比例还不大,应用较为成熟的技术大部分仅集中在非连续纤维复合材料成型工艺上。在连续纤维快速成型方面,只重点突破了以热塑性复合材料快速热压成型和快速树脂流動成型为代表的低成本复合材料部件制造关键技术。实现了部分连续化自动化生产,及连续破纤维复合材料片材.板材及部分部件的连续自动化制备,初步建立了车用复合材料部件生产示范线。合材料汽车部件的自动化设备。效率达到56件/天。分别采用阴离子聚酰胺6(APA6)及聚环状对苯二甲酸丁二醇酯(PCBT)热塑性单体,经原位聚合成型制备出大尺寸复合材料气车底板。突破了碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型关键技术。在热压成型工艺、液态成型工艺、设计技术、连接技术以及关装备等方面取得重要进展。中科院宁波材料技术与工程研究所、化学研究所等单位联合研制出连续碳纤维复合材料快速热压成型成套装备，及连续碳纤维复■上汽荣威E50三明治结构碳纤维引擎盖8kg降重3kg■奇瑞某新车型碳纤维复合材料前罩■长城、上汽、奇瑞、北汽、东风、比亚迪等汽车主机厂都在开展碳纤维复合材料在汽车上的应用研究，但都基本停滞在外覆盖件样件展示。奇瑞碳纤维“小蚂蚁”概念车亮相2012年北京车展■北汽concept900”轿跑型概念车碳纤维鸥翼式车门2013年上海车展■哈弗H6碳纤维改装车（前罩、前后保险杠）中国自主品牌的碳纤维轻量化技术零部件现状■奇瑞碳纤