德國開發(fā)天然纖維復(fù)合材料覆蓋件電動車
來源：中國汽車材料網(wǎng)
德國特里爾應(yīng)用科技大學(xué)（TheTrier University of Applied Sciences）的一個研發(fā)團隊針對當?shù)氐慕煌顩r（theproTRon Evolution），開發(fā)了一款高能效電動汽車。該車的結(jié)構(gòu)件和外覆蓋件由天然纖維增強復(fù)合材料（NFRP，NaturalFiber ReinforcedPlastic）制成。雖然亞麻纖維增強復(fù)合材料的強度有限，一般用于低負載部件，但通過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，該車輛仍滿足了歐洲M1道路的碰撞安全要求。
01、動力性規(guī)劃
目前，僅交通運輸業(yè)依靠車輛驅(qū)動系統(tǒng)的電氣化還無法滿足環(huán)境保護的需求。與內(nèi)燃機車輛相比，電動汽車可減少約20%的CO2排放（假設(shè)其使用壽命為150,000km）。以德國目前市場情況來看，常規(guī)重量為1500-2500kg的電動車與小型燃油車相比，其CO2排放量甚至更大。目前，乘用車只有2%-14%的驅(qū)動能量用于運輸乘員，而其余的能量則被用于自身驅(qū)動。因此，更加靈活、高效和輕便的汽車設(shè)計成為新需求。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，有90%車輛的日行駛里程在100公里以下，并且80%的車輛在20公里以下。因此，適當減小車型尺寸和相關(guān)車載設(shè)備將帶來更大的輕量化潛力。通過降低生產(chǎn)過程中的能量輸入，降低重量，減少行駛阻力等，可實現(xiàn)電池尺寸的減小，從而進一步實現(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。基于此，proTRonEvolution得到了以下關(guān)鍵數(shù)據(jù)：設(shè)計車輛將定位于可載運四名通勤人員、靠近城市、空載重量為550kg（包括驅(qū)動器電池）的小型車，同時符合歐洲經(jīng)濟委員會（ECE）的M1類車型的碰撞要求，全年的行駛里程限制為100公里。
02、結(jié)構(gòu)設(shè)計
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)計成具有超高剛度和強度且重量非常輕的單殼結(jié)構(gòu)。車內(nèi)部包括后排座椅，輔以中通道、座椅和車頂結(jié)構(gòu)，具體如圖1所示。所選材料為三明治結(jié)構(gòu)的亞麻纖維增強復(fù)合材料。外覆蓋件被設(shè)計成一種非常輕的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公司開發(fā)的汽車輕質(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)過程中會顯著降低CO2排放，因此車輛的整體能量平衡性具有優(yōu)勢。亞麻纖維增強組件在減振、發(fā)生碰撞時的碎裂行為方面提供了顯著優(yōu)勢，并且沒有有害的纖維粉塵，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)驗相對較少。因此，該項目的主要致力于確定材料特性并進一步開發(fā)尺寸標注方法。通過使用有限元方法（FEM）進行計算，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對其中涉及到的纖維層數(shù)、鋪層方向和順序進行模擬，通過靜態(tài)和動態(tài)載荷測試進行了驗證（具體如圖2）。在考慮前、后和側(cè)面碰撞安全性時，NFRP制成的部件可通過管狀或波浪形結(jié)構(gòu)的壓碎實現(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，具體測試結(jié)果如圖3所示。
04、安全車身結(jié)構(gòu)的開發(fā)
SafetyCell安全車身結(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)研究而開發(fā)的，并考慮了驅(qū)動器和底盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。接下來，基于前、后、側(cè)面碰撞可能帶來的碰撞載荷的路徑，進行拓撲優(yōu)化，如圖4（b）。最后，考慮亞麻纖維增強復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)（如纖維角度、鋪層等），進一步轉(zhuǎn)換為圖4（c）。
05、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計
該車采用了后輪驅(qū)動，其優(yōu)點主要包括：可以在駕駛和車輛啟動時進行扭矩矢量控制，從而確保即使在后軸單獨電動制動時，車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械制動器，進一步減少了能源需求。該驅(qū)動系統(tǒng)是通過驅(qū)動裝置的擺臂實現(xiàn)的，擺臂作為帶有懸架支柱的拖臂同時接管車輪的導(dǎo)向裝置，在乘用車中是一種新穎設(shè)計，具體如圖5。緊湊的水冷式發(fā)動機位于由控制臂驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)軸附近，與輪轂電機相比，這大大減少了非懸掛的質(zhì)量，并且由于車輪的垂直加速度而導(dǎo)致的機械應(yīng)力更低。為了通過V形皮帶將扭矩和速度傳遞至驅(qū)動輪，該車采用了合作伙伴Continental的P0混合動力驅(qū)動裝置進行改裝。目前用于測試的驅(qū)動裝置原型為開放式管狀結(jié)構(gòu)，項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)
除了使機械驅(qū)動阻力和損失最小化之外，電驅(qū)動部件的效率對于低能耗車輛也非常重要。功率密度為3.84kW/kg的兩臺軸向磁通電機可連續(xù)產(chǎn)生的總功率為56kW。包括電機控制在內(nèi)的功率電子設(shè)備不僅是電機的高效運行，而且是功能安全的決定性組件。因此，研究人員與德國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。最終，車載電池由兩個模塊組成，每個模塊有38個LiFePO4電池，總?cè)萘繛?0kWh。
07、總結(jié)與展望
本研究表明，無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輛，并且可以滿足歐洲M1級碰撞要求。如果將能源效率放在首位，并且考慮汽車的生產(chǎn)過程，就可以在整個生命周期內(nèi)實現(xiàn)CO2排放的平衡。通過適當調(diào)整生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計將獲得有競爭力的制造成本。本項目制造的原型車如圖6所示，其批量化生產(chǎn)還需進一步研究。
