中国汽车用碳纤维轻量化技术产业发展现状及趋势探索.pdf

中国汽车用碳纤维轻量化技术中国汽车用碳纤维轻量化技术 产业发展现状及趋势探索产业发展现状及趋势探索 曹渡 目录目录 1、碳纤维轻量化技术的必要性及应用现状碳纤维轻量化技术的必要性及应用现状 2、BMW I3对标解析及产业链 3、中国自主品牌轻量化技术应用现状及中国自主品牌轻量化技术应用现状及 碳纤材料轻量化开发碳纤材料轻量化开发 4、存在的主要挑战及建议 中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 能源能源 危机危机 环境环境 污染污染 日益增长的汽车总量日益增长的汽车总量 矛盾矛盾 汽汽车车发发展展趋趋势势 未来未来1010年将迎来全球汽车产业转型升级年将迎来全球汽车产业转型升级 节能汽车节能汽车 指以内燃机为主要动力系统，综合工况燃料消耗量提前达到下一阶段目标值标准的汽车。轻量化 新能源汽车新能源汽车 指采用新型动力系统，完全或主要依靠新型能源驱动的汽车。插电式混合动力 纯电动汽车 燃料电池车 轻量化是产业发展的必然趋势轻量化是产业发展的必然趋势 汽车发展的趋势汽车发展的趋势 智能化智能化 节能节能环环保保 作为全球汽车产销第一大国，中国必须作为全球汽车产销第一大国，中国必须把握汽车未来发展的趋势！把握汽车未来发展的趋势！城市化城市化 人口人口 增加增加 成本成本 压力压力 宏观宏观 经济经济 中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 为什么要做轻量化 理由一 国家政策-节能惠民 国家法规-严格油耗 国家战略-节能减排 2015年CO2 排放155g/km，2020年CO2排放 112g/km。2015年节能惠民5.9L/100km，2020年节能惠民4.5L/100km。2015年平均油耗6.9L/100km，2020年平均油耗5.0L/100km 中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 轻量化与油耗、性能的关系轻量化与油耗、性能的关系(逸动实际试验结果逸动实际试验结果)：1.1.实际油耗：实际油耗：整备质量每减重减重100kg100kg，油耗降低约0.4L/100km0.4L/100km；2.2.加速性能：加速性能：整备质量每减重减重100kg100kg，0-100km/h加速性提升提升8 8-10%10%；3.3.制动性能：制动性能：整备质量每减重减重100kg100kg，制动距离缩短缩短2 27m7m。整车轻量化是 实现节能减排 提升产品竞争 力的重要途径 为什么要做轻量化 理由二 中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 随着新能源汽车的发展，新的能源系统带来的车身重量增加，随着新能源汽车的发展，新的能源系统带来的车身重量增加，汽车轻量化发展趋势事在必行！汽车轻量化发展趋势事在必行！以纯电动汽车电池系统的重量为例，普通电池系统以纯电动汽车电池系统的重量为例，普通电池系统净增加净增加整车重量整车重量250250-400kg400kg！为什么要做轻量化 理由三 中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 空气阻力（对油耗贡献约25）与整备质量无关联。而大约油耗的75与整备质量有关(滚动阻力对油耗贡献约35，加速阻力和爬坡阻力对油耗贡献约40)。决定油耗的因素决定油耗的因素 FWi-牵引力 FR-滚动阻力 FL-空气阻力 FSt-爬坡阻力 FB-加速阻力 FWi=FR+FL+FSt+FB 10/15 Mode Fuel Efficiency(km/l)0510152025305001000150020002500Direct Injection GasolineNormal Gasoline35HybridVehicle Weight(kg)CO2:140g/km40减重与油耗的关系减重与油耗的关系 汽车整备质量每减少100Kg，百公里油耗降低0.3-0.6L；车重减小10，可降低68的油耗，降低56%的排放。轻量化是实现汽车节能减排最有效的技术手段之一轻量化是实现汽车节能减排最有效的技术手段之一 中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 轻量化是实现汽车节能减排最有效的技术手段之一轻量化是实现汽车节能减排最有效的技术手段之一 提高性能提高性能10%对整车油耗的影响对整车油耗的影响 发动机效率 10%汽车重量 5%滚动阻力 2-3%动力传动效率 1-2%降低整车油耗的标准途径降低整车油耗的标准途径 1）改善发动机性能，提高燃烧效率(动力更新换代技术难度大、耗资多，对汽车产业链带动不明显)；2）减轻汽车自重，进行汽车的轻量化设计（节能效果排第二位，涉及面广，可减轻汽车自重，进行汽车的轻量化设计（节能效果排第二位，涉及面广，可以带动原材料和零部件等汽车产业的的发展，最容易实现）以带动原材料和零部件等汽车产业的的发展，最容易实现）；3）提升汽车的空气动力学性能，降低滚动阻力；（风阻系数主要由造型决定，不可能所有车都像赛车一样风阻系数降得很低）4）提高动力传动效率，减小功或动力传递损失；（能量传递总是有损失的）中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 纵观汽车重量的变化历史，因对汽车安全性、功能性要求的增加，整车重量逐渐增加。但进入21世纪后，越来越严格的环保和排放法规要求，目前整车重量呈明显现下降的趋势。奥迪A6七代车型重量的变化历程 汽车重量的变化历程 1160Kg 1230Kg 1545Kg 1790Kg 1990Kg 2050Kg 1980Kg 2012 中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 数据显示，中国乘用车重量平均比欧洲汽车数据显示，中国乘用车重量平均比欧洲汽车重重5%10%，商用车的数字则是，商用车的数字则是17%。国内外汽车行业轻量化差距国内外汽车行业轻量化差距 碳纤维复合材料的优势特性 耐冲击性能好，碰撞安全性能高，车身的完整性保持很好！2007年加拿大站库比卡的赛车以超过300km/h的速度撞到防护墙，赛车被弹到空中掉落翻滚在赛道的另一头从，赛车基本粉碎，可是座舱保持完好，车内的库比卡事后检查只是扭伤了脚踝，竟然没耽误下一次的比赛。2.3 BMW i32.3 BMW i3纯电动纯电动、i8 i8混混动跑车动跑车 宝马i3和i8车型利用新材料模块化设计，全碳纤维的座舱（LifeDrive架构）、类似F1赛车。i3i3的车身重量比传统电动车减轻了的车身重量比传统电动车减轻了250250千克以上千克以上，整车重量仅整车重量仅12501250千克千克。碳纤维增强复合材料使车体的强度远大于普通的钢铁车身。宝马宝马i8的整车重量仅的整车重量仅1480千克千克，2014年上市。BMW i3官方基础售价，在德国市场自34,950欧元起，于2013年11月在德国率先上市，中国大陆售价44-52万。订购远超出预定生产能力，目前宝马i3正在迅速过大生产能力。福特打算在2020年之前将碳纤维材料运用到更多的经济型轿车当中，届时他们的整车质量将降低340公斤左右，这无疑对提高燃油经济型有更好的帮助。第七代“雪佛兰克尔维特“雪佛兰克尔维特发动机罩和车顶由碳纤维复合材料制成，车顶可拆卸。下车身板由碳纳米复合材料制成。使得7代比第六代车型减轻了17kg。LFA车身65%采用源于航天项目的CFRP，35%采用铝合金材料。比同样的铝制车身轻100多公斤，而且实现4倍于铝材的高强度；奔驰E级轿跑车Superlight，车身采用超高强度的碳纤维材料制成，整备质量仅有1300千克，相比传统车型轻350千克。大众XL1整车重量为795kg，车身壳体的重量为230kg，其中169kg为碳纤维复合材料。其其它它一流一流车车企企也在紧锣密鼓地开发碳纤材料零部件也在紧锣密鼓地开发碳纤材料零部件 日本经济产业省计划未来5年向此计划投资20亿日元支持原材料企业和 主机厂的合作机会，希望在全球开发环保车辆的趋势中取得领先地位。产业目标是在2015年之前开始实施量产汽车用碳纤维复合材料，达到车 体比使用钢材的时候减重40%，并使二氧化碳排放减少30%。日本日本 政府出台汽车行业发展计划，积极研究低成本、高产量的复合材料。今明两年，美国能源部计划为上述项目提供2175万美元。美国美国 在新一代汽车的发展规划中，已把轻量化作为“重中之重”之一列入“灯塔计划”，上升为德国国家战略，并认为轻量化技术的突破可能使德国在新一代汽车技术 上获得国际领先优势。德国德国 2.4 世界主要国家和地区政府对汽车轻量化的主要应对措施 美国能源部美国能源部(DOE)提出汽车轻质材料计划提出汽车轻质材料计划 强度1.7GPa,模量170GPa,伸长率1%世界碳纤维产业需求 丰田汽车 丰田自动织机 日产汽车 本田汽车 东丽公司、三菱丽阳 宝马 西格里（SGL）戴姆勒 东丽 福特汽车 陶氏化学 通用汽车 帝人 主机厂主机厂 碳纤维企业碳纤维企业 世界一流汽车企业纷纷与原材料供应商合作，组成产业联盟，研究碳纤维低成本化技术，推动碳纤维复合材料的大规模应用 大众汽车 SGL BMW i3&i8碳纤车身及其产业链对标碳纤车身及其产业链对标 宝马宝马i3&i8i3&i8是采用碳纤维复合材料（是采用碳纤维复合材料（CFRPCFRP）应用于汽车）应用于汽车轻量化设计中的典范，并将推广应用到更多的量产车型轻量化设计中的典范，并将推广应用到更多的量产车型 宝马宝马i8采用鸥翼式车门设计采用鸥翼式车门设计 全碳纤车门和车身全碳纤车门和车身 2014年上市年上市 2.1 BMW I3碳纤维黑车身结构解析碳纤维黑车身结构解析 动力方面，宝马i3装配一组22千瓦时的锂离子电池和一台电动机，最大功率170马力，峰值扭矩250牛米，该车0-100公里/小时加速时间为7.2秒，最高车速可达150公里/小时。充电方面，使用家庭220V电源充电，需要8小时充满，而在宝马专用充电装置下充电，只需1个小时，充满电后可行驶130-160公里。宝马还为i3增加一台650cc的双缸汽油发动机（64马力）为锂电池供电，也就是说，i3可变为一辆混合动力车型，车辆的最大续航里可达300公里。宝马的i系列电动车有两个最重要的亮点，其一便是模块化的制造理念LifeDrive结构，乘员舱与底盘部分的拼合，就像拼积木一样简单，这必将为今后车辆的改装、维修、功能扩展等等带来一场革命；第二大亮点便是全碳纤维车身，这标志着碳纤维材料将能够满足批量生产的要求。I3底盘的Drive模块是一个全铝制结构，其中集成了蓄电池、电动动力传动系统、悬架系统以及结构部件和防撞部件。I3采用采用全碳纤维车身，全碳纤维车身，与超跑采用的单体壳结构一致。与超跑采用的单体壳结构一致。车身的零件相比传统钢制车车身的零件相比传统钢制车身，要减少了身，要减少了2/3；比铝合金还要轻比铝合金还要轻30%。I3车身覆盖件为热塑性材料，宝马碳纤车身的材料构成宝马碳纤车身的材料构成（总重量：（总重量：151公斤）公斤）碳纤车身生产流程及产业链说明碳纤车身生产流程及产业链说明 宝马碳纤维车身生产流程及产业链说明宝马碳纤维车身生产流程及产业链说明 三菱 西格里汽车碳纤维公司 瓦科斯多夫工厂 BMW兰茨胡特工厂 BMW莱比锡工厂 用高压注入树脂做成树脂传递模塑(RTM)LIFE模块的乘员舱是市场上首款大批量生产的全碳纤维车身，将原来由上百个模块的乘员舱是市场上首款大批量生产的全碳纤维车身，将原来由上百个零件组成的上车体改由零件组成的上车体改由34个个碳纤维零部件形成，主要通过碳纤维零部件形成，主要通过RTM工艺成形，大量工艺成形，大量采用胶粘技术。由于碳纤维本身的优异性能，大大提高乘员舱的碰撞安全性。采用胶粘技术。由于碳纤维本身的优异性能，大大提高乘员舱的碰撞安全性。同时由于同时由于I3设计的特殊性，与钣金相比，可以降低维修费用和保险费用。设计的特殊性，与钣金相比，可以降低维修费用和保险费用。莱比锡城碳纤维增强复合材料(CFRP)装配车间总览 未来宝马旗下10款新车将采用碳纤维材料 结论：必要性及迫切性结论：必要性及迫切性：跨国公司已形成跨国公司已形成“碳纤维复合材料碳纤维复合材料+零部件供应商零部件供应商+主机厂”的产业化布局主机厂”的产业化布局 汽车白车身的传统四大工艺 冲压冲压 焊接焊接 涂装涂装 总装总装 如果说福特创建流水线生产是汽车行业的第一次革命，那么碳纤维如果说福特创建流水线生产是汽车行业的第一次革命，那么碳纤维+新能源可能新能源可能是第二次汽车革命。是第二次汽车革命。若中国品牌汽车没有提早布局，有可能再次被第二次甩飞。若中国品牌汽车没有提早布局，有可能再次被第二次甩飞。碳纤维汽车黑车身的工艺路线 模压或者注塑模压或者注塑 粘接粘接 总装总装 中国自主品牌碳纤维轻量化技术应用中国自主品牌碳纤维轻量化技术应用 现状及碳纤材料轻量化现状及碳纤材料轻量化 上汽荣威E50三明治结构碳纤维引擎盖8kg降重3kg 奇瑞某新车型碳纤维复合材料前罩 长城、上汽、奇瑞、北汽、东风、比亚迪长城、上汽、奇瑞、北汽、东风、比亚迪等汽车主机厂都在开展碳纤维复合材料在汽等汽车主机厂都在开展碳纤维复合材料在汽车上的应用研究，但都基本停滞在外覆盖件样件展示。车上的应用研究，但都基本停滞在外覆盖件样件展示。奇瑞碳纤维“小蚂蚁”概念车亮相2012年北京车展 北汽concept 900”轿跑型概念车碳纤维鸥翼式车门 2013年上海车展 哈弗H6碳纤维改装车（前罩、前后保险杠）中国自主品牌的碳纤维轻量化技术零部件现状中国自主品牌的碳纤维轻量化技术零部件现状 奇瑞碳纤外覆盖件（含侧围和地板）中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 正在开发的碳纤维零部件：正在开发的碳纤维零部件：S301碳纤维传动轴传动轴,钣金1725kg，其中中间轴管重量4.825，预计可以实现减重2.7kg，目前正在与陕西新思维，哈玻院等进行样件开发工作。碳纤维碳纤维 长安汽车复合材料轻量化技术应用工作及其思路长安汽车复合材料轻量化技术应用工作及其思路 总成替代设计 装配分析 CAE验证 摆臂摆臂材料演变及减重效果示意 目的：技术积累和实验验证目的：技术积累和实验验证 中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 碳纤维地板碳纤维地板&顶盖顶盖开发 与中科院宁波所、湖南大学等单位合作，拟在2017年入门级EV纯电动车上搭 载开发碳纤维地板和顶棚，进行实车实验验证，进行碳纤车身开发技术积累。工作计划工作计划 长安汽车复合材料轻量化技术应用工作及其思路长安汽车复合材料轻量化技术应用工作及其思路 汽车顶盖 中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 BMW I3BMW I3对标与解析对标与解析 长安提前组建了项目团队，制定长安提前组建了项目团队，制定了对标解析工作计划，预计了对标解析工作计划，预计2015年年4月完成各项性能测试，与合作月完成各项性能测试，与合作伙伴一道开始系统性地解析对标。伙伴一道开始系统性地解析对标。长安汽车复合材料轻量化技术应用工作及其思路长安汽车复合材料轻量化技术应用工作及其思路 中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 碳纤维“黑车身”及复合材料汽车开发碳纤维“黑车身”及复合材料汽车开发 对标BMW I3 整车结构布置、性能、电池控制系统，研究材料-成型工艺-连接技术-涂装工艺技术-维护维修-回收再利用技术，开发碳纤维“黑车身”，打造全新材料和结构轻量化汽车。长安汽车复合材料轻量化技术应用工作及其思路长安汽车复合材料轻量化技术应用工作及其思路 中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 目标与挑战：掌握碳纤维复合材料整车仿真技术及应用关键技术，研究材料性能对零件CAE/整车CAE/碰撞/NVH/疲劳耐久和车内空气质量等的影响；突破碳纤维整车结构设计技术、连接装配技术、表面涂装工艺技术和快速成型工艺技术瓶颈；完成碳纤维黑车身（包括覆盖件）结构设计和性能分析，及实验验证。碳纤维黑车身 碳纤维“黑车身”应用研究和开发碳纤维“黑车身”应用研究和开发是自主品牌汽车行业轻量化技术的是自主品牌汽车行业轻量化技术的“中国梦中国梦”中国碳纤维及复合材料产业发展联盟 背门 后侧门 四门两盖 开发思路：单件开发思路：单件系统系统整车，试验通过后层层推进整车，试验通过后层层推进 顶盖 车身覆盖件 侧围 车身框架 前摆臂 扭力梁 底盘结构件 驱动轴 传动轴 底盘轴类杆状件 碳纤维碳纤维黑车身黑车身 复合材料汽车复合材料汽车 存在的主要挑战及应对建议存在的主要挑战及应对建议 挑战挑战 建议建议 复合材料原材料（成本、质量稳定性、特性曲线，规模供货）结构设计（材料、零部件、CAE分析，整车框架一体化设计）制造技术（生产周期长，效率低，不能跟上整车生产节拍）连接装配技术（粘胶质量，评价标准，设备改造和投资）试验检测方法和标准 维护技术（碰撞损坏、修补）回收再利用技术（2015年要求整车可回收利用率95%，再利用率90%以上）成本（材料成本？加工成本？管理成本？）挑战挑战:材料材料设计设计制造制造装配装配验证验证维修维修回收回收 原材料制备原材料制备 满足汽车性能要求的，规模化生产，低成本材料满足汽车性能要求的，规模化生产，低成本材料 结构设计（材料、零部件、整车框架）对于碳纤维复合材料的结构设计，缺少材料实验数据，相关对于碳纤维复合材料的结构设计，缺少材料实验数据，相关CAECAE分析软件，分析软件，产品性能要求，对整车性能的影响，设计经验积累。产品性能要求，对整车性能的影响，设计经验积累。制造技术：尚不具备高效，批量化生产能力尚不具备高效，批量化生产能力 连接装配技术：缺乏高效常温粘接材料，没有足够装配经验缺乏高效常温粘接材料，没有足够装配经验 维护技术：没有足够的方法和经验没有足够的方法和经验 回收利用：正处于研究阶段，没有成熟，低成本技术方案正处于研究阶段，没有成熟，低成本技术方案 成本问题：原材料成本，加工制作成本过高原材料成本，加工制作成本过高 原材料研发（高校、研究院所）材料生产（材料供应商）零部件制造（零部件供应商）整车集成应用（主机厂）材料的回收再利用（回收企业）政府引导、政策支持 建议：建议：在政府的引导下，建立起先进复合材料“材料研发在政府的引导下，建立起先进复合材料“材料研发-原材料生产原材料生产-零部零部件制造件制造-整车集成应用整车集成应用-回收再利用”的全产业链，依托中国碳纤维及复合材料产回收再利用”的全产业链，依托中国碳纤维及复合材料产业发展联盟推进项目立项和产业化工作。业发展联盟推进项目立项和产业化工作。组建联盟、协会统筹