Komplexná interpretácia pokročilých kompozitov pre elektrické vozidlá a automobilový priemysel
Kompozitné materiály označujú materiály zložené z dvoch alebo viacerých rôznych materiálov. Typicky môžu byť ako hlavné matricové materiály použité kovy, keramika alebo polymérne materiály. V porovnaní s tradičnými materiálmi je väčšina kompozitných materiálov navrhnutá so zameraním na vysokú špecifickú pevnosť, nižšiu hmotnosť a relatívne vysokú odolnosť proti korózii. Vyššia pevnosť, vyššia únavová pevnosť, lepšie fyzikálne vlastnosti, nižšia hmotnosť a lepšia povrchová úprava sú hlavné výhody kompozitných materiálov.
V automobilovom priemysle sú kompozitné materiály ľahšie ako najbežnejšie používané kovy. Kompozity na báze uhlíkových vlákien sú najvýkonnejšie polymérne kompozity používané v automobiloch, letectve, vojenskej obrane a športovom vybavení. V tradičných automobiloch tvorí centrálnu štruktúru kov, zatiaľ čo niektoré vnútorné časti sú vyrobené z kompozitných materiálov. V posledných rokoch sa za najvhodnejší materiál na zníženie hmotnosti vozidla považujú kompozity z uhlíkových vlákien, hoci sa môžu líšiť od tradičných kovov a sú drahé.
V porovnaní s hliníkovými zliatinami môžu kompozitné materiály vidieť viac vylepšení mechanických vlastností, mikroštruktúry a povrchovej morfológie. Vo všeobecnosti sa použitie kompozitných materiálov v automobilovom priemysle klasifikuje ako špeciálne materiály. V elektrických vozidlách tvorí oceľ a liatina približne polovicu hmotnosti materiálov; hliníkové zliatiny tvoria asi 9% z celkového počtu, plasty tvoria 11% a guma tvorí 3%. V súčasnosti sa priemyselné odvetvia zameriavajú na využívanie obnoviteľných zdrojov a ďalšie využívanie recyklovateľných, ekologických a menej nebezpečných materiálov s globálnym dosahom.
Znižovanie emisií a spotreby paliva sú hlavné výzvy, ktorým automobilový priemysel čelí. V dôsledku výroby energie založenej na fosílnych palivách na báze uhlíka sa do životného prostredia uvoľňuje veľké množstvo skleníkových plynov. S neustálym nárastom globálnej spotreby elektrickej energie došlo v posledných desaťročiach k zvýšeniu dopytu po energii. Vzhľadom na vysoké náklady na palivo a tiež vzhľadom na zhoršovanie životného prostredia sú spotrebitelia motivovaní k výberu elektrických vozidiel. Dopyt a motivácia pre používanie elektrických vozidiel vzrástli v mnohých krajinách po celom svete. Elektrické vozidlá sú alternatívou k naftovým, benzínovým a iným vozidlám na fosílne palivá, pretože používajú lítium-iónové batérie, ktoré ponúkajú pohodlie zmiešaného nabíjania a majú nižšiu hmotnosť, pretože väčšina komponentov je vyrobená z kompozitných materiálov na zlepšenie palivovej účinnosti vozidla. Okrem toho nemusia vyžadovať väčšinu komponentov potrebných pre tradičné vozidlá poháňané fosílnymi palivami. Niektoré spoločnosti zaoberajúce sa jazdou sa zameriavajú na nahradenie svojich vozových parkov so spaľovacími motormi elektrickými vozidlami.
Na riešenie problémov energetickej účinnosti výskumníci navrhujú používať ľahké materiály na nahradenie automobilových dielov, ktoré môžu znížiť hmotnosť vozidla a zároveň zvýšiť spotrebu paliva. Na každých 10 kilogramov zníženia hmotnosti vozidla sa emisie uhlíka znížia o 1 gram na kilometer, čím sa zníži spotreba paliva. Ľahké riešenie sa postupne stáva dôležitou metódou, pretože sa ukázalo ako účinné pri znižovaní spotreby paliva a emisií.
Odľahčenie automobilov sa zameriava na znižovanie hmotnosti vozidla prostredníctvom alternatívnych materiálov a prepracovania komponentov pri zachovaní veľkosti vozidla a ďalšom zabezpečení potrieb spotrebiteľov. Pri navrhovaní vozidiel so spaľovacím motorom výskumníci použili rôzne technológie na štúdium výhod ľahkých materiálov v porovnaní s tradičnými. Výsledkom integrácie elektrických vozidiel a ľahkej konštrukcie je zníženie vplyvu vozidla na životné prostredie. Okrem toho je možné predvídať použitie ľahkých materiálov v elektrických vozidlách, pretože môžu zlepšiť výkon znížením hmotnosti, ako je napríklad dojazd a kontrola veľkosti batérie (ako je znázornené na obrázku nižšie).
Zloženie komponentov konštrukcie elektrického vozidla
Kompozitné materiály sa považujú za potenciálne kandidátske materiály na výrobu ľahkých komponentov a vynaložilo sa úsilie na zníženie hmotnosti vozidiel a zároveň na vývoj nákladovo efektívnych metód výroby ľahkých materiálov, ako sú plasty vystužené uhlíkovými vláknami (CFRP). V porovnaní s tradičnými materiálmi má CFRP vysokú pevnosť, nízku hmotnosť, dobrú odolnosť voči vibráciám, vysokú tuhosť a vyššiu odolnosť proti únave a korózii.
V posledných rokoch, hoci sa technológii automobilových kompozitných materiálov venuje široká pozornosť a výskum, zamestnanosť v automobilovom priemysle stále zaostáva za leteckým priemyslom. Na uspokojenie rastúceho dopytu po elektrických vozidlách je preto potrebný ďalší vývoj a pokrok. Nasledujúca tabuľka zobrazuje klasifikáciu rôznych typov vozidiel. Skombinovaním súčasných štatistík z odvetvia elektrických vozidiel a automobilového priemyslu bola odhadovaná hodnota medzinárodného trhu s osobnými elektrickými vozidlami v roku 2020 približne 120,81 miliardy USD s očakávaným zloženým ročným rastom približne 32,5 % od roku 2021 do roku 2028.
Rôzne kategórie vozidiel
V roku 2020 bol celosvetový predaj áut približne 3 milióny kusov, čo predstavuje nárast o takmer 40 % oproti roku 2019. V tom istom roku predstavovali elektrické vozidlá v Číne približne 30 % celosvetového predaja. Od roku 2021 Spojené štáty americké ponúkajú viac ako 15 rôznych modelov batériovo-elektrických vozidiel (BEV). V porovnaní s plug-in hybridnými elektrickými vozidlami (PHEV) sa očakáva, že BEV zaznamenajú vyšší rast v dôsledku problémov s dojazdom.
V segmente vozidiel s elektrickým pohonom na batérie bola najbežnejšia modernizovaná verzia Tesla Model S, pričom dodávateľ dosiahol v roku 2020 viac ako 70 % predaja v oblasti elektrických vozidiel na batérie. Najvyššia zložená ročná miera rastu v odvetví PHEV v prognózovanom období by mohla prekročiť 32 %. Tieto pokroky možno pripísať odporúčaniam vlád priemyselných a rozvojových ekonomík na podporu používania elektrických vozidiel.