德国开发天然纤维复合材料覆盖件电动车

德国特里尔应用科技大学（TheTrier University of Applied Sciences）的一个研发团队针对当地的交通状况（theproTRon Evolution），开发了一款高能效电动汽车。该车的结构件和外覆盖件由天然纤维增强复合材料（NFRP，NaturalFiber ReinforcedPlastic）制成。虽然亚麻纤维增强复合材料的强度有限，一般用于低负载部件，但通过优化的结构设计，该车辆仍满足了欧洲M1道路的碰撞安全要求。

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动力性规划

目前，仅交通运输业依靠车辆驱动系统的电气化还无法满足环境保护的需求。与内燃机车辆相比，电动汽车可减少约20%的CO2排放（假设其使用寿命为150,000km）。以德国目前市场情况来看，常规重量为1500-2500kg的电动车与小型燃油车相比，其CO2排放量甚至更大。目前，乘用车只有2%-14%的驱动能量用于运输乘员，而其余的能量则被用于自身驱动。因此，更加灵活、高效和轻便的汽车设计成为新需求。相关数据显示，有90%车辆的日行驶里程在100公里以下，并且80%的车辆在20公里以下。因此，适当减小车型尺寸和相关车载设备将带来更大的轻量化潜力。通过降低生产过程中的能量输入，降低重量，减少行驶阻力等，可实现电池尺寸的减小，从而进一步实现二氧化碳的降低。例如：在150,000km的行驶里程下，降低电池25kWh的容量将节省二氧化碳约25g/km。基于此，proTRonEvolution得到了以下关键数据：设计车辆将定位于可载运四名通勤人员、靠近城市、空载重量为550kg（包括驱动器电池）的小型车，同时符合欧洲经济委员会（ECE）的M1类车型的碰撞要求，全年的行驶里程限制为100公里。

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结构设计

在结构方面，保留了碰撞吸能元件与安全单元，形成乘员舱空间。电池被设计成具有超高刚度和强度且重量非常轻的单壳结构。车内部包括后排座椅，辅以中通道、座椅和车顶结构，具体如图1所示。所选材料为三明治结构的亚麻纤维增强复合材料。外覆盖件被设计成一种非常轻的NFRP结构，材料为Bcomp公司powerRibs技术加固的亚麻纤维复合材料。玻璃采用Carlex公司开发的汽车轻质夹层玻璃，比传统挡风玻璃薄约50%。

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材料性能

亚麻纤维的比重比碳纤维低，而强度和弹性模量值与玻璃纤维相似。由于它们仅需要大约1-5%的能量输入，在生产过程中会显着降低CO2排放，因此车辆的整体能量平衡性具有优势。亚麻纤维增强组件在减振、发生碰撞时的碎裂行为方面提供了显着优势，并且没有有害的纤维粉尘，方便处置或回收利用。目前，NFRP材料用于高应力部件的可靠材料数据和经验相对较少。因此，该项目的主要致力于确定材料特性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，可以实现结构优化，对其中涉及到的纤维层数、铺层方向和顺序进行模拟，通过静态和动态载荷测试进行了验证（具体如图2）。在考虑前、后和侧面碰撞安全性时，NFRP制成的部件可通过管状或波浪形结构的压碎实现约30kJ/kg的比能量吸收，这是传统钢制碰撞盒比能量吸收的两倍左右，具体测试结果如图3所示。

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安全车身结构的开发

SafetyCell安全车身结构原型如图4（a），它是根据不同身材乘员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，基于前、后、侧面碰撞可能带来的碰撞载荷的路径，进行拓扑优化，如图4（b）。最后，考虑亚麻纤维增强复合材料的结构（如纤维角度、铺层等），进一步转换为图4（c）。

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驱动系统设计

该车采用了后轮驱动，其优点主要包括：可以在驾驶和车辆启动时进行扭矩矢量控制，从而确保即使在后轴单独电动制动时，车辆也可以在中等横向加速度下保持稳定。这意味着可以完全省去后轮上的机械制动器，进一步减少了能源需求。该驱动系统是通过驱动装置的摆臂实现的，摆臂作为带有悬架支柱的拖臂同时接管车轮的导向装置，在乘用车中是一种新颖设计，具体如图5。紧凑的水冷式发动机位于由控制臂驱动的旋转轴附近，与轮毂电机相比，这大大减少了非悬挂的质量，并且由于车轮的垂直加速度而导致的机械应力更低。为了通过V形皮带将扭矩和速度传递至驱动轮，该车采用了合作伙伴Continental的P0混合动力驱动装置进行改装。目前用于测试的驱动装置原型为开放式管状结构，项目组将更改为由铸铝制成的封闭式控制臂结构。

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电气/电子架构

除了使机械驱动阻力和损失最小化之外，电驱动部件的效率对于低能耗车辆也非常重要。功率密度为3.84kW/kg的两台轴向磁通电机可连续产生的总功率为56kW。包括电机控制在内的功率电子设备不仅是电机的高效运行，而且是功能安全的决定性组件。因此，研究人员与德国hofer公司合作，采用了不含钴等环境有害性材料的LiFePO4电池。虽然LiFePO4电池的能量密度低于锂离子电池，但其在安全性、温度、循环稳定性等方面具有决定性的优势。最终，车载电池由两个模块组成，每个模块有38个LiFePO4电池，总容量为10kWh。

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总结与展望

本研究表明，无需使用能源密集型材料（如碳纤维或镁）即可制造出轻便高效的车辆，并且可以满足欧洲M1级碰撞要求。如果将能源效率放在首位，并且考虑汽车的生产过程，就可以在整个生命周期内实现CO2排放的平衡。通过适当调整生产工艺和结构设计将获得有竞争力的制造成本。本项目制造的原型车如图6所示，其批量化生产还需进一步研究。