德國(guó)開(kāi)發(fā)天然纖維復(fù)合材料覆蓋件電動(dòng)車(chē)
來(lái)源：中國(guó)汽車(chē)材料網(wǎng)
德國(guó)特里爾應(yīng)用科技大學(xué)（TheTrier University of Applied Sciences）的一個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)當(dāng)?shù)氐慕煌顩r（theproTRon Evolution），開(kāi)發(fā)了一款高能效電動(dòng)汽車(chē)。該車(chē)的結(jié)構(gòu)件和外覆蓋件由天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（NFRP，NaturalFiber ReinforcedPlastic）制成。雖然亞麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度有限，一般用于低負(fù)載部件，但通過(guò)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該車(chē)輛仍滿足了歐洲M1道路的碰撞安全要求。
01、動(dòng)力性規(guī)劃
目前，僅交通運(yùn)輸業(yè)依靠車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電氣化還無(wú)法滿足環(huán)境保護(hù)的需求。與內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛相比，電動(dòng)汽車(chē)可減少約20%的CO2排放（假設(shè)其使用壽命為150,000km）。以德國(guó)目前市場(chǎng)情況來(lái)看，常規(guī)重量為1500-2500kg的電動(dòng)車(chē)與小型燃油車(chē)相比，其CO2排放量甚至更大。目前，乘用車(chē)只有2%-14%的驅(qū)動(dòng)能量用于運(yùn)輸乘員，而其余的能量則被用于自身驅(qū)動(dòng)。因此，更加靈活、高效和輕便的汽車(chē)設(shè)計(jì)成為新需求。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，有90%車(chē)輛的日行駛里程在100公里以下，并且80%的車(chē)輛在20公里以下。因此，適當(dāng)減小車(chē)型尺寸和相關(guān)車(chē)載設(shè)備將帶來(lái)更大的輕量化潛力。通過(guò)降低生產(chǎn)過(guò)程中的能量輸入，降低重量，減少行駛阻力等，可實(shí)現(xiàn)電池尺寸的減小，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)二氧化碳的降低。例如：在150,000km的行駛里程下，降低電池25kWh的容量將節(jié)省二氧化碳約25g/km?；诖?，proTRonEvolution得到了以下關(guān)鍵數(shù)據(jù)：設(shè)計(jì)車(chē)輛將定位于可載運(yùn)四名通勤人員、靠近城市、空載重量為550kg（包括驅(qū)動(dòng)器電池）的小型車(chē)，同時(shí)符合歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（ECE）的M1類(lèi)車(chē)型的碰撞要求，全年的行駛里程限制為100公里。
02、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在結(jié)構(gòu)方面，保留了碰撞吸能元件與安全單元，形成乘員艙空間。電池被設(shè)計(jì)成具有超高剛度和強(qiáng)度且重量非常輕的單殼結(jié)構(gòu)。車(chē)內(nèi)部包括后排座椅，輔以中通道、座椅和車(chē)頂結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。所選材料為三明治結(jié)構(gòu)的亞麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。外覆蓋件被設(shè)計(jì)成一種非常輕的NFRP結(jié)構(gòu)，材料為Bcomp公司powerRibs技術(shù)加固的亞麻纖維復(fù)合材料。玻璃采用Carlex公司開(kāi)發(fā)的汽車(chē)輕質(zhì)夾層玻璃，比傳統(tǒng)擋風(fēng)玻璃薄約50%。
03、材料性能
亞麻纖維的比重比碳纖維低，而強(qiáng)度和彈性模量值與玻璃纖維相似。由于它們僅需要大約1-5%的能量輸入，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)顯著降低CO2排放，因此車(chē)輛的整體能量平衡性具有優(yōu)勢(shì)。亞麻纖維增強(qiáng)組件在減振、發(fā)生碰撞時(shí)的碎裂行為方面提供了顯著優(yōu)勢(shì)，并且沒(méi)有有害的纖維粉塵，方便處置或回收利用。目前，NFRP材料用于高應(yīng)力部件的可靠材料數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少。因此，該項(xiàng)目的主要致力于確定材料特性并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)尺寸標(biāo)注方法。通過(guò)使用有限元方法（FEM）進(jìn)行計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)其中涉及到的纖維層數(shù)、鋪層方向和順序進(jìn)行模擬，通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證（具體如圖2）。在考慮前、后和側(cè)面碰撞安全性時(shí)，NFRP制成的部件可通過(guò)管狀或波浪形結(jié)構(gòu)的壓碎實(shí)現(xiàn)約30kJ/kg的比能量吸收，這是傳統(tǒng)鋼制碰撞盒比能量吸收的兩倍左右，具體測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
04、安全車(chē)身結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)
SafetyCell安全車(chē)身結(jié)構(gòu)原型如圖4（a），它是根據(jù)不同身材乘員的人體工程學(xué)研究而開(kāi)發(fā)的，并考慮了驅(qū)動(dòng)器和底盤(pán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。接下來(lái)，基于前、后、側(cè)面碰撞可能帶來(lái)的碰撞載荷的路徑，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，如圖4（b）。最后，考慮亞麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)（如纖維角度、鋪層等），進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為圖4（c）。
05、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該車(chē)采用了后輪驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)主要包括：可以在駕駛和車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行扭矩矢量控制，從而確保即使在后軸單獨(dú)電動(dòng)制動(dòng)時(shí)，車(chē)輛也可以在中等橫向加速度下保持穩(wěn)定。這意味著可以完全省去后輪上的機(jī)械制動(dòng)器，進(jìn)一步減少了能源需求。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置的擺臂實(shí)現(xiàn)的，擺臂作為帶有懸架支柱的拖臂同時(shí)接管車(chē)輪的導(dǎo)向裝置，在乘用車(chē)中是一種新穎設(shè)計(jì)，具體如圖5。緊湊的水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)位于由控制臂驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸附近，與輪轂電機(jī)相比，這大大減少了非懸掛的質(zhì)量，并且由于車(chē)輪的垂直加速度而導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力更低。為了通過(guò)V形皮帶將扭矩和速度傳遞至驅(qū)動(dòng)輪，該車(chē)采用了合作伙伴Continental的P0混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行改裝。目前用于測(cè)試的驅(qū)動(dòng)裝置原型為開(kāi)放式管狀結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目組將更改為由鑄鋁制成的封閉式控制臂結(jié)構(gòu)。
06、電氣/電子架構(gòu)
除了使機(jī)械驅(qū)動(dòng)阻力和損失最小化之外，電驅(qū)動(dòng)部件的效率對(duì)于低能耗車(chē)輛也非常重要。功率密度為3.84kW/kg的兩臺(tái)軸向磁通電機(jī)可連續(xù)產(chǎn)生的總功率為56kW。包括電機(jī)控制在內(nèi)的功率電子設(shè)備不僅是電機(jī)的高效運(yùn)行，而且是功能安全的決定性組件。因此，研究人員與德國(guó)hofer公司合作，采用了不含鈷等環(huán)境有害性材料的LiFePO4電池。雖然LiFePO4電池的能量密度低于鋰離子電池，但其在安全性、溫度、循環(huán)穩(wěn)定性等方面具有決定性的優(yōu)勢(shì)。最終，車(chē)載電池由兩個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊有38個(gè)LiFePO4電池，總?cè)萘繛?0kWh。
07、總結(jié)與展望
本研究表明，無(wú)需使用能源密集型材料（如碳纖維或鎂）即可制造出輕便高效的車(chē)輛，并且可以滿足歐洲M1級(jí)碰撞要求。如果將能源效率放在首位，并且考慮汽車(chē)的生產(chǎn)過(guò)程，就可以在整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)CO2排放的平衡。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將獲得有競(jìng)爭(zhēng)力的制造成本。本項(xiàng)目制造的原型車(chē)如圖6所示，其批量化生產(chǎn)還需進(jìn)一步研究。
