Продвижение электромобилей

Джинджер Гардинер
13.10.2020 351

Многофункциональная конструкция шасси и новейшие композиционные материалы позволяют создавать более легкие, безопасные электромобили с большим запасом хода.

Нарастающее беспокойство относительно вредного воздействия загрязнений от выбросов двигателей внутреннего сгорания в сочетании с достижениями в технологии аккумуляторных батарей (за последние три года их стоимость упала на 50%) ускоряют развитие рынка электромобилей. По данным Международного энергетического агентства (IEA, Париж, Франция), количество электромобилей в мире выросло на 54% (до 3,1 миллионов) в 2017 году, а к 2030 году достигнет 125 миллионов. По прогнозам компании Bloomberg New Energy Finance, к 2040 году электромобили составят 55% всех продаж автомобилей, а их доля в мировом масштабе составит 33%.

Сейчас, когда почти каждый производитель автомобилей планирует расширить свой ассортимент электромобилями (компания Ford недавно объявила о выпуске 40 электромобилей к 2022 году), компания Williams Advanced Engineering (Гров, Оксфордшир, Великобритания) также продемонстрировала свою платформу FW-EVX в 2017 году. Предназначенная для производителей, которые ищут себе платформы электромобилей нового поколения или просто стремятся к определенным локальным технологическим улучшениям, платформа для электромобилей исключительно на аккумуляторных источниках питания FW-EVX может модифицироваться путем увеличения или уменьшения количества аккумуляторных модулей на стандартной колесной базе длиной 2800 мм. Электромобили на аккумуляторных источниках питания распространяются быстрее, чем гибридные автомобили, и в настоящее время на них приходится 66% всего мирового рынка электромобилей, а 16 моделей запланировано к выпуску компанией Ford.

Платформа FW-EVX выходит за рамки стандартного формата (центральный портативный батарейный источник питания, расположенный под полом, с электродвигателями для передней и/или задней оси) и переходит на новый уровень эффективности благодаря многофункциональности шасси из композиционных материалов на основе углеродного волокна, системе охлаждения аккумулятора и аварийной защите, интегрированных в достаточно легкую по весу конструкцию. Такой высокий уровень интеграции обеспечивает удачное сочетание пониженного веса и аэродинамического сопротивления, увеличенной емкости аккумуляторной батареи и дальности хода, — поясняет технический директор компании Williams Advanced Engineering Пол МакНамара.

Масштабируемая платформа электромобиля. Компания Williams Advanced Engineering разработала легкую, компактную платформу FW-EVX для автопроизводителей, стремящихся к технологиям нового поколения. Модульная конструкция аккумуляторов подходит для различных типов моделей и колесных баз, а процесс его сборки можно применять и в массовом производстве. Источник: Williams Advanced Engineering

Технические характеристики и описание

Трансмиссия (шасси с 38 аккумуляторными модулями, сдвоенными электродвигателями сзади и одним спереди, коробкой передач, главной передачей, электроникой, колесами, шинами и четырьмя рычажными подвесками) весит 955 кг/2105 фунтов. С учетом облегченного кузова компания Williams оценивает общий вес автомобиля размером с BMW M4 в 1750 кг/3858 фунтов. Данная платформа с аккумуляторной батареей емкостью 80 кВт∙ч обеспечит дальность хода 552 км/343 мили согласно Новому европейскому циклу движения. Новый европейский цикл движения — это лабораторное испытание для измерения расхода топлива, выбросов и дальности хода автомобиля. В 2017 году его заменил Всемирный цикл согласованных испытаний транспортных средств малой грузоподъемности, в котором реальные данные, собранные по всему миру, сравнивались с теоретическими выкладками. Он более сопоставим с испытанием Агентства по охране окружающей среды (EPA), применяемым в США.

Иллюстрация Карла Реке

Из 24 электромобилей, представленных в рейтинге сайта InsideEVs, только Tesla Model X P100D и Model S 75D имеют почти такие же характеристики: емкость аккумуляторных батарей 75 и 100 кВт∙ч соответственно, дальность хода согласно Новому европейскому циклу движения 336 и 304 мили соответственно, — однако их вес больше на 900 фунтов/408 кг и 1500 фунтов/680 кг соответственно. Дальность хода Tesla Model 3 бесспорно сопоставима с FW-EVX, однако лидер продаж Nissan Leaf обладает дальностью хода в 235 миль согласно Новому европейскому циклу движения и емкостью аккумулятора 40 кВт∙ч, при этом он на 425 фунтов/193 кг легче. (Обратите внимание, что проектированием электромобиля Nissan BladeGlider занималась компания Williams) Однако никто не может соперничать с FW-EVX в отношении максимальной мощности — 480 кВт. Ближайшие конкуренты с 150 кВт — это Chevy Bolt 2018 года (дальность хода согласно Новому европейскому циклу движения — 323 мили и емкость аккумулятора 60 кВт∙ч) и Hyundai Kona 2019 года (дальность хода 258 миль и емкость аккумулятора 64 кВт∙ч).

Характеристики FW-EVX также превосходят новые, более жесткие стандарты Китая, который, согласно прогнозам, будет самым крупным рынком для электромобилей. Чтобы получить государственную поддержку, электромобили на аккумуляторных источниках питания должны обладать дальностью хода >400 км/249 миль и удельной энергоемкостью 105 Вт∙ч/кг. Платформа FW-EVX обладает дальностью хода 552 км/343 мили и энергоемкостью, превышающей необходимую более чем в два раза (235 Вт∙ч/кг).

Системы в конструкции. Литий-ионные батареи размещаются в ящиках из углепластика в аккумуляторном отделении несущего кузова. Эти экзоскелеты, изготовленные с помощью процесса 223, защищают 38 аккумуляторных модулей FW-EVX, при этом обеспечивая для шасси жесткость при кручении и изгибе, что позволяет уменьшить вес боковых брусьев из углепластика. В этих боковых брусьях (справа) размещаются алюминиевые ребристые радиаторы, по которым проходит воздух для охлаждения аккумуляторных модулей. Источник: Джефф Слоан, журнал CW (слева), компания Williams Advanced Engineering (справа)

Пожалуй, этого и следовало ожидать. Компания Williams Advanced Engineering — это, в конце концов, технологическая и инженерная служба, родственная известной команде «Формулы-1», основанной сэром Фрэнком Уилльямсом (его инициалы FW представлены в названии FW-EVX). Созданное в 2010 году отделение Williams Advanced Engineering открыло новый производственный объект в 2014 году и сейчас располагает штатом из 250 сотрудников, за плечами которых 80 завершенных проектов, а еще 40 в настоящее время выполняются. Опыт компании Williams в сфере технологий электромобилей весьма богат. Компания является мировым лидером в области маховиковых систем и рекуперации кинетической энергии для автомобилей, общественного транспорта и энергетики. Будучи единственным поставщиком чемпионата ABB FIA Формулы E (первой в мире международной гонки на одноместных, полностью электрических автомобилях), компания Williams также разработала аккумуляторные батареи с высокой плотностью отдаваемой энергии и электродвигатели, высокая эффективность, надежность и предсказуемость которых не подлежат сомнению.

Эквивалент более 1100 автомобилей Формулы E проехал 240 тысяч миль на аккумуляторах от компании Williams с момента первой гонки в 2014 году. Столкновение в ходе той гонки также продемонстрировало приверженность компании высочайшим стандартам безопасности. Другие значимые разработки включают высокоэффективную батарею для VW Audi, а также ведущая позиция в консорциуме компаний по проекту H1PERBAT, выбранных британским правительством для разработки гибридной батареи, обеспечивающей высочайшую мощность с применением меньшего количество элементов и более быструю зарядку, чем позволяют современные технологии. В сентябре компания Williams Advanced Engineering заявила, что создаст совместное предприятие с компанией Unipart Manufacturing Group (Коули, Оксфорд, Англия) под названием Hyperbat Ltd. В начале 2019 года будет открыт самый крупный независимый завод по производству аккумуляторных батарей в Великобритании на базе объекта Unipart в городе Ковентри. Первым заказом станет ограниченное производство батарей для автомобилей Aston Martin Rapide E.

В ходе разработки технологий для электромобилей компания Williams также создала официально зарегистрированные и ожидающие патентов технологии обработки композиционных материалов — 223 и RACETRAK. Эти решения, направленные на крупномасштабное и экономичное производство автомобилей, были созданы для обеспечения максимальной производительности и эффективности электромобилей. Однако благодаря инновациям от компании Williams в области быстрой обработки легких конструкций из углепластика они также привлекают интерес аэрокосмической отрасли и компаний, занимающихся ветроэнергетикой.

Интеграция систем в конструкцию

Гоночные автомобили F1 являются образчиком повышенной эффективности — в них все работает как единое целое. Компания Williams применяет этот принцип в платформе FW-EVX с помощью функциональной, но при этом элегантной интеграции.

Основой конструкции FW-EVX является несущий кузов в виде «скейтборда» толщиной 250 мм, на котором между двумя полыми несущими боковыми брусьями из углепластика располагаются аккумуляторные модули. Эти брусья также проводят воздух из сильфонов (служащих также для забора воздуха) в переднюю часть автомобиля через внутренние алюминиевые радиаторы для охлаждения аккумуляторных батарей. Благодаря этому традиционные радиаторы спереди больше не нужны, что минимизирует всю переднюю конструкцию автомобиля, а также снижает аэродинамическое сопротивление теплообменников. Алюминиевые ребристые радиаторы также служат контролируемыми зонами деформации при столкновении вокруг батарей, что повышает защиту от ударов.

38 аккумуляторных модулей, расположенных внутри несущего кузова, не только обеспечивают питание электромобиля, но также влияют на его конструкцию. Каждый аккумуляторный модуль шириной 136 мм содержит 10 литий-ионных батарей в мягкой оболочке (тонких как в ноутбуке) от компании LG Chem (Сеул, Южная Корея). Такие батареи размещаются в ящике из углепластика для дополнительной защиты. Ящики изготавливаются из листового углепластика с помощью полностью автоматизированного процесса 223. Части пластин для бортов ящиков отверждаются, а между ними остаются гибкие неотвержденные сгибы. Эти сгибы позволяют складывать частично отвержденные пластины в ящик, после чего производится окончательное отверждение и соединение для получения жесткой конструкции. Каждый ящик обладает ударопрочным несущим опорным каркасом, что повышает безопасность при столкновении. Размещенные в платформе ящики скрепляются вместе, чтобы обеспечить достаточную жесткость при кручении и изгибе по всей конструкции несущего кузова. Он, в свою очередь, берет на себя часть нагрузки, которая иначе приходилась бы на боковые брусья, что в результате приводит к еще большему снижению веса.

Рычаги из переработанного углеродного волокна

В платформе FW-EVX используются рычаги из углепластика, чтобы снизить вес на 40% по сравнению с традиционными алюминиевыми элементами, при этом их стоимость сопоставима с кованым алюминием благодаря процессу RACETRAK. Согласно данным из статьи за май 2017 года, опубликованной в журнале Engineering UK, процесс RACETRAK основан на литьевом прессовании полимера под высоким давлением (HP-RTM) и был разработан в Национальном центре композиционных материалов (NCC, Бристоль, Англия). Конструкция рычагов платформы FW-EVX сочетает в себе три вида волокон и одну смолу. Однонаправленный материал наматывается на место крепления, чтобы повысить прочность при почти безотходном производстве, а переработанное углеродное волокно (до 80% композиционных материалов по весу) используется в виде нетканого мата, что способствует снижению стоимости и повышению экологической безопасности. Эпоксидная и полиуретановая смолы уже используются в крупносерийном производстве деталей подвесок из композиционных материалов методом литьевого прессования полимера под высоким давлением. По словам Лэйна Бомфрея, главного технического специалиста по облегченными конструкциям компании Williams Advanced Engineering, задний рычаг стал самой толстой деталью, когда-либо изготовленной на прессе центра NCC. Получившийся рычаг управления из углепластика (фото сверху) можно отлить за 90 секунд, а весь цикл, включая выкладку, занимает всего 5 минут.

Рычаги из углепластика, полученные с помощью процесса RACETRAK. В платформе FW-EVX используются рычаги из углепластика, содержащего однонаправленные и переработанные углеродные волокна, изготовленные с помощью процесса литьевого прессования полимера под высоким давлением, который носит название RACETRAK. Источник: Williams Advanced Engineering

Гибкость для будущего развития

Несмотря на широкое применение углепластика, в платформе FW-EVX также можно использовать алюминий в несущем кузове и подвеске. Выбранные материалы и технологии формования оптимизируются в зависимости от целевых показателей эффективности транспортного средства. В платформу также заложена определенная гибкость. К примеру, в аккумуляторном модуле на настоящий момент используются элементы в мягкой оболочке от компании LG, но в нем также можно размещать и другие типы батарей. Представленные на рынке стандартные компоненты силового агрегата, обеспечивающие высокую эффективность, также легко можно заменить на альтернативные варианты, указанные производителем.

Тем временем, компания Williams продолжает совершенствовать и испытывать платформу FW-EVX. «Мы применили свои обширные знания композиционных материалов и систем для полного переосмысления проектирования и изготовления электромобилей», — говорит Бомфрей. «Нас отличают не только наши возможности в области проектирования и производства, но и способность заставлять все системы и конструкции работать как единое целое. Мы сумели снизить аэродинамическое сопротивление и вес, а также сложность процесса, и использовать сэкономленные средства на повышение мощности, безопасности и дальности хода автомобилей».

Об авторе

За плечами главного редактора журнала CW Джинджер Гардинер опыт работы в сфере материаловедения и 20 лет — в отрасли композиционных материалов.

ginger@compositesworld.com

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Инвестиции в квалификационную программу для препрега Toray
Инвестиции в квалификационную программу для препрега Toray
Крупнейший в мире поставщик аэрокосмической промышленности воспользовался возможностью разработать собственные спецификации для препрега из углеродного…
Джефф Слоан
29.06.2021
247
Композитный выходной вал готов для испытаний на автодроме
Композитный выходной вал готов для испытаний на автодроме
В отличие от карданных валов, в выходных валах нельзя максимально эффективно использовать всю длину вала,…
Карен Мейсон
23.12.2021
175
Производство панелей фюзеляжа из композиционных материалов нового поколения
Производство панелей фюзеляжа из композиционных материалов нового поколения
Демонстрационная панель размером 18 на 12 футов, представленная на Парижском авиасалоне, оснащена обшивкой с интегрированными…
Джефф Слоан
07.09.2021
235
Одностадийное изготовление сверхгидрофобного нанокомпозита
Одностадийное изготовление сверхгидрофобного нанокомпозита
Сверхгидрофобные покрытия, обладающие способностью к самоочищению и противокоррозионными свойствами, требуются во многих промышленных областях применения;…
18.08.2022
73
Плазменная обработка для подготовки пластмасс и композитов к нанесению УФ-отверждаемых порошковых покрытий
Плазменная обработка для подготовки пластмасс и композитов к нанесению УФ-отверждаемых порошковых покрытий
Определение адгезии - это первое количественное испытание, позволяющее оценить эксплуатационные характеристики материала покрытия, независимо от…
Майкл Ф. Кноблаух,Кевин М. Отто
16.11.2020
131
Гибридизация как эффективное соединение, исследование электрохимической коррозии как необходимость. Часть 1.
Гибридизация как эффективное соединение, исследование электрохимической коррозии как необходимость. Часть 1.
Технология получения композиционных материалов позволяет создавать конструкции с высокой степенью интеграции, где количество компонентов и…
А. Виандиер, Д. Стефаниак, К. Хухне, М. Синапиус
22.01.2020
531
Защита от коррозии и трибокоррозии
Защита от коррозии и трибокоррозии
В недавно проведенном исследовании описан новый способ защиты сплава AZ31B Mg путем гидротермической обработки поверхности…
14.10.2022
61
Первая грузовая платформа из термопластичного композиционного материала
Первая грузовая платформа из термопластичного композиционного материала
Рубленое углеродное волокно, полиамид и инновации меняют представление о грузовых платформах современных пикапов. CarbonPro, первая…
Пегги Малнати
31.08.2021
152
Распорки из гибридных композиционных материалов снижают вес и улучшают управляемость автомобилей
Распорки из гибридных композиционных материалов снижают вес и улучшают управляемость автомобилей
Элементы жесткости днища кузова из пултрузионных углеродных / стекловолокнистых композиционных материалов теперь и в автомобилях…
Пегги Малнати
16.03.2021
253