盡管顯示出可觀的減排優(yōu)勢，但顯然存在挑戰(zhàn)限制了消費(fèi)者迄今為止對電動(dòng)汽車的廣泛采用。第一個(gè)也是最普遍的挑戰(zhàn)是，客戶對目前市場上的電動(dòng)車的續(xù)航焦慮和對車輛保值率的擔(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)力汽車成本相當(dāng)?shù)碾妱?dòng)車。

 

    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)者對電動(dòng)汽車不感興趣，因?yàn)槿狈Τ潆娫O(shè)施。盡管西方國家一直在積極彌補(bǔ)這一差距，但除了中國、日本和韓國之外，東方國家似乎被遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面。平均而言，每天有100多輛車到加油站加油，而每天大約有10-20輛車到充電站補(bǔ)電。充電的速度也是一個(gè)問題，速度還不能與燃?xì)鈩?dòng)力汽車的加氣速度相比。牽引電池的安全問題和熱失控的風(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，確保通過輕量化提高車輛效率。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

 

    為了提高任何車輛的效率，通常考慮的首要策略之一是減少整個(gè)系統(tǒng)的重量。車輛輕量化可以追溯到20世紀(jì)，當(dāng)時(shí)鋁在汽車工業(yè)中取得了進(jìn)展，并在大多數(shù)車輛部件中（包括車體）取代了鋼。然而，隨著電動(dòng)汽車的發(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)部件的成本和通過輕質(zhì)材料滿足性能標(biāo)準(zhǔn)。此外，由美國鋁業(yè)協(xié)會資助的研究表明，采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件（復(fù)合材料或鋁）和功率較小/昂貴的電池的車輛，其續(xù)航能力與采用重型電動(dòng)車不銹鋼部件和功率較大/昂貴的電池的車輛相似。

    電池模塊。最有趣的發(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)告了最近的一項(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，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)商正越來越多地融入汽車供應(yīng)鏈，從樹脂的生產(chǎn)到結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，開始看到顯著的成本節(jié)約。

    電機(jī)和電氣元件。電機(jī)占車輛重量的很大一部分。因此，在選擇得當(dāng)?shù)牟牧稀⒃O(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Hofer和美國Hyliion等公司正專注于電子軸的設(shè)計(jì)和開發(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)可能無法滿足OEM的功率和成本要求。

    此外，位于德國的大學(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，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)間來開發(fā)、測試和商業(yè)化。同時(shí)，特斯拉和其他公司正在開發(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)說能使性能達(dá)到新的水平。種種此類，顯示出復(fù)合材料在這些類型的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模的潛力。

    如前所述，對快速充電的最大擔(dān)憂之一是熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。作為回應(yīng)，一些汽車制造商正在努力設(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)域全球法規(guī)尚未出臺，要由原始設(shè)備制造商和他們的內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)評估計(jì)劃來確定發(fā)生熱失控的可能性有多大。

 

    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)會包括A、B和C柱、車頂和車底板、車門和側(cè)架等。

 

 

不斷發(fā)展向前的行業(yè)

    從消費(fèi)者的角度來看，目前，對電動(dòng)車的需求不太可能超過傳統(tǒng)汽油動(dòng)力車。事實(shí)上，電動(dòng)汽車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)的問題，復(fù)合材料的應(yīng)用將主要在高端汽車的結(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，可以預(yù)期在未來三到五年內(nèi)會有更多的滲透。對于較大的結(jié)構(gòu)部件，復(fù)合材料可能需要等待10年或更長時(shí)間，行業(yè)才開始關(guān)注高強(qiáng)度鋼和鋁的替代。此外，汽車行業(yè)在未來會出現(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)。