摘要：聚合物和材料专家分析了复合材料在当前和未来努力提高电动汽车效率和对消费者更具吸引力方面的作用。

前言

全球为减轻气候变化的不利影响而制定的一项关键气候行动目标是从汽油动力汽车转向电动汽车(EV)。由于车辆占全球排放量的近三分之一，该解决方案可能会提供一定程度的缓解。近年来，电动汽车的增长呈上升趋势，并得到了全球客户的明确回应。在全球范围内，一些国家制定了雄心勃勃的目标，在其车队中增加电动汽车，到2030年，电动汽车将占全球汽车总销量的32%。

尽管显示出有潜力的减排优势，但显然有几个挑战限制了迄今为止消费者对电动汽车的广泛采用。

第一个也是最普遍的挑战是范围限制和客户对市场上当前电动汽车的车辆价值的担忧。根据AlixPartners (2019)的一项调查，67%的客户正在寻找成本与汽油动力汽车相当的电动汽车。

第二个主要挑战是可用的充电基础设施有限，因为大多数现有充电站都集中在特定地区。根据Alix的调查，57%的消费者由于无法充电而对电动汽车不感兴趣。尽管西方国家一直在积极弥合这一差距，但似乎除中国、日本和韩国外，其他东方国家已远远落后。平均而言，每天有超过100辆汽车前往加油站加油，而每天大约有10-20辆汽车前往充电站（GreenCar Reports）。充电速度也是个问题，目前还无法与汽油车的加油速度相提并论。安全问题和牵引电池热失控的风险也令人担忧。

克服这些挑战肯定需要时间。然而，复合材料在多项发展中发挥着重要作用，以通过轻量化确保更高的车辆效率。在这里，我们将更仔细地研究几个组件的发展：车辆动力传动系统、电池模块、电机、逆变器和转换器。

重量和效率的相互作用

为了提高任何车辆的效率，通常考虑的首要策略之一是减轻整个车辆系统的重量。汽车轻量化可以追溯到1900年代，当时铝进入汽车行业并在包括车身在内的大多数车辆部件中取代了钢材。然而，对于电动汽车，由于安全和技术商业因素（例如大批量生产、降低每个零件的成本和满足性能标准），我们将看到引擎盖下(UTH)组件，尤其是多个动力总成组件中通过轻质材料发生许多此类材料替代变化。此外，由铝业协会(AluminumAssn.，Arlington,Va.)资助的研究表明，使用轻型结构部件(复合材料或铝)、功率较低价格较低的电池的汽车，其续航里程可以与使用重型不锈钢部件、功率较高价格较高的电池的汽车相媲美。

电池模块。最有趣的发展可以在电池模块或外壳中看到，复合材料在其中变得非常流行。传统的电动汽车电池重达400多公斤，金属模块重达100公斤。一些行业领导者正在使用复合材料来减轻电池模块的重量，包括宝马与SGLCarbon合作为其电池模块供应碳纤维复合材料。TRBLightweight Structures等公司（TRB，Huntingdon，UK）也通过改进轻质解决方案的结构设计。TRB报告了最近的一项研发进展，即模块重量从80公斤减少到10公斤，同时增加了强度和阻燃性。

尽管钢铁和铝制造商也在推动他们自己的轻量化设计，但复合材料在满足阻燃要求和降低热失控风险方面具有主要优势，并且推动了快速充电。成本一直是复合材料的瓶颈；然而，现在复合材料相关供应商正越来越多地融入汽车供应链，从树脂材料生产到结构件生产，我们开始看到显着的成本下降。

电机和电气元件。电机占车辆重量的很大一部分。因此，通过选择合适的材料、设计和电子元件集成，可以优化重量。目前，Hofer（德国纽廷根）和Hyliion（美国德克萨斯州雪松公园）等公司正专注于电动车桥的设计和开发，该车桥采用电机与转换器/逆变器相结合，最大限度地减少了高压电缆的使用.这必定会减少高压电缆的重量以及逆变器/转换器的外壳重量，因为它将安装在电动车轴外壳内。然而，整个价值链中缺乏投资和协作等挑战十分突出，导致电动车桥技术可能无法满足OEM功率和成本要求。

在未来，我们可以预期会有更多的复合材料组件供应商、合作和复合材料零件的规模经济。

此外，德国大学弗劳恩霍夫化学技术研究所(ICT,Pfinztal) 和卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)正在合作开发使用热固性聚合物的混合金属基复合材料，以提供更高的热机械稳定性并满足电机外壳的刚性要求.然而，更高温度下的尺寸稳定性和电机冷却是商业化的主要挑战。塑料可能无法提供足够的导热性和均匀的热量分布。重新设计冷却通道可以改善电机的热管理，但需要大约五到八年的时间来开发、测试和商业化。与此同时，特斯拉和其他公司正在开发复合材料，用于电动机的转子外壳、定子和其他部件，如前所述，关于快速充电的最大担忧之一是热失控的风险。作为回应，几家汽车制造商正在努力设计他们的电池组，其中包含旨在处理热失控事件的系统。工程师同时致力于三个级别的保护：电池到电池、模块到模块和电池组级别的保护。添加任何这些保护措施都可能会增加重量、减少车辆行驶里程并需要已经有限的空间。然而，涂料供应商的显着发展可能会提供一种创新的解决方案。他们开发了电池/模块级别的技术，以在发生热事件时阻止/延迟火势蔓延。复合材料上的这些膨胀型涂层肯定有助于改善防火、减轻重量和节省空间。

内部和外部结构部件。为了减轻重量，内部和外部结构组件的集成（减少组件数量和改变设计）可能至关重要。复合材料将发挥关键作用，但由于材料成本较高和零件制造复杂性等挑战，大规模采用可能会受到限制或延迟。此外，原始设备制造商设定的目标成本、组件尺寸/方向、可扩展性和制造流程之间存在不匹配；因此，目前，复合材料正在努力满足许多组件所需的成本和性能基准。复合材料部件的一些新兴机会包括A、B和C柱、车顶和底板以及门框和侧框等。

展望

从消费者的角度来看，目前对电动汽车的需求不太可能超过传统的汽油动力汽车。事实上，电动汽车的采用率取决于政府的激励措施、举措和投资。此外，由于单位成本高和规模经济问题，我们预测复合材料的采用将主要用于结构部件中的高端汽车；然而，复合材料有机会用于主要部件，如电池外壳和一些电机子部件等（在所有汽车领域），我们可以预期在未来三到五年内会有更多的渗透。对于较大的结构部件，复合材料可能需要等待10年或更长时间，行业才会开始关注高强度钢和铝的替代品。