碳纤维材料在纯电动汽车车身的应用

ｔｏ
ｉｍｐｒｏｖｅ ｉｔｓ ｄｒｉｖｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｉｓ ｐｕｔ
ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ０ｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
研发成本与市场风险，形成利益共同体。我们有
图４
ＣＦＲＰ化程度与续驶里程
充分的理由相信，随着碳纤维复合材料工艺及应 用的１３趋成熟，生产成本会随之降低。届时，碳纤 维复合材料的摊牌效应便会显而易见，电动汽车 的轻量化时代便不再遥远。
４
由此可见，应用碳纤维复合材料可以极大地 实现电动汽车轻量化来平衡电池组的重量，增加 纯电动汽车的续驶里程。当然，蓄电池组的安装 需要合适的空间，在不减小乘用空间的基础上，合 理控制碳纤维复合材料轻量化程度，可增加蓄电 池组容量，既保证一定的续驶里程，同时也避免过 分ＣＦＲＰ化带来的的高成本问题。 ３
结语
２１世纪以来，汽车用材料不断向轻量化、复
合材料化发展。碳纤维复合材料不仅可以实现
碳纤维复合材料车身大规模应用 的前景
制约碳纤维复合材料大范围应用的主要因素
车身的轻量化，提高资源利用率，而且可以极大 地改善纯电动汽车由于电池瓶颈造成的在实用 化道路上步履维艰的现状，加快纯电动汽车走向 实用化的步伐。碳纤维车身在纯电动汽车上的 应用，也将有力地促进碳纤维复合材料制造和应 用技术的不断完善，为电动汽车的发展铺就更广
阔的道路。
在于它的生产和加工技术还不够成熟，应用和研 发成本较高，相关部门缺乏一定的长远发展规划。 以上世纪９０年代的镁合金为例，由于其价格和技 术瓶颈因素在当时仅作为一种潜在的汽车用材 料，而如今大规模开发和应用使得镁合金供大于 求的情况出现之时，我国汽车行业却没有前瞻性
地进行研发和应用，导致远远落后于国外汽车用
参考文献
［１］ 陈维常．车用非金属材料教程［Ｍ］．北京：北京理工大
学出版社，１９９８． ［２］ 王宏雁，陈君毅．汽车车身轻量化结构与轻质材料
料水平，生产和应用的不对称同时制约着两个行 业的发展。如今碳纤维复合材料也面临同样的处 境。对此，要了解这样一个事实：碳纤维复合材料 如今已呈现供不应求之势，其绝对优越性迫使生 产厂家不得不从长远角度加以考虑。为此，必须
ｋｇ，以增加的电池质量来替代碳纤维复合材料 减轻的车身质量，可以计算出用ＣＦＲＰ轻量化后电 动汽车增加的续驶里程以及最终的续驶里程，如
图４所示。
００墨匾脚罐巍酶鼗 ８０—■一ｉ。篱、雾 ５０■■＿。ｊ ０■●一
Ｏ ５０ １００ １５０ ２００
２５０
３００
续驶里程／ｋｉｎ
产企业组成统一的产品创新联盟，共同承担技术
速行驶时的续驶里程ｓ为
钢—一 铬；■●■一
ａ ｏ
玻璃纤维复合材料—■■●●—■—●●—一
０ ２０ ４０ ６０
片状模塑料—■一
２———１－一
３ ６００ＥＢ＇ｒ／Ｔ＇ｒ／ｚ。ｒ／ＤＯＤ７７ｑ
，１、
Ｌ１ Ｊ
式中，叼，为传动系统机械效率；叼。。为电机及控制
１００ １２０
碳纤维复合丰于料—————■■■■■■■■■—————一
３１０ ｋｇ，
性和可设计性好，通过调整ＣＦＲＰ材料的形状、排 布、含量，可满足构件的强度、刚度等性能要求，能 用模具制造的构件可一次成型，减少紧固件和接 头数目，可以大大提高材料利用率。
上海汽车２０１３．１０
额定容量６０ Ａｈ，工作电压３２０ Ｖ，续驶里程（匀速
・６１・
万方数据
３０ ４５０
ｋｍ／ｈ）１０５ ｋｍ。车身质量按３０％计算，约
（１）具有较高的强度。碳纤维复合材料具有 目前常用材料中最高的比模量和比强度，见表１。 用其制成与高强度钢具有同等强度和刚度的构件
时，重量可减轻７０％左右。 （２）具有良好的抗疲劳性。碳纤维复合材料
１
碳纤维复合材料特性
汽车车身的轻量化主要从车身结构设计和材
的抗疲劳性能极佳。由于在疲劳载荷作用下的断 裂是材料内部裂纹扩展的结果，碳纤维复合材料 中碳纤维与基体间的界面能有效阻止疲劳裂纹扩
３种材料疲劳强度的比较。
收稿日期：２０１３一０５—２８
・６０・
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万方数据
表ｌ碳纤维一环氧增强塑料与几种材料特性的比较
纤维含 材料种类 拉伸 密度／ 量体积 强度 （ｇ・ｃｍ－３） 比／％ ／ＭＰａ
７．８ ８．０ ２．６ ２．８ １０００ １２８０ ４００ ４２０ １１００ ｌ ４００ １１００
碳纤维复合材料在纯电动汽车车身中的应用分析
张志阳 邵科源
张振宇
高
越
（武汉科技大学汽车与交通工程学院，上海４３００８１）
【摘要】
针对纯电动汽车续驶里程短的问题，通过分析碳纤维复合材料的性能特点，提出了在纯电动汽
车上采用碳纤维复合材料车身来实现汽车轻量化以提高其续驶里程的观点。计算分析了应用碳纤维材料替代 传统材料的实际效果，探讨了未来碳纤维材料应用中可能遇到的问题和解决的办法。
弹性 模量
／ＭＰａ ２１４ ０００ ２１０ ０００ ７０ ０００ ７１ ０（）０ ４０ ０（）ｏ １３００００ １９００００
比强度
比模 量／ｋｍ
２
车身轻量化对续驶里程的影响
目前汽车车身重量的３／４是钢材，轻量化空
钢 高级合金钢
铝
１．３ １．６ １．５ １．５ ５．５ ９．３ ６．２
来自百度文库
０．２７ ０．２６ ０．２７ Ｏ．２５ ０．２ Ｏ．８７ １．２
ｔｏ
ｒｅｐｌａｃｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ａｒｅ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ
ａｒｅ
ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
料的选择与替代两个方面着手。目前车身结构轻
量化设计技术已经相当成熟，对增加纯电动汽车
续驶里程而言，车身结构优化的空间很小。在材 料轻量化方面，目前仍以高强度钢、镁、铝和塑料 作为主要汽车材料组合，其中尤其以碳纤维最为
展，而外加载荷由增强纤维承担，因而疲劳强度极 限比金属材料和其他非金属材料高很多。图１是
间很大。英国材料系统实验室（ＭＳＬ）曾就各种材 料对车身轻量化效果及其生产成本进行过研究， 结果表明，碳纤维增强复合材料车身质量仅 ｋｇ，而钢制车身为３６７．９ ｋｇ，碳纤维增强复合 材料轻量化效果达５３％以上。碳纤维复合材料和
１７２
２Ａ１２铝合金 玻璃增强塑料 碳纤维环 氧塑料 ６０单向
２．０ １．５ １．６
［Ｍ］．北京：北京大学出版社，２００９． ［３］麻友良，严运兵．电动汽车概论［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，２０１２． ［４］胡兴军．车用碳纤维不再是奢侈的代名词［Ｊ］．北京汽 车，２００４（４）：２０－２３．
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万方数据
８０
器效率；ｒ／ＤＯ。为蓄电池的放电深度（实际使用中， 为了保护电池防止其完全放电受损，保证电池的 寿命，一般要求叼。。。≤７５％）；ｒ／。为蓄电池的平均 放电效率；Ｆ为匀速行驶的行驶阻力。
（４）制造工艺性好。碳纤维复合材料的工艺
由式（１）可以看出，在保证整车质量不变的情 况下，汽车匀速行驶的行驶阻力也不变，续驶里程 与车载电池能量成正比。下面以长安奔奔Ｌｏｖｅ纯 电动汽车为例予以说明。该车整备质量１
（３）碰撞吸能性好。碳纤维复合材料是汽车 金属材料最理想的替代材料，在碰撞中对能量的 吸收率是铝和钢的４～５倍，减轻车身质量的同时 还能保证不损失强度或刚度，保持防撞性能，极大 地降低了轻量化带来的汽车安全系数降低的风 险。图２旧１是碳纤维复合材料和其他材料碰撞中 对能量吸收率的对比。
由于纯电动汽车受安装的动力电池的容量限 制，其一次充电后的续驶里程过短，成为影响纯电 动汽车推广使用的一个重要因素。如果用碳纤维 复合材料来制造车身，将车身减轻的质量用于增 加电池数量，在保持整车质量不变的情况下，可以 大大提高续驶里程。 当蓄电池组总能量为Ｅ。时，纯电动汽车在匀
复合材料（ＭＭＣ）。其中以树脂和金属为基体的复 合材料在车身上的应用较为成熟，具有应用于车 身制造的诸多优势。
仍然是动力电池技术，增程式电动汽车只是解决 这一问题的一种应急办法。在动力电池技术没有
重大突破之前，需要探索更多的解决办法。本文 将探讨使电动汽车车身轻量化，将减少的重量用
于增加蓄电池数量来增加续驶里程的可行性。
【关键词】
碳纤维复合材料
电动汽车
轻量化
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－４５５４．２０１３．１０．１５
出色，其优越性几乎可以完全替代钢材料。 ０
引言
在纯电动汽车方面，目前制约其发展的瓶颈
碳纤维复合材料是以各种树脂、碳、金属、陶 瓷为基体材料的塑料，其根据基体材料可分为树 脂基复合材料、陶瓷基复合材料（ＣＭＣ）和金属基
加快进军这一领域，制定相应的材料研发规划，着 手碳纤维材料在电动汽车上的应用开发，以推动 纯电动汽车的市场化。 电动汽车，尤其是纯电动汽车，对整车轻量化 的迫切性比传统内燃机汽车更强烈。整车轻量化 可以车身轻量化为突破口。迄今为止的研究表 明，碳纤维复合材料是最理想的车身轻量化材料。 将碳纤维车身用在纯电动汽车上，可以在一定程 度上抵消目前动力蓄电池比能量不够的问题。现 在的问题是如何来实现这一技术方案。我们认 为，电动汽车制造企业应与碳纤维复合材料的生
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａｉｍｉｎｇ
ａｔ
ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｓｈｏｒｔａｇｅ，ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ
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ｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ
ｒｅａｌｉｚｅ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｉｎ ｏｒｄｅｒ
高强度型 回单向 高模量型 印单向
其他材料车身质量对比如图３。
钢——■
言
复
宝 Ｒ 倒
片状模塑料一ｊ、ｉ １
玻璃纤维Ｉ、◇慧｛
｜
・车射侧围 底板 一横梁 前端 车顶
２００ ３００ ４００ ５００
喜
玻纤／维纤复合材料Ｉ；｝｜
碳纤维复合材料■ｊ
０
ｌ
质量／ｋｇ
ｌＯＯ
图１
３种材料的疲劳强度
图３各种车身材料质量对比