德国开发具有天然纤维复合材料覆盖件的电动汽车

位于德国的特里尔应用科技大学的研发团队根据当地的交通状况（theproTRon Evolution）开发了一款节能电动汽车。汽车的结构部件和外壳由天然纤维增强复合材料（NFRP，NaturalFiber ReinforcedPlastic）制成。尽管亚麻纤维增强复合材料的强度受到限制，并且通常用于低负载组件，但通过优化的结构设计，该车辆仍符合欧洲M1道路的碰撞安全要求。 01.动力规划目前，仅靠运输业就无法通过依靠车辆驱动系统的电气化来满足环境保护的需要。与内燃机汽车相比，电动汽车可以减少约20％的二氧化碳排放量（假设其使用寿命为150,000公里）。从德国目前的市场状况来看，常规重量为1500-2500kg的电动汽车比小型燃料汽车具有更大的CO2排放量。目前，乘用车的驱动能量中只有2％-14％用于运输乘员，其余部分用于自驾车。

因此，更加灵活，高效，轻便的汽车设计已成为新的需求。相关数据显示，每天有90％的车辆行驶里程在100公里以下，而有80％的车辆在20公里以下。因此，适当减小车辆模型和相关的车载设备的尺寸将为减轻重量带来更大的潜力。通过减少生产过程中的能量输入，减轻重量，减小驱动阻力等，可以减小电池的尺寸，从而进一步减少二氧化碳。例如：在150,000km的行驶范围内，将电池减少25kWh该能力将节省约25g / km的二氧化碳。基于此，proTRonEvolution获得了以下关键数据：设计车辆将被放置在一辆小型汽车中，该汽车可搭载四个通勤者，靠近城市，空载重量为550kg（包括驱动电池），并符合欧洲经济委员会（ECE）的M1类车辆的碰撞要求将年行驶里程限制为100公里。 02.结构设计就结构而言，碰撞能量吸收元件和安全单元被保留以形成乘客车厢空间。电池设计为单壳结构，具有超高的刚度，强度和非常轻的重量。如图1所示，汽车的内部包括后排座椅，中间通道，座椅和车顶结构为辅。所选材料为亚麻纤维增强复合材料的三明治结构。外壳设计为非常轻巧的NFRP结构，由Bcomp的powerRibs技术增强的亚麻纤维复合材料制成。该玻璃采用Carlex开发的汽车轻质夹层玻璃，比传统的挡风玻璃薄约50％。 

03.材料性能亚麻纤维的比重低于碳纤维，其强度和弹性模量与玻璃纤维相似。由于它们仅需要约1-5％的能量输入，因此它们将在生产过程中大大减少CO2排放，因此车辆的整体能量平衡具有优势。亚麻纤维增强部件在减少振动和碰撞时的破碎行为方面具有显着优势，并且没有有害的纤维粉尘，便于处理或回收。目前，用于高应力组件的NFRP材料的可靠材料数据和经验相对较少。因此，该项目的主要重点是确定材料性能并进一步开发尺寸标注方法。通过使用有限元方法（FEM）进行计算，可以优化结构，以及纤维层数和铺设方向并通过静态和动态负载测试对序列进行仿真和验证（有关详细信息，请参见图2）。考虑到前，后和侧面碰撞的安全性，由NFRP制成的零件通过压碎管状或波浪形结构可实现约30kJ / kg的比能量吸收，是传统钢的比能量吸收的两倍。碰撞盒关于，具体的测试结果如图3所示。04.安全车身结构的开发SafetyCell安全车身结构的原型如图4（a）所示。它是根据对不同身高乘客的人体工程学研究而开发的，并考虑了驱动器和底盘结构的优化。接下来，基于可能由前，后和侧面碰撞引起的碰撞载荷的路径，执行拓扑优化，如图4（b）所示。最后，考虑亚麻纤维增强复合材料的结构（例如纤维角，帘布层等），将其进一步转换为图4（c）。 05.驱动系统设计。该车采用后轮驱动。它的优点主要包括：可以在驾驶和车辆起步过程中执行扭矩矢量控制，以确保即使在后桥分别被电制动时，车辆也可以处于中等横向加速度下，从而保持车辆稳定。这意味着可以完全消除后轮上的机械制动，从而进一步降低了能源需求。该驱动系统由驱动装置的摆臂实现。摆臂是一种引导装置，它与带有悬架支柱的纵臂同时接管车轮。如图5所示，这是乘用车的一种新颖设计。紧凑型水冷式发动机位于由控制臂驱动的旋转轴附近。

与轮内电动机相比，由于车轮的垂直加速度，这大大减少了未悬挂的质量并降低了机械应力。为了通过三角皮带将扭矩和速度传递到驱动轮，汽车使用了合作伙伴Continental的P0混合动力驱动单元进行了改装。当前用于测试的驱动设备的原型已打开项目团队将更改为由铸铝制成的封闭式控制臂结构。 06.电气/电子体系结构除了使机械驱动阻力和损耗最小化之外，电气驱动组件的效率对于低能耗车辆也非常重要。两台功率密度为3.84kW / kg的轴向磁通电动机可以连续产生56kW的总功率。包括电机控制在内的电力电子设备不仅是电机的高效运行，而且还是功能安全的决定性组成部分。因此，研究人员与德国hofer公司合作，使用了不含钴等对环境有害物质的LiFePO4电池。尽管LiFePO4电池的能量密度低于锂离子电池的能量密度，但它们在安全性，温度和循环稳定性方面具有决定性的优势。最后，车载电池由两个模块组成，每个模块包含38个LiFePO4电池，总容量为10kWh。 07.总结与展望该研究表明，不使用能源密集型材料（例如碳纤维或镁）即可制造轻便高效的车辆，并且可以满足欧洲M1级碰撞要求。如果将能效放在首位并考虑汽车的生产过程，则可以在整个生命周期内实现二氧化碳排放的平衡。通过适当调整生产过程和结构设计，可以获得具有竞争力的制造成本。该项目生产的原型车如图6所示，其量产需要进一步研究。