宝马i系新能源车与碳纤维材料“前世今生”揭秘及技术解析

文章来源:盖世汽车 点击数:22 发布时间:2017-07-03
在抢尽风头的外表下,作为宝马在新能源领域的首款跑车,i8融合了宝马高效动力策略技术,将强劲动力与低碳节能完美结合,通过应用大量轻量化碳纤维材料彻底颠覆了传统汽车制造技术,给全球汽车工业带来前所未有的革新。
宝马i系新能源车与碳纤维材料“前世今生”揭秘及技术解析

提起宝马i8,很对人还对电影《碟中谍4》里阿汤哥驾驶着宝马i8混合动力双门超级跑车在街头上演追逐大戏记忆犹新,这款性能卓越造型前卫充满科幻色彩的油混超跑在亮相的瞬间就赚足了全球车迷的尖叫。在抢尽风头的外表下,作为宝马在新能源领域的首款跑车,i8融合了宝马高效动力策略技术,将强劲动力与低碳节能完美结合,通过应用大量轻量化碳纤维材料彻底颠覆了传统汽车制造技术,给全球汽车工业带来前所未有的革新。

宝马i8中大量使用的碳纤维材料完整学名为碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre-reinforced Polymer, 简称CFRP),主要以碳纤维或碳纤维织物为增强体,以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体复合形成,具有高强轻质的特点。由于碳纤维生产制造过程需要使用大量电力,因此成本非常高,早期主要用于航空航天领域。由于CFRP骨架具有非常优异的轻量化性能,如今许多汽车制造商开始将这种材料应用于汽车生产,目前在这一应用领域领跑全球的就是宝马公司。宝马对碳纤维材料的痴迷世人有目共睹,特别是在新能源汽车上大量使用了碳纤维复合材料,今天我们就来谈谈宝马新能源车和碳纤维材料的“前世今生”。

“革命性设计”实现全新动力和排放平衡

在2007年前后的一次宝马集团未来发展战略研究会上,经技术专家详细分析后,宝马高层一致决定将“高效动力”作为宝马未来主要的技术发展方向。符合欧盟节能减排政策需求的小型车显然不符合宝马始终追求“驾驶乐趣”的品牌初衷,因此电力驱动作为一种环保动力被宝马选定为补充能源。经过对诸多数据的研究分析,宝马集团认为,真正的电动车不能是在传统内燃机动力车型基础上的再开发,必须按照电力驱动特点全新开发,庞大的电池体积和重量限制了以钢铁为车身材料的研发,宝马的技术工程师决定采用一种“革命性的设计”来达成目标,“i”品牌由此诞生。

宝马i品牌问世不仅代表着宝马在新能源领域的研究成果,其革命性意义在于凭借创新的车型设计及贯穿整个产业链的可持续发展战略,重塑了人们对豪华车的认识,引发了新一轮汽车工业转型革新浪潮。和目前已经问世的大多数新能源车型不同,宝马i3和i8在充分展示其节能环保以及可持续发展理念的同时,也将宝马品牌精神“纯粹驾驶乐趣”发挥到极致,使这两者完美结合。

作为宝马BMW的子品牌,i目前有i3和i8两款产品,前者是纯电动轿车,后者是插电式混合动力跑车。在这项“革命性设计”中,宝马推出BMWi新能源汽车专用的“LifeDrive”轻量化车辆架构及以电驱动为核心诉求的eDrive动力系统。宝马i8与i3都采用了“LifeDrive”模块架构,这种全新的设计理念将车身结构包括Life和Drive两个独立的部分。

宝马i8与i3均采用了“LifeDrive”模块架构

Life代表的乘员舱结构是其中的亮点。由于高强度且轻质的CFRP碳纤维增强复合材料在轻量化车身结构、稳定性与安全性方面性能远超其它材料,其早已应用在F1赛车、航空航天领域,宝马决定用碳纤维作为i系列的车身材料,以此来解决重量与动力之间的矛盾。Life结构通过应用CFRP碳纤维复合材料,大幅降低了车身的整体重量,同时车辆的燃油经济性和操控性得以提升;Drive代表车身底盘,该承重部分主要采用了铝合金材料,它集成有车辆的悬架、动力系统、电池以及传动结构等,这种特殊的结构和材料也是宝马专门为新能源汽车而研发。通过宝马工程师开创的框架式车身、发动机后置、前轮电驱动、后轮内燃机驱动等“革命性设计”,宝马i系列完美实现了全新的动力和排放的平衡。

宝马i新能源汽车通过使用创新的结构和轻量化材料将大规模电池组所增加的车身重量很好的加以弥补,同时有效的增加了车辆的续航里程。对于消费者来说,这意味着更好的操控性与更低的使用成本之间的完美结合。

匠心打造纯电动宝马i3碳纤维轻量工艺

宝马新能源汽车的车身完全由DFRP碳纤维复合材料打造而成,作为汽车覆盖件最理想的非金属材料,DFRP复合材料强度是常见钢材的10倍,重量却只有钢材的一半,比铝合金轻30%,同时具有重量轻、弹性高、耐腐蚀、更坚固等特点。制成的宝马i3乘员舱仅需两个成年男子便可轻松抬起,极其有利于提高汽车燃油经济性及电动车的电能利用率。

CFRP复合材料在减轻车身质量的同时,也具有优异的防撞性能,如宝马i3已通过了严苛的E-NCAP测试,并获得4星级的评定,即使取消了B柱,依然可以为车内乘员提供足够的保护。CFRP复合材料组装成本低、投资小,避免了传统车身的喷涂过程和相应的环保处理及资金成本,同时在零部件整合、模块性方面也具有优异的性能。

宝马i3乘员舱结构整体采用的CFRP复合材料主要以聚丙烯腈的热塑性纺织纤维为原材料,在一定的压力和温度下,转化成比头发丝还要细10倍直径仅有0.007毫米细长的碳纤维丝线,由此制成的碳纤维织物再通过加工机械被切割成不同的形状,经热处理或塑料粉末高压粘合技术最终把这些板件加工为立体车身构型。

宝马车身用CFRP复合材料,根据树脂种类的不同以及碳纤维品种、制成织物及短纤维等多种形态差异,最终得到CFRP特性也大不相同,仅是主要的中间基材及成型材料就有多种。这些基材及成型材料成型方法多样,目前主流的成型工艺为RTM,即将树脂注入到模具中浸润增强材料并固化,该技术可以有效地降低设备及成型成本,数分钟即可完成硬化,效率非常高。

与常规焊接车辆不同,i3车身所有部件都是通过一种宝马与一化工企业联合开发的先进的粘合剂组装到一起,该胶粘剂拥有快速硬化的特性,只需几秒钟即可固化。宝马在核心连接点还配置了红外线辅助加热设备,固化时间进一步缩短。最后,通过焊接工序进行宝马i3碳纤维框架和其他部件组装,仅需要十个金属紧固件以及胶粘剂,就能够把i碳纤维车身与底盘、动力合体为一辆新车。

宝马i3作为一款零排放电动车,通过采用碳纤维复合材料打造的车身,整车重量降至1255千克,完美解决了由于电池重量导致的车辆重量大增从而车辆驾控敏捷度降低的问题,并创造了百公里7.2秒的加速时间。

碳纤维带来插电混动宝马i8梦幻传奇

宝马i8从设计之初就被定义为一款兼具有跑车的动态行驶性能和完美能源效率的插电式混合动力跑车。宝马在前期已积累i3丰富的研发和生产经验的基础上,不断在探索中降本增效,将大量CFRP复合材料宝马应用于i8车身,从而实现整车重量仅为1540公斤。

i8的生产流程与i3基本相同,乘员舱由多层碳纤维复合材料拼合而成,最大的特点是轻量化和高强度。通过采用类似于F1赛车中驾驶舱的单体横造结构由碳纤维复合材料构成的设计模式,实现了车身的大幅减重。车顶同样采用了碳纤维复合材料,与车身其它部位主要通过不同于传统金属车身焊接的粘接工艺结合,碳纤维车身与铝合金底盘间则采用焊接而非传统的螺丝铆接。i8的内饰采用了充分体现环保理念的再生材料,整个碳纤维生产以及i8整车组装制造都基本实现自动化。

作为全球第一款LifeDrive模块化结构的插电式混合动力跑车,宝马i8除了大量应用碳纤维复合材料和铝合金材质,还应用了BMW Twin Power Turbo增压技术,能够输出高达170千瓦的最大功率和320牛•米的峰值扭矩,加上宝马专为BMWi8开发的电机带来的96千瓦最大功率和250牛•米的峰值扭矩,这款车成功实现了堪比高性能跑车的4.4秒零到百公里加速时间,欧盟标准循环测试中的综合油耗低至2.1升/100公里,CO2排放量为49克/公里,成功实现车辆轻量化和安全性。

宝马i3和i8的上市不仅开创了碳纤维复合材料在量产车型大规模应用的新纪元,也标志着宝马集团业已成为目前唯一掌握车用碳纤维复合材料大批量生产和制造技术的厂商。

绿色能源降本增效延续可持续发展理念

面对让许多汽车制造企业望而却步的碳纤维高昂制造成本的难题,宝马专注致力于降本增效,不断在对碳纤维的探索应用中积累节能减排的技术和经验,对可持续发展的重视和追求更是达到极致。宝马在碳纤维复合材料生产和i系列新能源汽车制造中均使用绿色能源,负责碳纤维材料原材料生产的美国华盛顿摩西湖工厂全部采用水利发电,负责车辆制造的莱比锡工厂全部采用风力发电,真正实现了二氧化碳零排放。莱比锡工厂与传统汽车工厂相比,能耗降低50%,水资源消耗降低70%。

作为可持续发展的设计理念的重要组成部分,使用回收材料也是宝马i系列生产中非常重要的一环,宝马i8生产中使用的塑料、铝合金大多采用可循环使用的材料,并且使用可再生能源制造。

这些举措都有效助力宝马i系新能源汽车制造成本的大幅降低,实现了整个车辆制造产业链的可持续发展。

新能源是未来汽车发展的趋势,宝马作为德系豪车品牌突破传统,引入全新汽车设计概念,将应用于F1赛车上的碳纤维车身材料应用于民用车,在不断探索中以领跑市场的技艺传递着低碳环保的用车理念,在车辆的降耗减排节能上发挥了巨大作用,不仅塑造和提升自身品牌价值,也将汽车行业的可持续发展带入新高度,更是推动了实现未来绿色交通和城市可持续的发展进程。

宝马新能源汽车的创新性设计很好兼顾了车身轻量化与车身强度的矛盾,但是拼接的车身结构整体强度是否可以满足实际使用需求,车辆售后维修成本和难度是否会受到影响,驾乘者的实际体验如何,后续盖世汽车将继续关注和解析。