針對純電動(dòng)汽車續(xù)駛里程短的問題，通過分析碳纖維復(fù)合材料的性能特點(diǎn)，提出了在純電動(dòng)汽車上采用碳纖維復(fù)合材料車身來實(shí)現(xiàn)汽車輕量化以提高其續(xù)駛里程的觀點(diǎn)。計(jì)算分析了應(yīng)用碳纖維材料替代傳統(tǒng)材料的實(shí)際效果，探討了未來碳纖維材料應(yīng)用中可能遇到的問題和解決的辦法。

引言

在純電動(dòng)汽車方面，目前制約其發(fā)展的瓶頸仍然是動(dòng)力電池技術(shù)，增程式電動(dòng)汽車只是解決這一問題的一種應(yīng)急辦法。在動(dòng)力電池技術(shù)沒有重大突破之前，需要探索更多的解決辦法。本文將探討使電動(dòng)汽車車身輕量化，將減少的重量用于增加蓄電池?cái)?shù)量來增加續(xù)駛里程的可行性。

1、碳纖維復(fù)合材料特性

汽車車身的輕量化主要從車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇與替代兩個(gè)方面著手。目前車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，對增加純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程而言，車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間很小。在材料輕量化方面，目前仍以高強(qiáng)度鋼、鎂、鋁和塑料作為主要汽車材料組合，其中尤其以碳纖維最為出色，其優(yōu)越性幾乎可以完全替代鋼材料。碳纖維復(fù)合材料是以各種樹脂、碳、金屬、陶瓷為基體材料的塑料，其根據(jù)基體材料可分為樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料(CMC)和金屬基復(fù)合材料(MMC)。其中以樹脂和金屬為基體的復(fù)合材料在車身上的應(yīng)用較為成熟，具有應(yīng)用于車身制造的諸多優(yōu)勢。

(1) 具有較高的強(qiáng)度。碳纖維復(fù)合材料具有目前常用材料中最高的比模量和比強(qiáng)度，見表1。用其制成與高強(qiáng)度鋼具有同等強(qiáng)度和剛度的構(gòu)件時(shí)，重量可減輕70%左右。

(2) 具有良好的抗疲勞性。碳纖維復(fù)合材料的抗疲勞性能極佳。由于在疲勞載荷作用下的斷裂是材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，碳纖維復(fù)合材料中碳纖維與基體間的界面能有效阻止疲勞裂紋擴(kuò)展，而外加載荷由增強(qiáng)纖維承擔(dān)，因而疲勞強(qiáng)度極限比金屬材料和其他非金屬材料高很多。圖1是3種材料疲勞強(qiáng)度的比較。

(3) 碰撞吸能性好。碳纖維復(fù)合材料是汽車金屬材料最理想的替代材料，在碰撞中對能量的吸收率是鋁和鋼的4～5倍，減輕車身質(zhì)量的同時(shí)還能保證不損失強(qiáng)度或剛度，保持防撞性能，極大地降低了輕量化帶來的汽車安全系數(shù)降低的風(fēng)險(xiǎn)。圖2是碳纖維復(fù)合材料和其他材料碰撞中對能量吸收率的對比。

(4) 制造工藝性好。碳纖維復(fù)合材料的工藝性和可設(shè)計(jì)性好，通過調(diào)整CFRP材料的形狀、排布、含量，可滿足構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度等性能要求，能用模具制造的構(gòu)件可一次成型，減少緊固件和接頭數(shù)目，可以大大提高材料利用率。

2、車身輕量化對續(xù)駛里程的影響

目前汽車車身重量的3/4是鋼材，輕量化空間很大。英國材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(MSL)曾就各種材料對車身輕量化效果及其生產(chǎn)成本進(jìn)行過研究，結(jié)果表明，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車身質(zhì)量僅172kg，而鋼制車身為367.9kg，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕量化效果達(dá)53%以上。碳纖維復(fù)合材料和其他材料車身質(zhì)量對比

由于純電動(dòng)汽車受安裝的動(dòng)力電池的容量限制，其一次充電后的續(xù)駛里程過短，成為影響純電動(dòng)汽車推廣使用的一個(gè)重要因素。如果用碳纖維復(fù)合材料來制造車身，將車身減輕的質(zhì)量用于增加電池?cái)?shù)量，在保持整車質(zhì)量不變的情況下，可以大大提高續(xù)駛里程。當(dāng)蓄電池組總能量為EB時(shí)，純電動(dòng)汽車在勻速行駛時(shí)的續(xù)駛里程S為

式中，ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率；ηmc為電機(jī)及控制器效率；ηDOD為蓄電池的放電深度(實(shí)際使用中，為了保護(hù)電池防止其完全放電受損，保證電池的壽命，一般要求ηDOD≤75%)；ηq為蓄電池的平均放電效率；F為勻速行駛的行駛阻力。由式(1)可以看出，在保證整車質(zhì)量不變的情況下，汽車勻速行駛的行駛阻力也不變，續(xù)駛里程與車載電池能量成正比。下面以長安奔奔Love純電動(dòng)汽車為例予以說明。該車整備質(zhì)量1310kg，額定容量60Ah，工作電壓320V，續(xù)駛里程(勻速30km/h)105km。車身質(zhì)量按30%計(jì)算，約450kg，以增加的電池質(zhì)量來替代碳纖維復(fù)合材料減輕的車身質(zhì)量，可以計(jì)算出用CFRP輕量化后電動(dòng)汽車增加的續(xù)駛里程以及最終的續(xù)駛里程，如圖4所示。

由此可見，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可以極大地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車輕量化來平衡電池組的重量，增加純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。當(dāng)然，蓄電池組的安裝需要合適的空間，在不減小乘用空間的基礎(chǔ)上，合理控制碳纖維復(fù)合材料輕量化程度，可增加蓄電池組容量，既保證一定的續(xù)駛里程，同時(shí)也避免過分CFRP化帶來的的高成本問題。

3、碳纖維復(fù)合材料車身大規(guī)模應(yīng)用的前景

制約碳纖維復(fù)合材料大范圍應(yīng)用的主要因素在于它的生產(chǎn)和加工技術(shù)還不夠成熟，應(yīng)用和研發(fā)成本較高，相關(guān)部門缺乏一定的長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃。以上世紀(jì)90年代的鎂合金為例，由于其價(jià)格和技術(shù)瓶頸因素在當(dāng)時(shí)僅作為一種潛在的汽車用材料，而如今大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用使得鎂合金供大于求的情況出現(xiàn)之時(shí)，我國汽車行業(yè)卻沒有前瞻性地進(jìn)行研發(fā)和應(yīng)用，導(dǎo)致遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外汽車用料水平，生產(chǎn)和應(yīng)用的不對稱同時(shí)制約著兩個(gè)行業(yè)的發(fā)展。如今碳纖維復(fù)合材料也面臨同樣的處境。對此，要了解這樣一個(gè)事實(shí)：碳纖維復(fù)合材料如今已呈現(xiàn)供不應(yīng)求之勢，其絕對優(yōu)越性迫使生產(chǎn)廠家不得不從長遠(yuǎn)角度加以考慮。為此，必須加快進(jìn)軍這一領(lǐng)域，制定相應(yīng)的材料研發(fā)規(guī)劃，著手碳纖維材料在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用開發(fā)，以推動(dòng)純電動(dòng)汽車的市場化。

電動(dòng)汽車，尤其是純電動(dòng)汽車，對整車輕量化的迫切性比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車更強(qiáng)烈。整車輕量化可以車身輕量化為突破口。迄今為止的研究表明，碳纖維復(fù)合材料是最理想的車身輕量化材料。將碳纖維車身用在純電動(dòng)汽車上，可以在一定程度上抵消目前動(dòng)力蓄電池比能量不夠的問題?，F(xiàn)在的問題是如何來實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)方案。我們認(rèn)為，電動(dòng)汽車制造企業(yè)應(yīng)與碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)企業(yè)組成統(tǒng)一的產(chǎn)品創(chuàng)新聯(lián)盟，共同承擔(dān)技術(shù)研發(fā)成本與市場風(fēng)險(xiǎn)，形成利益共同體。我們有充分的理由相信，隨著碳纖維復(fù)合材料工藝及應(yīng)用的日趨成熟，生產(chǎn)成本會(huì)隨之降低。屆時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的攤牌效應(yīng)便會(huì)顯而易見，電動(dòng)汽車的輕量化時(shí)代便不再遙遠(yuǎn)。

4、結(jié)語

21世紀(jì)以來，汽車用材料不斷向輕量化、復(fù)合材料化發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料不僅可以實(shí)現(xiàn)車身的輕量化，提高資源利用率，而且可以極大地改善純電動(dòng)汽車由于電池瓶頸造成的在實(shí)用化道路上步履維艱的現(xiàn)狀，加快純電動(dòng)汽車走向?qū)嵱没牟椒?。碳纖維車身在純電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，也將有力地促進(jìn)碳纖維復(fù)合材料制造和應(yīng)用技術(shù)的不斷完善，為電動(dòng)汽車的發(fā)展鋪就更廣闊的道路。