Kompleksowa interpretacja zaawansowanych kompozytów dla pojazdów elektrycznych i przemysłu motoryzacyjnego
Materiały kompozytowe odnoszą się do materiałów składających się z dwóch lub więcej różnych materiałów. Zazwyczaj jako główne materiały osnowy można stosować metale, ceramikę lub materiały polimerowe. W porównaniu z materiałami tradycyjnymi, większość materiałów kompozytowych projektuje się z naciskiem na wysoką wytrzymałość właściwą, mniejszą wagę i stosunkowo wysoką odporność na korozję. Wyższa wytrzymałość, wyższa wytrzymałość zmęczeniowa, lepsze właściwości fizyczne, mniejsza waga i lepsze wykończenie powierzchni to główne zalety materiałów kompozytowych.
W przemyśle motoryzacyjnym materiały kompozytowe są lżejsze od najczęściej stosowanych metali. Kompozyty na bazie włókien węglowych to najskuteczniejsze kompozyty polimerowe stosowane w samochodach, przemyśle lotniczym, obronności wojskowej i sprzęcie sportowym. W tradycyjnych samochodach metal stanowi centralną konstrukcję, natomiast niektóre części wewnętrzne wykonane są z materiałów kompozytowych. W ostatnich latach za najodpowiedniejszy materiał pozwalający na zmniejszenie masy pojazdu uznano kompozyty z włókna węglowego, choć mogą one różnić się od tradycyjnych metali i są drogie.
W porównaniu ze stopami aluminium materiały kompozytowe charakteryzują się większą poprawą właściwości mechanicznych, mikrostruktury i morfologii powierzchni. Generalnie zastosowanie materiałów kompozytowych w przemyśle motoryzacyjnym zalicza się do materiałów specjalnych. W pojazdach elektrycznych stal i żeliwo stanowią około połowy masy materiałów; stopy aluminium stanowią około 9% całości, tworzywa sztuczne 11%, a guma 3%. Obecnie przemysł koncentruje się na wykorzystaniu zasobów odnawialnych i dalszym wykorzystaniu materiałów nadających się do recyklingu, przyjaznych dla środowiska i mniej niebezpiecznych, o globalnym wpływie.
Redukcja emisji i zużycia paliwa to główne wyzwania stojące przed branżą motoryzacyjną. W związku z produkcją energii opartą na paliwach kopalnych zawierających węgiel, do środowiska emitowana jest duża ilość gazów cieplarnianych. Wraz ze stałym wzrostem globalnego zużycia energii elektrycznej, w ciągu ostatnich kilku dekad nastąpił wzrost zapotrzebowania na energię. Wysokie koszty paliwa, a także degradacja środowiska, motywują konsumentów do wyboru pojazdów elektrycznych. W wielu krajach na świecie wzrósł popyt i motywacja do korzystania z pojazdów elektrycznych. Pojazdy elektryczne stanowią alternatywę dla pojazdów z silnikiem Diesla, benzyną i innymi pojazdami napędzanymi paliwami kopalnymi, ponieważ wykorzystują akumulatory litowo-jonowe, które zapewniają wygodę ładowania mieszanego i są lżejsze, ponieważ większość komponentów jest wykonana z materiałów kompozytowych, aby poprawić efektywność paliwową pojazdu. Dodatkowo mogą nie wymagać większości podzespołów potrzebnych w tradycyjnych pojazdach napędzanych paliwami kopalnymi. Niektóre firmy z branży transportu pasażerskiego skupiają się na wymianie floty pojazdów z silnikami spalinowymi na pojazdy elektryczne.
Aby rozwiązać problemy związane z efektywnością energetyczną, badacze sugerują stosowanie lekkich materiałów w celu zastąpienia części samochodowych, co może zmniejszyć masę pojazdu, jednocześnie zwiększając oszczędność paliwa. Każde 10 kilogramów zmniejszenia masy pojazdu powoduje zmniejszenie emisji dwutlenku węgla o 1 gram na kilometr, zmniejszając w ten sposób zużycie paliwa. Lekkie rozwiązanie stopniowo staje się ważną metodą, ponieważ okazało się skuteczne w zmniejszaniu zapotrzebowania na paliwo i emisji.
Odciążanie pojazdów samochodowych koncentruje się na zmniejszaniu masy pojazdu poprzez zastosowanie alternatywnych materiałów i przeprojektowanie komponentów, przy jednoczesnym zachowaniu rozmiarów pojazdu i dalszym zaspokajaniu potrzeb konsumentów. Projektując pojazdy z silnikiem spalinowym, badacze wykorzystali różne technologie, aby zbadać zalety lekkich materiałów w porównaniu z tradycyjnymi. Rezultatem integracji pojazdów elektrycznych i lekkiej konstrukcji jest zmniejszenie wpływu pojazdu na środowisko. Co więcej, można przewidzieć zastosowanie lekkich materiałów w pojazdach elektrycznych, ponieważ może to poprawić osiągi poprzez zmniejszenie masy, np. zasięgu i kontroli rozmiaru akumulatora (jak pokazano na rysunku poniżej).
Skład elementów konstrukcyjnych pojazdu elektrycznego
Materiały kompozytowe są uważane za potencjalne materiały kandydujące do produkcji lekkich komponentów, dlatego podjęto wysiłki, aby zmniejszyć masę pojazdu, jednocześnie opracowując opłacalne metody produkcji lekkich materiałów, takich jak tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym (CFRP). W porównaniu z tradycyjnymi materiałami CFRP charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, niską wagą, dobrą odpornością na wibracje, wysoką sztywnością oraz wyższą odpornością na zmęczenie i korozję.
W ostatnich latach, chociaż technologia motoryzacyjnych materiałów kompozytowych cieszy się dużym zainteresowaniem i badaniami, zatrudnienie w przemyśle motoryzacyjnym nadal pozostaje w tyle za przemysłem lotniczym. Dlatego też, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na pojazdy elektryczne, niezbędny jest dalszy rozwój i postęp. Poniższa tabela przedstawia klasyfikację różnych typów pojazdów. Łącząc aktualne statystyki z branży pojazdów elektrycznych i motoryzacyjnej, szacunkowa wartość międzynarodowego rynku pasażerskich pojazdów elektrycznych w 2020 r. wyniosła około 120,81 miliarda dolarów, przy oczekiwanej złożonej rocznej stopie wzrostu na poziomie około 32,5% w latach 2021–2028.
Różne kategorie pojazdów
W 2020 r. światowa sprzedaż samochodów wyniosła około 3 mln sztuk, co oznacza wzrost o prawie 40% w porównaniu z 2019 r. W tym samym roku pojazdy elektryczne w Chinach stanowiły około 30% światowej sprzedaży. Od 2021 r. Stany Zjednoczone oferują ponad 15 różnych modeli pojazdów akumulatorowo-elektrycznych (BEV). W porównaniu z hybrydowymi pojazdami elektrycznymi typu plug-in (PHEV) oczekuje się, że pojazdy typu BEV odnotują większy wzrost ze względu na problemy z zasięgiem.
W niszy pojazdów akumulatorowo-elektrycznych najpopularniejsza była ulepszona wersja Tesli Model S, której dostawca osiągnął ponad 70% sprzedaży w segmencie pojazdów akumulatorowo-elektrycznych w 2020 r. Najwyższa złożona roczna stopa wzrostu w branży PHEV w okresie objętym prognozą może przekroczyć 32%. Postęp ten można przypisać zaleceniom przedstawionym przez rządy gospodarek uprzemysłowionych i rozwijających się, aby promować korzystanie z pojazdów elektrycznych.