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盡管顯示出可觀的減排優(yōu)勢(shì)，但顯然存在挑戰(zhàn)限制了消費(fèi)者迄今為止對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的廣泛采用。個(gè)也是普遍的挑戰(zhàn)是，客戶對(duì)目前市場(chǎng)上的電動(dòng)車(chē)的續(xù)航焦慮和對(duì)車(chē)輛保值率的擔(dān)憂。根據(jù)Alix Partners在2019年的調(diào)查顯示，67%的客戶正在尋找與汽油動(dòng)力汽車(chē)成本相當(dāng)?shù)碾妱?dòng)車(chē)。
第二個(gè)主要挑戰(zhàn)是有限的充電基礎(chǔ)設(shè)施，因?yàn)榇蠖鄶?shù)現(xiàn)有的充電站都集中在選定的地區(qū)。根據(jù)調(diào)查，57%的消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)不感興趣，因?yàn)槿狈Τ潆娫O(shè)施。盡管西方一直在積極彌補(bǔ)這一差距，但除了、日本和韓國(guó)之外，東方似乎被遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面。平均而言，每天有100多輛車(chē)到加油站加油，而每天大約有10-20輛車(chē)到充電站補(bǔ)電。充電的速度也是一個(gè)問(wèn)題，速度還不能與燃?xì)鈩?dòng)力汽車(chē)的加氣速度相比。牽引電池的安全問(wèn)題和熱失控的風(fēng)險(xiǎn)也是令人擔(dān)憂的。
克服這些挑戰(zhàn)肯定需要時(shí)間，復(fù)合材料已經(jīng)在一些新的發(fā)展中發(fā)揮作用，確保通過(guò)輕量化提高車(chē)輛效率。以下幾個(gè)部件的發(fā)展值得我們更為密切地關(guān)注：汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)、電池模塊、電機(jī)、逆變器和轉(zhuǎn)換器。
重量和效率的相互作用
為了提高任何車(chē)輛的效率，通?？紤]的要策略之一是減少整個(gè)系統(tǒng)的重量。車(chē)輛輕量化可以追溯到20世紀(jì)，當(dāng)時(shí)鋁在汽車(chē)工業(yè)中取得了進(jìn)展，并在大多數(shù)車(chē)輛部件中（包括車(chē)體）取代了鋼。然而，隨著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，更多的變化發(fā)生在引擎蓋下的部件中，特別是多個(gè)動(dòng)力總成部件，因?yàn)榘踩图夹g(shù)商業(yè)因素，如大批量生產(chǎn)、降低每個(gè)部件的成本和通過(guò)輕質(zhì)材料滿足性能標(biāo)準(zhǔn)。此外，由美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)資助的研究表明，采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件（復(fù)合材料或鋁）和功率較小/昂貴的電池的車(chē)輛，其續(xù)航能力與采用重型電動(dòng)車(chē)不銹鋼部件和功率較大/昂貴的電池的車(chē)輛相似。
電池模塊。有趣的發(fā)展可以在電池模塊或外殼中看到，復(fù)合材料在該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)流行。傳統(tǒng)的電動(dòng)車(chē)電池重達(dá)400多公斤，其中金屬模塊重達(dá)100公斤。一些行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者正在使用復(fù)合材料來(lái)減輕電池模塊的重量。寶馬公司與SGL Carbon公司合作，為其電池模塊提供碳纖維復(fù)合材料。英國(guó)TRB輕質(zhì)結(jié)構(gòu)公司等公司也在這一領(lǐng)域大放異彩，為輕質(zhì)解決方案改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。TRB報(bào)告了近的一項(xiàng)成果——將電池模塊的重量從80公斤減少到10公斤，同時(shí)增加了強(qiáng)度和阻燃性。
雖然鋼和鋁制造商也在推動(dòng)他們自己的輕量化設(shè)計(jì)，但復(fù)合材料在滿足阻燃要求和減少熱失控的風(fēng)險(xiǎn)方面有很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗苿?dòng)了快速充電的發(fā)展。成本一直是復(fù)合材料的一個(gè)瓶頸；然而，現(xiàn)在與復(fù)合材料相關(guān)的供應(yīng)商正越來(lái)越多地融入汽車(chē)供應(yīng)鏈，從樹(shù)脂的生產(chǎn)到結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，開(kāi)始看到顯著的成本節(jié)約。
電機(jī)和電氣元件。電機(jī)占車(chē)輛重量的很大一部分。因此，在選擇得當(dāng)?shù)牟牧?、設(shè)計(jì)和電氣元件集成的幫助下，重量當(dāng)然可以得到優(yōu)化。目前，德國(guó)Hofer和美國(guó)Hyliion等公司正專(zhuān)注于電子軸的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，其特點(diǎn)是電機(jī)與轉(zhuǎn)換器/逆變器相結(jié)合，盡量不使用高壓電纜。因?yàn)楸话惭b在電子軸的外殼內(nèi)，將減少高壓電纜的重量以及變頻器/逆變器的外殼重量。然而，由于缺少投資，以及整個(gè)價(jià)值鏈合作在內(nèi)的挑戰(zhàn)，電子軸技術(shù)可能無(wú)法滿足OEM的功率和成本要求。
此外，位于德國(guó)的大學(xué)弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所和卡爾斯魯厄理工學(xué)院正在合作開(kāi)發(fā)使用熱固性聚合物的混合金屬基復(fù)合材料，它具有更高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，并滿足電機(jī)外殼的剛性要求。不過(guò)，在較高溫度下尺寸的穩(wěn)定性和電機(jī)的冷卻是商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。塑料可能無(wú)法提供足夠的導(dǎo)熱性和均勻的熱分布。重新設(shè)計(jì)冷卻通道肯定能改善電機(jī)的熱管理，但需要大約五到八年的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)、測(cè)試和商業(yè)化。同時(shí)，特斯拉和其他公司正在開(kāi)發(fā)用于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子外殼、定子和其他部件的復(fù)合材料，據(jù)說(shuō)能使性能達(dá)到新的水平。種種此類(lèi)，顯示出復(fù)合材料在這些類(lèi)型的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模的潛力。
如前所述，對(duì)快速充電的大擔(dān)憂之一是熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。作為回應(yīng)，一些汽車(chē)制造商正在努力設(shè)計(jì)他們的電池組，設(shè)計(jì)出處理熱失控事件的系統(tǒng)。工程師們同時(shí)在進(jìn)行三個(gè)層面的保護(hù)：電池與電池、模塊與模塊和電池組層面的保護(hù)。增加這些保護(hù)措施中的任何一項(xiàng)都涉及到重量的增加，降低車(chē)輛的續(xù)航能力，并需要占用更多的空間。然而，涂層供應(yīng)商提供了一個(gè)創(chuàng)新的解決方案。他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了電池間及模塊層面的技術(shù)，在發(fā)生熱事件時(shí)阻止和延緩火災(zāi)蔓延。復(fù)合材料上的這些膨脹涂層肯定會(huì)有助于提高防火性能，減輕重量和節(jié)省空間。然而，該領(lǐng)域法規(guī)尚未出臺(tái)，要由原始設(shè)備制造商和他們的內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)劃來(lái)確定發(fā)生熱失控的可能性有多大。
Interior and exterior structural components. For weight reduction, the integration (reduction in number of components and change in designs) of the interior as well as exterior structural components could be crucial. Composites will play a key role, though adoption at large scale could be limited or delayed due to challenges such as higher material costs and the complexity of parts manufacture. Moreover, there is a mismatch between target costs set by OEMs, component dimensions/orientations, scalability and manufacturing processes; thus, currently, composites are struggling to meet the desired cost and performance benchmark for many components. A few emerging opportunities for composite components include A, B and C pillars, roof and underbody panels, and door and side frames, among others.
內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)部件。為了減輕重量，內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)部件的整合可能是關(guān)鍵，這包含減少部件數(shù)量和改變其設(shè)計(jì)。復(fù)合材料將發(fā)揮關(guān)鍵作用，但由于材料成本較高和零件制造的復(fù)雜性等挑戰(zhàn)，大規(guī)模的采用可能受到限制或推遲。此外，在原始設(shè)備制造商設(shè)定的目標(biāo)成本、部件尺寸及方向、可擴(kuò)展性和制造工藝之間存在不匹配。因此，目前，復(fù)合材料正在努力滿足許多部件的預(yù)期成本和性能基準(zhǔn)。復(fù)合材料部件的一些新興機(jī)會(huì)包括A、B和C柱、車(chē)頂和車(chē)底板、車(chē)門(mén)和側(cè)架等。
不斷發(fā)展向前的行業(yè)
從消費(fèi)者的角度來(lái)看，目前，對(duì)電動(dòng)車(chē)的需求不太可能超過(guò)傳統(tǒng)汽油動(dòng)力車(chē)。事實(shí)上，電動(dòng)汽車(chē)的采用率取決于政府的激勵(lì)措施、倡議和投資。此外，由于單位成本高和規(guī)模經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題，復(fù)合材料的應(yīng)用將主要在高端汽車(chē)的結(jié)構(gòu)部件中。然而，在主要部件中，如電池外殼和一些電機(jī)子部件等，存在著復(fù)合材料使用的機(jī)會(huì)，可以預(yù)期在未來(lái)三到五年內(nèi)會(huì)有更多的滲透。對(duì)于較大的結(jié)構(gòu)部件，復(fù)合材料可能需要等待10年或更長(zhǎng)時(shí)間，行業(yè)才開(kāi)始關(guān)注高強(qiáng)度鋼和鋁的替代。此外，汽車(chē)行業(yè)在未來(lái)會(huì)出現(xiàn)更多的復(fù)合材料部件供應(yīng)商，合作和復(fù)合材料部件的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。