新能源汽車——輕量化尋求突破主戰(zhàn)場(chǎng)

2021-04-15 09:43:01 來(lái)源： CPRJ塑料橡膠閱讀量：17054 評(píng)論

　　【塑料機(jī)械網(wǎng) 市場(chǎng)速覽】在全球疫情大背景下，新能源汽車銷量卻逆勢(shì)增長(zhǎng)，呈現(xiàn)向好趨勢(shì)。

　　新能源汽車的流行及日益嚴(yán)格的汽車油耗法規(guī)，要求材料要輕量化，塑料將迎來(lái)更多應(yīng)用潛力。

　　塑料將在新能源汽車儀表板、座椅、內(nèi)飾件、保險(xiǎn)杠，電池和發(fā)動(dòng)機(jī)及照明等部件上大有作為。

　　In the context of the COVID-19pandemic, sales of new energy vehicles have grown instead, showing a positivetrend.

　　Light weight materials are increasingly required due to the popularity of new energy vehicles and more stringent automotive fuel consumption regulations, plastics will thus has more application potential.

　　Plastics will play an important role in new energy vehicle dashboards, seats, interior parts, bumpers, batteries,engines, and lighting components.

　　在全球汽車業(yè)遭受疫情打擊表現(xiàn)低迷的大環(huán)境下，電動(dòng)汽車銷售出現(xiàn)逆勢(shì)增長(zhǎng)，成為行業(yè)發(fā)展一大亮點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年，作為全球最大電動(dòng)汽車市場(chǎng)的中國(guó)市場(chǎng)銷售了124.6萬(wàn)輛新能源汽車，新能源汽車保有量突破500萬(wàn)輛。歐洲新能源汽車銷售也在不斷上升，2020年共登記銷售了136.7萬(wàn)輛新能源乘用車，同比增長(zhǎng)達(dá)到了142%，銷量甚至超過(guò)了中國(guó)，電動(dòng)汽車的市場(chǎng)占有率從2019年的3%升至10%，另?yè)?jù)普華永道預(yù)計(jì)，2035年電動(dòng)汽車銷量在歐洲汽車市場(chǎng)中的占比預(yù)計(jì)將達(dá)到67.4%。

電動(dòng)汽車風(fēng)靡全球

　　隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，以及日益嚴(yán)格的汽車油耗法規(guī)，汽車輕量化已經(jīng)成為當(dāng)今汽車行業(yè)的重大趨勢(shì)，尤其新能源汽車對(duì)輕量化需求更加迫切。

　　一方面，若汽車整備質(zhì)量減輕10%，油耗減少4%~5%，在鋰動(dòng)力電池能量密度和安全性的矛盾沒(méi)有解決之前，減重是提高續(xù)航里程的有力保證之一；另一方面，越來(lái)越多新能源汽車采用純電平臺(tái)，從零開(kāi)始，創(chuàng)新自由度更大，對(duì)各種輕量化技術(shù)接受程度更高，因此，新能源車型成為輕量化尋求突破的主力。

　　實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料應(yīng)用和采用先進(jìn)制造工藝等，采用輕質(zhì)材料，特別是塑料，已經(jīng)成為一種主流方案。近年來(lái)，塑料及復(fù)合材料憑借其在輕質(zhì)、美觀、防腐、高設(shè)計(jì)自由度等方面的優(yōu)異特性，成為新能源汽車的重要原材料之一。

　　輕量化攻堅(jiān)重點(diǎn)——電池包

　　電池包輕量化是當(dāng)前新能源汽車輕量化的重點(diǎn)攻堅(jiān)方向。新能源汽車電池包重量甚至接近1噸，如第一代Model S的電池包重量就高達(dá)900kg，蔚來(lái)ES8的電池包也達(dá)到了525kg，這還是在電池包箱體采用輕質(zhì)材料——鋁型材制造的基礎(chǔ)上得來(lái)。

里程焦慮——降低電池封裝重量來(lái)治愈

　　電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池封裝外殼(也稱為電池槽、盒或外殼)主要用來(lái)包裝和保護(hù)電池。它們的形狀和大小各不相同，并且正如其他汽車部件一樣，在用材方面可有多種選擇，不同材料間的競(jìng)爭(zhēng)也較為激烈。電動(dòng)汽車能跑多遠(yuǎn)、多久，除與電動(dòng)汽車自重以及承載的重量密切相關(guān)外，另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是核心部件電池組的容量。隨著續(xù)航需求的提升，電池組數(shù)量不斷加大，這使得整個(gè)電池系統(tǒng)的體積變得越來(lái)越大，也越來(lái)越重。能量和重量間不可調(diào)和的矛盾，直接阻礙著續(xù)航瓶頸的突破。電池包及其殼體已成為提升電動(dòng)汽車性能、效率與成本優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

　　鋁和鋼是電池封裝外殼的傳統(tǒng)材料選擇，考慮選擇傳統(tǒng)電池外殼材料之外的材料是減輕車體重量和提高燃油經(jīng)濟(jì)性的重要一步。塑料及復(fù)合材料可以提供更好的替代選擇，將大大提高電動(dòng)汽車的性能。如果電池外殼由100%的復(fù)合材料而不是鋁制成，則車體重最多可減輕40%。由復(fù)合材料制成的電池封裝外殼重量較輕，對(duì)整車設(shè)計(jì)具有積極的連帶效應(yīng)，降低車輛成本和里程焦慮，大力促進(jìn)電動(dòng)汽車的規(guī)?；褂?。

　　贏創(chuàng)(EVONIK)公司攜手四家合作企業(yè)著手研發(fā)模塊化多材料技術(shù)，于近期推出一款品牌兼容性好、成本效益較高的動(dòng)力電池殼體解決方案。相較于其他常用材料組合，該方案能夠?yàn)殡姵貧んw減重約10%，并且機(jī)械性能不會(huì)有損失。這一解決方案適用于三種不同規(guī)格的電池，可適配多種車輛大小等級(jí)。

電池包及其殼體是提升電動(dòng)汽車性能、效率與成本優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵

　　其中，電池殼體由玻璃纖維(GF)-片狀模塑料(SMC)制成，而贏創(chuàng)VESTALITE. S高性能環(huán)氧固化劑被用于該材料的制成中。使用VESTALITE. S體系的SMC電池殼體的性能水平與傳統(tǒng)的金屬基電池殼體相當(dāng)，同時(shí)較現(xiàn)有成本較高的SMC電池殼體，重量大幅減少。

　　玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧SMC的彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等機(jī)械性能極為出眾。以環(huán)氧樹(shù)脂替代傳統(tǒng)聚酯樹(shù)脂，可減少玻璃纖維增強(qiáng)SMC材料在下游加工過(guò)程中出現(xiàn)的其他問(wèn)題。此外，該SMC材料還可滿足所有防火性能標(biāo)準(zhǔn)，易于加工，且適用于復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)。目前，這一全新電池殼體解決方案已通過(guò)批量生產(chǎn)可行性評(píng)估以及極端條件下的安全性檢測(cè)。贏創(chuàng)新型玻璃纖維增強(qiáng)SMC材料能為電動(dòng)汽車提供所需的性能和經(jīng)濟(jì)效益，擺脫“在充電樁方圓百里轉(zhuǎn)圈圈”的尷尬，助推電動(dòng)汽車的發(fā)展。

贏創(chuàng)與合作伙伴開(kāi)發(fā)電動(dòng)車動(dòng)力電池殼體解決方案

　　帝人株式會(huì)社(Teijin)宣布，為提升電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車所需的電池安全性能，已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出多材料復(fù)合型電池箱。此次開(kāi)發(fā)的電池箱充分發(fā)揮了帝人多年來(lái)積累的復(fù)合材料技術(shù)，將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)與金屬材料進(jìn)行了組合設(shè)計(jì)。FRP是通過(guò)增強(qiáng)纖維材料(如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等)與基體材料纏繞，模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料。FRP經(jīng)過(guò)沖壓成型后，可以實(shí)現(xiàn)電池箱托盤和外殼等一系列復(fù)雜形狀的一體成型，既能保證密封性和安全性，還可降低制造成本。

　　這種多材料復(fù)合型電池箱，除了實(shí)現(xiàn)輕量化外，還具備必不可少的優(yōu)異耐火性、尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性，而且FRP制成的電池箱托盤和外殼具有良好的電磁屏蔽功能。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料經(jīng)過(guò)沖壓成型后，可以實(shí)現(xiàn)電池箱托盤和外殼等一系列復(fù)雜形狀的一體成型

　　保護(hù)“心臟”——防碰撞與熱管理

　　想要電池組這顆“心臟”健康正常運(yùn)作，發(fā)揮最大的能量，悉心保護(hù)少不了。中國(guó)出臺(tái)了《電動(dòng)汽車安全要求》(GB 18384-2020)，已于今年1月1日起生效，強(qiáng)調(diào)應(yīng)在電池系統(tǒng)安全方面實(shí)施包括碰撞保護(hù)在內(nèi)的多項(xiàng)改進(jìn)。

　　電池組通常被安裝在電動(dòng)汽車底盤上，雖說(shuō)是完全封裝的結(jié)構(gòu)，但遇到碰撞，對(duì)電池組也會(huì)產(chǎn)生不小的沖擊力，進(jìn)而引發(fā)部件損壞不能工作。常規(guī)的方法是用鋼片、鋁材加固件來(lái)應(yīng)對(duì)，但同樣是面臨增加車輛重量的問(wèn)題。SABIC公司汽車團(tuán)隊(duì)的專家們采用了結(jié)構(gòu)混合替代方案來(lái)解決，選用SABIC聚酯合金材料 - XENOY? HTX 樹(shù)脂，替代單一的金屬材質(zhì)，制造出的防碰撞組件質(zhì)地輕巧，又能有效吸收沖擊力。在發(fā)生碰撞時(shí)可自行承受變形壓力，最大限度減少了對(duì)電池組的損壞。

　　混合動(dòng)力電池總成由一系列電池組成，這些電池位于一個(gè)大型鋁制模制外殼內(nèi)，冷卻液通過(guò)鋁管中的通道循環(huán)以冷卻電池。奧地利注塑部件供貨商維京塑料公司(Viking Plastic)近日公布了為Jeep牧馬人4xe插電混動(dòng)車型設(shè)計(jì)的電池冷卻交叉水管，用于連接電池殼體不同區(qū)域的冷卻液信道，冷卻液信道必須與殼體正確對(duì)齊，以便為冷卻液開(kāi)口周圍的突緣上提供防漏密封。由于這種管道是采用塑料制成，用螺栓固定在鋁外殼上，維京塑料在注塑成型過(guò)程中，將模具插在不銹鋼限壓套上。該公司表示，他們已經(jīng)為每種產(chǎn)品開(kāi)發(fā)了系列模具。將機(jī)器人集成到注塑系統(tǒng)中，并為每種產(chǎn)品定制了機(jī)械手末端加工工具(EOAT)。

用于Jeep牧馬人4xe插電混動(dòng)車型的電池冷卻交叉水管

　　規(guī)模生產(chǎn) 降低成本

　　規(guī)?；a(chǎn)對(duì)于降低總體成本至關(guān)重要。電動(dòng)汽車電池盒組件可以使用連續(xù)制造方法來(lái)生產(chǎn)，例如拉擠成型，這是一種連續(xù)生產(chǎn)復(fù)合材料型材的方法。與其他復(fù)合材料制造方法相比，拉擠成型工藝使復(fù)合材料制造商可以在相同的橫截面中填充更多的纖維，從而可以制造出更堅(jiān)固但更輕的部件。

一個(gè)實(shí)例是，康德復(fù)合材料有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)出的一項(xiàng)專利技術(shù)用于生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的電動(dòng)汽車電池托盤，用以容置電池包，電池托盤包括底板和框架，矩形框架由四個(gè)等截面的梁構(gòu)成，框架與底板的頂部固定連接，從而形成容置空間，電池包固定于容置空間內(nèi)。梁是由碳纖維織物拉擠成型，其重量輕，綜合成本低，且提高了材料利用率和生產(chǎn)效率，有助于碳纖維電池托盤的批量化應(yīng)用。

拉擠成型工藝流程圖

　　車身輕量化

　　除圍繞電池以及相關(guān)組件的輕量化外，車身輕量化也是新能源重點(diǎn)關(guān)注方向。奧迪旗下新上市的首款純電動(dòng)GT轎車e-tron GT，續(xù)航超過(guò)400km，輕量化車身是由多種材料制造而成，其中，車頂部分由碳纖維和鋁型材制作而成，頂棚框架則選擇高強(qiáng)度鋼，車身側(cè)圍的A柱、B柱、車頂梁、地板等位置使用了熱成型鋼材(超高強(qiáng)度鋼)。

　　總的來(lái)說(shuō)，正如國(guó)家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心(NEVC)總經(jīng)理原誠(chéng)寅指出：新能源汽車輕量化技術(shù)正朝著材料高強(qiáng)化、輕質(zhì)化和多樣化；各種先進(jìn)成型/連接工藝應(yīng)用增多以及設(shè)計(jì)模塊化/集成化度越來(lái)越高的趨勢(shì)發(fā)展。

　　車用塑料迎發(fā)展新高潮

　　從目前發(fā)展趨勢(shì)看，2021年全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)仍將呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。普華永道旗下咨詢機(jī)構(gòu)思略特近日發(fā)布的報(bào)告預(yù)計(jì)，到2030年，全球三大汽車市場(chǎng)——歐盟、美國(guó)和中國(guó)新電動(dòng)汽車注冊(cè)數(shù)量將超過(guò)1740萬(wàn)輛，占汽車銷售總量的份額接近27%。一方面，各國(guó)支持電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策環(huán)境越來(lái)越好；另一方面，傳統(tǒng)車企及造車新力量不斷完善產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)鏈布局，消費(fèi)者對(duì)新能源產(chǎn)品的接受度也不斷提升。另外，去年公布的中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)指出，到2025年，新能源汽車新車銷售量達(dá)到汽車新車銷售總量的20%左右；到2035年，純電動(dòng)汽車成為新銷售車輛的主流。

　　各種跡象以及政策表明，新能源汽車，尤其純電動(dòng)汽車將成為未來(lái)汽車新車主流，由此將帶動(dòng)車用塑料新發(fā)展！據(jù)market and market咨詢公司的研究報(bào)告，新能源汽車的車用塑料市場(chǎng)規(guī)模年復(fù)合增長(zhǎng)率有望達(dá)到26.9%，將從2020年的7.97億美元增長(zhǎng)到2025年的26.21億美元，無(wú)論是儀表板、座椅、內(nèi)飾件、保險(xiǎn)杠，還是車身、電池和發(fā)動(dòng)機(jī)、照明等部件，車用塑料(ABS、PU、PA、PC、PVB、PP、PVC、PMMA、HDPE、LDPE、PBT)都將大有作為！

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