Celovita razlaga naprednih kompozitov za električna vozila in avtomobilsko industrijo
Kompozitni materiali se nanašajo na materiale, sestavljene iz dveh ali več različnih materialov. Običajno se lahko kot glavni matrični materiali uporabljajo kovine, keramika ali polimerni materiali. V primerjavi s tradicionalnimi materiali je večina kompozitnih materialov zasnovana s poudarkom na visoki specifični trdnosti, manjši teži in relativno visoki odpornosti proti koroziji. Večja trdnost, večja odpornost proti utrujanju, boljše fizikalne lastnosti, lažja teža in boljša površinska obdelava so glavne prednosti kompozitnih materialov.
V avtomobilski industriji so kompozitni materiali lažji od najpogosteje uporabljenih kovin. Kompoziti na osnovi ogljikovih vlaken so najzmogljivejši polimerni kompoziti, ki se uporabljajo v avtomobilih, letalstvu, vojaški obrambi in športni opremi. V tradicionalnih avtomobilih je kovina osrednja struktura, nekateri notranji deli pa so izdelani iz kompozitnih materialov. Kompoziti iz ogljikovih vlaken so v zadnjih letih veljali za najprimernejši material za zmanjšanje teže vozil, čeprav se lahko razlikujejo od tradicionalnih kovin in so dragi.
V primerjavi z aluminijevimi zlitinami lahko kompozitni materiali opazijo več izboljšav mehanskih lastnosti, mikrostrukture in morfologije površine. Na splošno uporabo kompozitnih materialov v avtomobilski industriji uvrščamo med posebne materiale. V električnih vozilih predstavljata jeklo in lito železo približno polovico materialov glede na težo; aluminijeve zlitine predstavljajo približno 9 % vseh, plastika predstavlja 11 %, guma pa 3 %. Dandanes se industrije osredotočajo na uporabo obnovljivih virov in nadaljnjo uporabo materialov, ki jih je mogoče reciklirati, okolju prijaznih in manj nevarnih z globalnim vplivom.
Zmanjšanje emisij in porabe goriva sta glavna izziva, s katerimi se sooča avtomobilska industrija. Zaradi proizvodnje energije, ki temelji na fosilnih gorivih na osnovi ogljika, se v okolje izpusti velika količina toplogrednih plinov. Z nenehnim povečevanjem svetovne porabe električne energije se je v zadnjih nekaj desetletjih povečalo tudi povpraševanje po energiji. Zaradi visokih stroškov goriva in tudi glede na degradacijo okolja so potrošniki motivirani za izbiro električnih vozil. Povpraševanje in motivacija za uporabo električnih vozil sta se povečala v številnih državah po svetu. Električna vozila so alternativa dizelskim, bencinskim in drugim vozilom na fosilna goriva, ker uporabljajo litij-ionske baterije, ki nudijo udobje mešanega polnjenja in so manjše teže, saj je večina komponent izdelanih iz kompozitnih materialov za izboljšanje učinkovitosti goriva vozila. Poleg tega morda ne potrebujejo večine komponent, potrebnih za tradicionalna vozila na fosilna goriva. Nekatera podjetja za prevoze se osredotočajo na zamenjavo svojih flot motorjev z notranjim zgorevanjem z električnimi vozili.
Za reševanje vprašanj energetske učinkovitosti raziskovalci predlagajo uporabo lahkih materialov za zamenjavo avtomobilskih delov, ki lahko zmanjšajo težo vozila in hkrati povečajo ekonomičnost porabe goriva. Za vsakih 10 kilogramov zmanjšanja teže vozila se bodo emisije ogljika zmanjšale za 1 gram na kilometer, s čimer se bo zmanjšala poraba goriva. Lahka rešitev postopoma postaja pomembna metoda, saj se je izkazala za učinkovito pri zmanjševanju povpraševanja po gorivu in emisij.
Avtomobilska lahka teža se osredotoča na zmanjšanje mase vozila z alternativnimi materiali in preoblikovanjem komponent, hkrati pa ohranja velikost vozila in dodatno zagotavlja potrebe potrošnikov. Pri načrtovanju vozil z motorjem z notranjim zgorevanjem so raziskovalci uporabili različne tehnologije, da bi preučili prednosti lahkih materialov v primerjavi s tradicionalnimi. Rezultat integracije električnih vozil in lahke zasnove je zmanjšanje vpliva vozila na okolje. Poleg tega je uporaba lahkih materialov v električnih vozilih predvidljiva, saj lahko izboljša zmogljivost z zmanjšanjem mase, kot sta doseg vožnje in nadzor velikosti baterije (kot je prikazano na spodnji sliki).
Sestava strukturnih komponent električnega vozila
Kompozitni materiali veljajo za možne kandidate za izdelavo lahkih komponent, zato so bila vložena prizadevanja za zmanjšanje teže vozil, hkrati pa so razvijali stroškovno učinkovite metode za proizvodnjo lahkih materialov, kot je plastika, ojačana z ogljikovimi vlakni (CFRP). V primerjavi s tradicionalnimi materiali ima CFRP visoko trdnost, majhno težo, dobro odpornost proti vibracijam, visoko togost ter večjo odpornost proti utrujenosti in koroziji.
Čeprav je v zadnjih letih tehnologija avtomobilskih kompozitnih materialov prejela široko pozornost in raziskave, zaposlovanje v avtomobilski industriji še vedno zaostaja za letalsko in vesoljsko industrijo. Zato sta potrebna nadaljnji razvoj in napredek, da bi zadovoljili naraščajoče povpraševanje po električnih vozilih. Naslednja tabela prikazuje razvrstitev različnih tipov vozil. Če združimo trenutne statistične podatke iz industrije električnih vozil in avtomobilske industrije, je bila ocenjena vrednost mednarodnega trga električnih potniških vozil v letu 2020 približno 120,81 milijarde USD, s pričakovano skupno letno stopnjo rasti približno 32,5 % od leta 2021 do 2028.
Različne kategorije vozil
Leta 2020 je svetovna prodaja avtomobilov znašala približno 3 milijone enot, kar je skoraj 40-odstotno povečanje glede na leto 2019. Istega leta so električna vozila na Kitajskem predstavljala približno 30 % svetovne prodaje. Od leta 2021 so ZDA ponudile več kot 15 različnih modelov baterijsko-električnih vozil (BEV). V primerjavi s priključnimi hibridnimi električnimi vozili (PHEV) se pričakuje, da bodo BEV dosegla večjo rast zaradi težav z dosegom.
V niši baterijskih električnih vozil je bila najpogostejša nadgrajena različica Tesla Model S, pri čemer je dobavitelj v letu 2020 dosegel več kot 70 % prodaje na področju baterijskih električnih vozil. Najvišja skupna letna stopnja rasti v industriji PHEV bi lahko presegla 32 % v predvidenem obdobju. Ta napredek lahko pripišemo priporočilom vlad industrializiranih držav in držav v razvoju za spodbujanje uporabe električnih vozil.