摘要：聚合物和材料專家分析了復合材料在當前和未來努力提高電動汽車效率和對消費者更具吸引力方面的作用。

前言

全球為減輕氣候變化的不利影響而制定的一項關鍵氣候行動目標是從汽油動力汽車轉向電動汽車(EV)。由于車輛占全球排放量的近三分之一，該解決方案可能會提供一定程度的緩解。近年來，電動汽車的增長呈上升趨勢，并得到了全球客戶的明確回應。在全球范圍內，一些國家制定了雄心勃勃的目標，在其車隊中增加電動汽車，到2030年，電動汽車將占全球汽車總銷量的32%。

盡管顯示出有潛力的減排優勢，但顯然有幾個挑戰限制了迄今為止消費者對電動汽車的廣泛采用。

第一個也是最普遍的挑戰是范圍限制和客戶對市場上當前電動汽車的車輛價值的擔憂。根據AlixPartners (2019)的一項調查，67%的客戶正在尋找成本與汽油動力汽車相當的電動汽車。

第二個主要挑戰是可用的充電基礎設施有限，因為大多數現有充電站都集中在特定地區。根據Alix的調查，57%的消費者由于無法充電而對電動汽車不感興趣。盡管西方國家一直在積極彌合這一差距，但似乎除中國、日本和韓國外，其他東方國家已遠遠落后。平均而言，每天有超過100輛汽車前往加油站加油，而每天大約有10-20輛汽車前往充電站（GreenCar Reports）。充電速度也是個問題，目前還無法與汽油車的加油速度相提并論。安全問題和牽引電池熱失控的風險也令人擔憂。

克服這些挑戰肯定需要時間。然而，復合材料在多項發展中發揮著重要作用，以通過輕量化確保更高的車輛效率。在這里，我們將更仔細地研究幾個組件的發展：車輛動力傳動系統、電池模塊、電機、逆變器和轉換器。

重量和效率的相互作用

為了提高任何車輛的效率，通?？紤]的首要策略之一是減輕整個車輛系統的重量。汽車輕量化可以追溯到1900年代，當時鋁進入汽車行業并在包括車身在內的大多數車輛部件中取代了鋼材。然而，對于電動汽車，由于安全和技術商業因素（例如大批量生產、降低每個零件的成本和滿足性能標準），我們將看到引擎蓋下(UTH)組件，尤其是多個動力總成組件中通過輕質材料發生許多此類材料替代變化。此外，由鋁業協會(AluminumAssn.，Arlington,Va.)資助的研究表明，使用輕型結構部件(復合材料或鋁)、功率較低價格較低的電池的汽車，其續航里程可以與使用重型不銹鋼部件、功率較高價格較高的電池的汽車相媲美。

電池模塊。最有趣的發展可以在電池模塊或外殼中看到，復合材料在其中變得非常流行。傳統的電動汽車電池重達400多公斤，金屬模塊重達100公斤。一些行業領導者正在使用復合材料來減輕電池模塊的重量，包括寶馬與SGLCarbon合作為其電池模塊供應碳纖維復合材料。TRBLightweight Structures等公司（TRB，Huntingdon，UK）也通過改進輕質解決方案的結構設計。TRB報告了最近的一項研發進展，即模塊重量從80公斤減少到10公斤，同時增加了強度和阻燃性。

盡管鋼鐵和鋁制造商也在推動他們自己的輕量化設計，但復合材料在滿足阻燃要求和降低熱失控風險方面具有主要優勢，并且推動了快速充電。成本一直是復合材料的瓶頸；然而，現在復合材料相關供應商正越來越多地融入汽車供應鏈，從樹脂材料生產到結構件生產，我們開始看到顯著的成本下降。

電機和電氣元件。電機占車輛重量的很大一部分。因此，通過選擇合適的材料、設計和電子元件集成，可以優化重量。目前，Hofer（德國紐廷根）和Hyliion（美國德克薩斯州雪松公園）等公司正專注于電動車橋的設計和開發，該車橋采用電機與轉換器/逆變器相結合，最大限度地減少了高壓電纜的使用.這必定會減少高壓電纜的重量以及逆變器/轉換器的外殼重量，因為它將安裝在電動車軸外殼內。然而，整個價值鏈中缺乏投資和協作等挑戰十分突出，導致電動車橋技術可能無法滿足OEM功率和成本要求。

在未來，我們可以預期會有更多的復合材料組件供應商、合作和復合材料零件的規模經濟。

此外，德國大學弗勞恩霍夫化學技術研究所(ICT,Pfinztal) 和卡爾斯魯厄理工學院(KIT)正在合作開發使用熱固性聚合物的混合金屬基復合材料，以提供更高的熱機械穩定性并滿足電機外殼的剛性要求.然而，更高溫度下的尺寸穩定性和電機冷卻是商業化的主要挑戰。塑料可能無法提供足夠的導熱性和均勻的熱量分布。重新設計冷卻通道可以改善電機的熱管理，但需要大約五到八年的時間來開發、測試和商業化。與此同時，特斯拉和其他公司正在開發復合材料，用于電動機的轉子外殼、定子和其他部件，如前所述，關于快速充電的最大擔憂之一是熱失控的風險。作為回應，幾家汽車制造商正在努力設計他們的電池組，其中包含旨在處理熱失控事件的系統。工程師同時致力于三個級別的保護：電池到電池、模塊到模塊和電池組級別的保護。添加任何這些保護措施都可能會增加重量、減少車輛行駛里程并需要已經有限的空間。然而，涂料供應商的顯著發展可能會提供一種創新的解決方案。他們開發了電池/模塊級別的技術，以在發生熱事件時阻止/延遲火勢蔓延。復合材料上的這些膨脹型涂層肯定有助于改善防火、減輕重量和節省空間。

內部和外部結構部件。為了減輕重量，內部和外部結構組件的集成（減少組件數量和改變設計）可能至關重要。復合材料將發揮關鍵作用，但由于材料成本較高和零件制造復雜性等挑戰，大規模采用可能會受到限制或延遲。此外，原始設備制造商設定的目標成本、組件尺寸/方向、可擴展性和制造流程之間存在不匹配；因此，目前，復合材料正在努力滿足許多組件所需的成本和性能基準。復合材料部件的一些新興機會包括A、B和C柱、車頂和底板以及門框和側框等。

展望

從消費者的角度來看，目前對電動汽車的需求不太可能超過傳統的汽油動力汽車。事實上，電動汽車的采用率取決于政府的激勵措施、舉措和投資。此外，由于單位成本高和規模經濟問題，我們預測復合材料的采用將主要用于結構部件中的高端汽車；然而，復合材料有機會用于主要部件，如電池外殼和一些電機子部件等（在所有汽車領域），我們可以預期在未來三到五年內會有更多的滲透。對于較大的結構部件，復合材料可能需要等待10年或更長時間，行業才會開始關注高強度鋼和鋁的替代品。