汽車輕量化漸成趨勢(shì) 碳纖維是佳選擇？
日期：2015-07-25
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油耗、排放和電動(dòng)車?yán)m(xù)航推動(dòng)汽車輕量化高速發(fā)展
乘用車油耗限值。燃油經(jīng)濟(jì)性一直是消費(fèi)者購(gòu)車時(shí)關(guān)注的焦點(diǎn)，油耗問題也長(zhǎng)期位居J.D.Power客戶關(guān)注度前列。為了可持續(xù)發(fā)展，各國(guó)都制定了汽車燃油消耗標(biāo)準(zhǔn)，也同樣發(fā)布了乘用車燃料消耗量的限制政策，目標(biāo)是2015年和2020年乘用車平均燃料消耗量分別降至6.9升/百公里和5.0升/百公里。
理想是豐滿的，現(xiàn)實(shí)是骨感的。工信部日前公布的《公示2014年度乘用車企業(yè)平均燃料消耗量情況》數(shù)據(jù)顯示，91家車企中有26家沒有達(dá)到2014年油耗目標(biāo)值，且企業(yè)平均油耗高達(dá)7.22升/百公里，和2020年目標(biāo)值5升/百公里相距甚遠(yuǎn)。但是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗改進(jìn)措施較為有限，而且多種措施疊加的節(jié)油邊際收益會(huì)越來越小，增加的零件成本也會(huì)越來越高。因此傳統(tǒng)的措施很難滿足平均油耗從7.22升/百公里降到5升/百公里的要求，必須尋求其它措施。根據(jù)測(cè)算，一般車重每減少10%，油耗可以降低約6%-8%。從技術(shù)可行性上看，輕量化是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車降低油耗并滿足第四階段油耗限值的必然選擇。
排放限制。近年來，隨著霧霾天的日益頻發(fā)，公眾對(duì)于空氣質(zhì)量日益關(guān)注，也制定了更加嚴(yán)厲的汽車排放法規(guī)。目前，國(guó)內(nèi)已有北京、上海、珠三角等地實(shí)施輕型汽油車國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)，范圍內(nèi)也將于2018年起全面實(shí)施。
除了尾氣排放，溫室效應(yīng)也促使更多人關(guān)注碳排放。歐盟已推出環(huán)保法規(guī)，要求2015年后生產(chǎn)的新車平均碳排放量不高于130克/千米，未達(dá)標(biāo)的每輛車罰款95歐元，2020年要求更降低至95克/千米。而歐洲環(huán)境署的新數(shù)據(jù)顯示，2014年新車CO2平均排放量為123.4克/千米，與2020年目標(biāo)值差距較大。常規(guī)手段較難滿足2020年碳排放目標(biāo)，因此必須尋求多種技術(shù)措施。
根據(jù)日前電動(dòng)車網(wǎng)從合肥新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策實(shí)施促進(jìn)沙龍上獲得的消息，國(guó)內(nèi)將來可能引入碳排放交易制度，目前準(zhǔn)備先在合肥和北京進(jìn)行試點(diǎn)。如果新車碳排放超標(biāo)，無論是罰款還是交易以取得碳排放權(quán)，對(duì)于車企來說都將是直接的經(jīng)濟(jì)損失。因此國(guó)內(nèi)車企必須未雨綢繆，積極降低碳排放。根據(jù)測(cè)算，車重降低10%，廢氣排放可以降低5-6%，碳排放可以降低7-8%。因此，輕量化也是降低廢氣排放和碳排放的有效手段。
電動(dòng)車?yán)m(xù)航。近年來國(guó)內(nèi)新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，電動(dòng)車銷量節(jié)節(jié)攀升。但電動(dòng)車車主大都有里程焦慮癥，而更多的消費(fèi)者還在觀望是否選擇電動(dòng)車，這些都是因?yàn)殡妱?dòng)車的續(xù)航里程問題。目前一般內(nèi)燃機(jī)車加滿油的續(xù)航里程都在500公里以上，而主流電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程只有100-200公里左右，和內(nèi)燃機(jī)汽車差距巨大，而且還會(huì)隨著時(shí)間推移和電池老化而慢慢減少。
為了增加續(xù)航里程，汽車廠商紛紛增加電池容量。但增加電池的同時(shí)也增加了整車質(zhì)量，使得續(xù)航里程的改善達(dá)不到預(yù)期效果。因此光增加電池很難解決續(xù)航里程問題，必須同時(shí)降低整車質(zhì)量。除了高速工況下空氣阻力占比較大外，一般行駛工況下電動(dòng)車耗費(fèi)的能量都和整車質(zhì)量正相關(guān)。寶馬i3采用了碳纖維復(fù)合材料制造車身，整體減重約250-350千克，以較小的22千瓦時(shí)電池容量，實(shí)現(xiàn)了160-180公里的續(xù)航里程。
純電動(dòng)車的整車成本結(jié)構(gòu)中，電池約占30%~50%。在相同的續(xù)航里程下，采用輕量化技術(shù)的電動(dòng)車可以減少電池?cái)?shù)量，從而大幅度降低電池成本和整車成本。
內(nèi)燃機(jī)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放控制、電動(dòng)車的續(xù)航里程是當(dāng)今汽車工業(yè)面臨的三大主要問題，而輕量化對(duì)這三大問題都有非常好的改善作用，也是為數(shù)不多的解決辦法。由此看來，輕量化是未來汽車技術(shù)發(fā)展的必然方向。
碳纖維是汽車輕量化佳選擇
汽車行業(yè)很早就開始探索輕量化技術(shù)，主要手段包括選用輕質(zhì)材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇先進(jìn)制造工藝等。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造工藝帶來的減重效果相對(duì)較小，因此目前輕量化研究的主要方向是輕質(zhì)材料，包括高強(qiáng)度鋼、鋁合金和碳纖維復(fù)合材料等。
整車零部件中重量大的是車身和底盤，約占總重的60%，輕量化潛力大。而對(duì)于車身底盤材料的選擇，重要的性能指標(biāo)是強(qiáng)度和模量。對(duì)比各種材料的比模量和比強(qiáng)度，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)碳纖維性能優(yōu)勢(shì)明顯，遠(yuǎn)優(yōu)于其它材料。
除了力學(xué)性能，我們還必須從成本、工藝等多種角度來選擇材料，對(duì)比如下。
綜合各種材料的優(yōu)劣來看，碳纖維的輕量化潛力大，應(yīng)用前景廣。隨著寶馬i3等車型的大批量生產(chǎn)，碳纖維的成本和工藝已不再是不可逾越的障礙。我們有理由相信，碳纖維是汽車輕量化的未來。
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