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以塑料橡胶为主的新材料支撑智能网联汽车的发展

引 言

在新一轮科技革命和产业变革推动下,智能化、电动化、网联化、共享化正成为汽车行业发展的新趋势,推动汽车产业在技术、材料等多层面创新变革。在全球倡导低碳生活的大环境下,我国汽车产业正处在由高速增长转向高质量发展的关键时刻,节能降耗、绿色安全成为汽车行业发展的重要方向,而先进材料则是汽车产业实现高质量转型的基础。

本文介绍了以塑料橡胶为主的新材料与智能网联汽车的背景技术,探讨了车用新材料发展趋势,围绕新材料在智能网联汽车中的应用,综述了新材料在智能汽车领域的典型应用场景,展望了智能网联汽车新材料技术未来研究方向。

1.新材料支撑智能网联汽车的发展

 

目前汽车正处于变革时期,汽车正朝着电动化、智能化、网联化、共享化的方向发展。据不完全统计,截至目前,中国有融资信息的无人驾驶相关企业超过70家,融资金额高达数百亿元。值得一提的是,中国自动驾驶相关企业的创新能力也在不断提高。共有超过1.2万件与“自动驾驶”或“无人驾驶”相关的专利,其中于2019年新申请的专利超过3千余件。

作为新经济领域的重要产业方向,自动驾驶产业的市场规模庞大。根据前瞻产业研究院最新发布的《无人驾驶汽车行业发展前景预测与投资战略规划分析报告》,到2021年,预计全球自动驾驶汽车市场规模将达70.3亿美元;到2035年,预计全球自动驾驶汽车销量将达2100万辆。参考庞大的汽车销量数据,中国也有望成为最大的自动驾驶市场。

国家政策层面鼓励支持,也带动各地竞相布局自动驾驶产业。从2015年开始,城市的自动驾驶各项测试就陆续开展起来。据公开资料显示,截至目前,已有深圳、北京、上海、广州、长沙等超过35个城市明确开展自动驾驶相关测试以及产业布局。

自动驾驶技术,根据其不同阶段的功能实现分为L0~L5。当前,全球主流车企基本都聚焦在L2级别的智能驾驶功能落地上,可以实现0 - 150km/h区间的跟随前车行驶和起停功能,在长途高速路上能够帮助驾驶员解放双手,缓解疲劳,有效规避风险。

然而,在自动驾驶核心部件中,塑料起到了关键作用。无论是乘用车还是商用车,每年所需的各种塑料材料的绝对数量都在数百万吨以上,大约占全国各种塑料制品年产量的十分之一,车用塑料的比例每年都在增长。中国汽车市场已经进入低速平稳增长,竞争加剧的新常态,面对增速换挡的新形势,通过技术提升实现高质量发展势在必行。

自动驾驶辅助系统(ADAS)中感知硬件—毫米波雷达传感器尤为重要,现阶段主流的焦点聚集在77GHz前向长距雷达上,最初使用于自适应巡航系统(ACC),故市场上普遍称之为ACC雷达。想必很少有人会将毫米波雷达与塑料联系到一起。其实在实际中,塑料恰恰是实现ADAS每一个传感器(包括雷达、激光雷达和红外摄像头等)的保护壳。在智能感应系统中,为了保证各种传感器在各种工况中都能达到稳定可靠的表现,对材料的耐候性、尺寸稳定性、耐化学性以及电磁兼容性都有全新的要求。

由于暴露在太阳光及发动机舱的热环境下,因此采用机箱将雷达的心脏部件即“天线”包起来。毫米波雷达整流罩可谓是电磁波的窗口、保护罩,不仅需要有保护内部高频PCB天线、芯片的强度,还需要能够穿透电波,对其不受影响。对材料的要求,除了要满足以上这些特性,同时需要提供更大的自由度来设计复杂、小型化和薄壁的几何图形将毫米波雷达嵌入车标或散热格栅中,简单采用金属材料是难以实现的。为此很多厂家根据相关特性开发出一系列具有非线性光学系数大、响应速度快、损伤阀值高、介电常数低、良好的可加工性等优点的材料来满足要求。

SABIC在毫米波雷达上面有不少材料,如PBT材料经过相关处理可制作出满足汽车毫米波雷达的系列配件要求,甚至经过改性、添加玻纤的方式可制造出可透过雷达波的材料。目前针对高级驾驶辅助系统,SABIC推出了有助于工程师改进车载雷达传感器技术的专用热塑性塑料产品LNP系列,这些材料有利于实现轻量化,替换金属材料,并优化设计的灵活性,同时也能减少潜在的系统成本。当然还有用于PCB板的PPO材料。

为解决毫米波雷达天线高频高速的需求,以及应对毫米波穿透力差、衰减速度快的问题,5G通信PCB需满足低传输损失、低传输延迟以及高特性阻抗的高精度控制的要求,目前生益科技已开发出应用于汽车毫米波雷达覆铜板相关的系列材料。

随着未来ADAS的普及,毫米波雷达市场将进入快速增长期,在研发创新的大力发展下将会有更多的材料作为毫米波雷达罩的选择。

2.车用新材料发展趋势

 

随着国内汽车市场保有量的不断增高,汽车排放对环境的影响日益严峻,保护环境是保证经济长期稳定增长和实现可持续发展的基本国家利益,绿色环保化将是汽车新材料的发展趋势之一。

为落实《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》的要求,实现2020年国产乘用车平均油耗降至5.0L/100km的《规划》目标,经有关机构调研,轻量化技术是最有效的技术手段,节能轻量化也将是汽车新材料的发展趋势之一。

当消费者开启车门后第一眼见到的就是汽车内饰材料,它代表了汽车的整体形象,驾乘人的直观感受也影响着对汽车品牌的选择。所以,提升消费者的喜好程度,增强汽车材料的感官质量也将成为汽车新材料的发展趋势之一。

汽车内饰具有装饰性,同时还需满足安全和功能等特性,其使用前提就是保护乘员的生命安全,所以安全可靠性是汽车内饰发展永恒不变的设计前提。

2.1汽车材料的绿色环保化

不断有消费者投诉车内异味及刺激性气味难以消除的现象发生,其中不乏知名的豪车品牌。2011年环保部颁布了《乘用车内空气质量评价指南》( GB/T27630—2011),并于2016年发布GB/T 27630—201X《乘用车内空气质量评价指南》征求意见稿,将替代原有要求并由推荐性变为强制性,对相应条款进行了修改,对部分限值进行了调整。

同时国家相继出台GB/T 30512-2014 汽车禁用物质要求(ELV),《汽车产品回收利用技术政策》等法规。在强制性法规的推动下,绿色环保化的汽车内饰将很快到来。

2.2汽车材料的节能轻量化

消费者在选择车辆时,燃油消耗也是一个十分重要的购车因素,其决定日后汽车养护和运行成本。

依据GB27999-2011《乘用车燃油消耗量评价方法及指标》至2020年平均油耗5.0L/100km,2020年CO2排放 118g/km[1]。轻量化是汽车实现节能减排降耗最有效的手段之一。

汽车的轻量化,就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。

内饰零件因装饰性和包覆性材料较多,结构件较少,所以更利于进行轻量化,内饰重量的减轻对整车的轻量化贡献较大。轻量化也将是汽车内饰的发展趋势之一,同时,轻量化是汽车实现节能减排降耗最有效的手段之一。

2.3汽车材料的感官品质化

目前中国汽车消费市场已经从基础性需求逐渐转向对汽车品质的需求,从低端逐步向中高端转移,因此,在这个既要看脸又要讲求实力的时代,消费者对于汽车设计“由内而外”的精致化和人性化的要求自然也是越来越高。

感官质量对于国内消费者来说还是一个新名词。感官质量是指人们对汽车的认知从五官感受开始,从视觉、听觉、触觉、嗅觉以及主观感受(方便性、舒适性)所得来的信息形成了人们对整车的初步认识。

内饰感官敏感区域划分成五大块:余光观察区、色彩鉴别区、标志识别区、阅读区、最敏锐区。

消费者对品牌的评价来源于产品的视觉感官。内饰的感官品质将是汽车内饰发展的重要方向之一。汽车感官品质的提升将成为未来汽车市场新的竞争趋势。

2.4汽车材料的安全可靠性

乘用汽车的安全性能是摆在首位的。乘用汽车在运行过程中,由于各种原因都可能引起火灾,而易燃性的汽车内饰物往往会加重火灾的程度。因此,材料的阻燃性能也包括在汽车的安全性能内,国家颁布了GB8410-2006《汽车内饰材料的燃烧特性》。内饰中座椅是与人体直接接触的零部件,其强度及要求关乎到人的生命安全,相应法规有GB 15083-2006《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》和GB 14166-2003《机动车成年乘员用安全带和约束系统》。安全可靠性将是汽车内饰发展永恒不变的设计前提。

汽车材料的发展趋势将秉承绿色环保化的理念、节能轻量化的精神、以提升驾乘者感官品质和安全可靠性为先的原则而不断技术进步。内饰的材料选择也将向绿色环保化、节能轻量化、感官品质化和安全可靠性的方向发展。

推进汽车减重,实现节能减排,推动汽车行业实现可持续发展的突破性解决方案。

3.新材料在智能网联汽车中的应用—智能座舱

 

汽车座舱逐渐实现从“工具”向人类“智能助手”身份演进,形成以用户思维主导的智能座舱路线。创新的开发设计、导电、透光材料、塑电结合工艺是智能座舱实现的关键。

HUD(平行显示系统)能有效改善驾驶员行车过程视野偏离路面的情况以提升安全性,将导航、ADAS信息与周围环境实现融合,提升驾驶体验。

按产品形态可分为C-HUD(集成型抬头显示器)和W-HUD(挡风玻璃型抬头显示器)。相比于C-HUD,WH-UD直接将图像投影至前挡风玻璃,不影响车内的内饰风格,但设计和布置不够灵活,目前前装HUD配置均为W-HUD。AR-HUD(现实增强型抬头显示器)是W-HUD技术的延生,将图像与前方环境融合,立体感更强。

未来产品类型主要为W-HUD和AR-HUD。据大陆集团抬头显示器市场发展预测数据显示,预计在2025年全球HUD装机量达到1500万台,产品以W-HUD为主,2030年接近3500万台,AR-HUD份额将迅速增长。

传统HUD光路采用多级发射技术(一般为两级),因为结构原因,为了追求更广的FOV角度,第二级非球面反射镜需要很大,导致整体HUD的体积很大,特别是AR-HUD,体积甚至可达15L。此外,HUD成像位置为前挡风玻璃,挡风玻璃为自由曲面,为了形成不失真的图像,一方面需要对挡风玻璃进行适当优化设计,另一方面要求HUD中的光学部分发出非常精确的图像。

因此,在制造大镜片的过程中对容差的要求非常严格,大陆集团HUD非球面反射镜采用塑料注塑成形方法生产,整个表面的容差在 5 微米 (0.005 mm) 以下,需要使用十万级或万级无尘室车间。

为了更广的FOV,需要更大的非球面反射镜,越大则容差越难控制,成本越高。复杂而精密光学元件的加入也让装配成本比较高。

机械方面,HUD产品要满足车规级的要求,此外受制于光路设计,光学零部件体积较大,在实际装车时还需兼顾空间布置。因此在实际搭载中多应用于外资品牌,自主品牌受制于成本因素,应用较慢。

3.1未来AR-HUD发展方向-低成本及光波导技术

反射式的AR-HUD有基于DLP技术和基于TFT技术两类。从产品性能上来说,DLP技术的AR-HUD虚像尺寸可达12°× 5°,投影距离超过10m,路面覆盖范围可达100m, 满足车辆在高速环境中使用,其性能远远超过TFT式AR-HUD。但DLP式AR-HUD体积超过15L,远高于TFT式技术的7-8L,因此实际应用难度较高,当前还是以TFT式AR-HUD技术为主。

针对更高性能AR-HUD技术,业内开始研究全息光波导技术。相比于反射式HUD技术,光波导技术只需增加光机投影表面积,大幅减少立体体积。全息光波导技术源于AR眼睛领域。目前在研究的AR-HUD光波导技术有几何光波导和衍射光波导,其中衍射光波导又有利用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导(Surface Relief Grating)和基于全息干涉技术制造的全息体光栅波导VHG(Volumetric Holographic Grating)或HOE(Holographic optical element)。

表面浮雕光栅波导代表有Waveoptics,与国内水晶光电有合作,同时歌尔入股承担产品化工作,该技术主要用在AR眼镜领域,目前逐步在往车载领域过渡。全息干涉技术制造的全息体光栅波导代表企业有Digilens、Sony和Akonia(苹果收购)。在工业应用领域Digilens较为领先,已经通过了美国联邦航空管理局的认证,在巴西航空工业的Legacy450和500以及宝马摩托车上实现商用。

3.2智能人机界面材料—3D曲面屏在汽车上的应用

在汽车智能化发展方面,功能越来越多,汽车已经从过去的单纯交通工具,已经慢慢演变成移动的信息接收与旅途娱乐为一体的智能化载体。而这种智能化载体的人机交互功能,就需要触控显示屏来实现,在AI时代,3D触控显示屏则是当仁不让的不二之选。

汽车车载屏幕应用上,主要有仪表盘屏幕、中控台屏幕以及后座供旅途时娱乐的多媒体终端。针对这些屏幕,汽车厂商考虑更多的是安全性与便利性,而在这两方面,3D曲面屏有独到的优势,如反光少,空间占比小,更美观等。目前,中高端品牌的汽车已经开始大规模应用到其量产车型上。如2018年博世(BOSCH)推广出的首个可用于汽车仪表的曲面屏,除了具备高清晰度和对比度,即使在阳光下,也比普通的显示屏反光少4倍以上。在空间占比上,占用空间比普通的非曲面屏幕相比,减少了2cm。

3D显示屏是车辆驾驶舱的最新发展趋势。在电影屏幕上,打造3D效果主要是为了增强电影的娱乐性。但在车辆中,其意味完全不同。“显示屏的立体视图效果能帮助驾驶员更快抓取重要的视觉信息,包括辅助系统提示及交通堵塞提醒等,”博世汽车多媒体事业部全球总裁Steffen Berns博士表示,“我们让车辆提醒看上去仿佛要跃出屏幕,这样将更直观,也显得更为迫切。”此外,停车时更加逼真的后视图像有利于及时检测障碍物,辅助驾驶员更好地把握后保险杠到停车场墙面之间的剩余空间。在建筑密集的城市街区中,这种3D效果也发挥着决定性作用,因为拥有立体视图效果的地图能让驾驶员清晰掌握应在哪一幢建筑转弯。同时,博世新款显示屏搭载的被动式3D技术,无需驾驶员和乘客佩戴3D眼镜或使用视觉追踪技术。

眼睛负责人类90%的感官知觉。仅能简单显示信息的车载显示屏已经过时,而深化用户与显示屏之间的交互性将成为未来发展方向。显示屏产品线覆盖了各种形态 ——从小屏到大屏,从平面屏到曲面屏,甚至包括圆形或带有棱角的一些特殊形态。未来,人机交互系统(HMI)对于汽车与其驾驶员之间的互动将起到关键作用,尤其是当驾驶员采用自动驾驶系统运行车辆时。

车载显示屏必须遵守严格的安全标准,尤其是在温度变化及振动条件下,安全标准应远远高于其它消费电子产品。在汽车的整个使用寿命中,无论是零下40摄氏度还是零上120摄氏度,车载显示屏都必须能够正常运作。即使发生局部故障,驾驶员也可以依靠获取到的必要信息进行安全驾驶。这也对车载显示屏材料提出更为严格的要求。

3.3自动驾驶人机交互

在汽车人机交互方式变革的前夕,业界普遍认为集成了数字液晶仪表、HUD、中控娱乐和后座娱乐的多屏驾驶舱将重新定义人机交互,逐渐成为人机交互的体验核心。伴随着人工智能、高级辅助驾驶(ADAS)、自动驾驶等新技术的渗透,智能驾驶舱将提供更加简洁和高效的人机交互方式,这将成为汽车驾驶舱下一个颠覆式的创新点。

智能驾驶舱有望成为汽车未来“第二大脑”。根据英伟达预测,未来汽车主要由两大运算单元构成,分别是智能驾驶舱和无人驾驶。定义人机交互即全车娱乐部分的智能驾驶舱(cockpit)在汽车未来发展必不可少,有望成为 ADAS 技术和无人驾驶汽车的标配。数据量的暴增使得传统机械仪表难以应对,无法实现有效的人车交互。液晶仪表的信息承载量级大,加上组合显示的多样化,将成为行车数据爆炸时代的最佳选择。

4.智能网联汽车新材料技术未来研究方向

 

低碳化、信息化、智能化,是全球汽车技术发展方向。塑料作为现代汽车重要材料之一,将对包括轻量化在内的多个技术领域做出更加重要的贡献。基于此,车用塑料技术未来三大趋势值得关注。

4.1新能源汽车新规划为行业注入强心剂

新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)指出,到2025年,纯电动乘用车新车平均电耗降至12.0千瓦时/百公里,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右,高度自动驾驶汽车实现限定区域和特定场景商业化应用。到2035年,纯电动汽车成为新销售车辆的主流。

新能源汽车产业生态正由零部件、整车研发生产及营销服务企业之间的“链式关系”,逐步演变成汽车、能源、交通、信息通信等多领域多主体参与的“网状生态”。随着新能源汽车产业进入叠加交汇、融合发展新阶段,将为汽车产业链的上下游企业带来更多发展机遇,同时也对车用塑料解决方案、成型工艺提出更多挑战。

汽车与能源、交通、信息通信等领域加速融合,以“电动化、网联化、智能化”推动新能源汽车产业高质量、可持续发展是必然趋势。这一趋势要求提升造车的基础技术,如突破车规级芯片、车载操作系统、新型电子电气架构、高效高密度驱动电机系统等关键技术和产品;攻克氢能源储运、加氢站、车载储氢等氢燃料电池汽车应用支撑技术;开展高性能铝镁合金、纤维增强复合材料等车辆轻量化材料产业化应用。

对金属材料来说,可视化、彩色化是大趋势。如电池箱体及可视盖以提高系统能量密度,无强度要求的可视壳体(如控制器、变换器、配电盒等)以及可视低压储气筒、真空罐、储液罐以及具有挑战性的碳纤维座椅骨架、仪表台、传动轴、副车架等。

由于新能源汽车采用不同于传统燃油车的动力驱动方式,对整车及三电周边应用提出新的材料需求。如整车控制器要求材料需满足低翘曲、尺寸稳定性、优异的机械性能及耐高温、耐高低温循环和与金属相容性好等性能指标。电池控制器还要求材料必须抗跌落。电池接线盒、电控连接器和储能箱转接线束则要求材料需要满足阻燃性能、优异的力学性能、优异的电气 CTI≥600V、高耐热、高流动性及颜色稳定性等。动力电池出于高安全性考虑,对材料的要求更为苛刻,要求材料需满足UL94-V0阻燃、优异的加工性能、低翘曲、90℃高温老化试验、85℃/85%湿热试验以及耐化学品(酸、碱、海水等)、力学性能(整机跌落测试)和高低温冲击测试(-40~85 ℃ )等。特别新能源动力系统电池包冷却系统的工作环境是一次非常大的变革,对材料也是一次非常大的变革,它要求材料的工作温度80-110℃,系统压力约3bar,期望生命为10000小时,并且能够满足冷却液介质变化和关注水汽阻隔。

4.2降本增效求生存

对于汽车企业来说,“降本增效求生存”已不仅是一句口号,而是借助信息技术、创新成型工艺以及材料科学,来实现降本增效稳发展。

在汽车外饰件注塑生产中灵活应用信息系统可实现成本及效率改进。如采用商务智能系统(Business Intelligence)对成本进行改进,用MI系统对注塑效率进行提升,用问题管理系统(EQMS)对质量进行改进,PMS进行交付改进等。其中PMS可自动抓取库存、自动获取涂装上件需求;按照设定优先级推荐排产方案;对共用换模台等约束进行校验以及输出注塑生产计划单等。其中,北汽通过造型创意设计,在传统的免喷涂零部件上增加造型设计,在成本控制的前提下,大大提升零部件表面感知质量。针对新能源产品,相对产量不是很高,若采用包覆代替搪塑,可提高产品品质感,同时成本可控。

创新成型工艺组合可助力汽车制造降本增效。如汽车保险杠自动化集成方案,搭载包括UN3200DP两板式注塑机,集成自动换模台、磁力模板、机器人自动化系统(包含水口剪切、火焰处理、称重、打码功能、输送线)以及MES联网系统,实现换模自动、无人化、信息化全自动生产。自动换模动作3分钟内完成,配水、油、电、气自动快插并通过RFID读取生产参数约5分钟实现生产。又如微发泡工艺则可降低成品的重量10-25% ,减少成品的翘曲变形、可减少模具尺寸反复修改,从而降低模具设计和制造成本。此外,它还可降低锁模力30-50%,可以使用更低吨位注塑机,减少设备投资成本,或可做多模腔数,减少成型时间15-30%,增加生产效能,降低生产成本。

热塑性动态硫化橡胶(TPV)、聚烯烃弹性体助力汽车轻量化发展。TPV由于轻量化、良好的耐低/高温性、优良的回弹性、优良的耐候性能、可多次重复加工及耐溶剂和油品性等特征,多用于发动机盖板密封条、内水切、外水切、泥槽、三角盖板包边、车顶饰条、后风挡饰条、门框饰条、前风档饰条、前三角窗包边和侧围饰条等。未来TPV将朝着超低压变TPV、生物基TPV、智能挤出TPV、自发泡TPV和自修复TPV的趋势发展。同时,聚烯烃弹性体主要用于汽车门板、隔音降噪垫、车门槛板、前后保险杠、尾门板、气囊盖、仪表板、表皮、立柱和扰流板等,通过优化弹性体熔指数制备高流动TPO材料,实现产品薄壁化、更低密度和发泡功能,以取代金属部件,实现减重。

4.3内外饰创新,打造更舒适、更科幻驾驶体验

根据新思界产业研究中心发布的《2020-2024年中国汽车内外饰市场可行性研究报告》,2019年,全球内外饰件行业规模超过6480亿元(人民币,下同),其中内饰市场规模约4100亿元,外饰市场规模约2380亿元。中国内外饰行业规模超过2350亿元,占全球汽车内外饰市场的比例超过35%。汽车内外饰整体行业规模巨大,其发展空间十分广阔。

在内饰新高尚设计风格与材料应用方面,中国一汽红旗运用了全新语言——以“尚·致·意”为核心理念,畅情表达、充分演绎“中国式新高尚精致主义”。如红旗E-HS9中控台采用了全液晶仪表与中控显示屏组成的一体式贯穿大屏,中控台下方还配备了一块液晶屏。同时,中控台。搭载18向电动调节座椅,支持加热、通风、按摩(后排)、无线充电等功能。此外,还搭载增强版抬头显示系统(AR-HUD),全彩可视距离覆盖30m,投影画面达到44英寸,将导航和智能驾驶信息集成可视;搭载记忆式泊车、流媒体后视镜、遥控泊车、面部识别、情绪分析等,配备了L3级自动驾驶和转向系统。

随着消费者对健康问题的重视,抗菌技术在汽车内饰如座椅、地板、门板、仪表板和空调系统的应用需求增长。2021年中国汽车行业的抗菌市场规模约2790万美元,抗菌技术可让汽车内饰易于保持清洁,减少异味和污渍,延长产品寿命。

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