李守仁/ 健行科技大學;白立文/ 工研院材化所
2014年全球汽車年產量為8,000萬輛,持續使用中的車輛數已超過10億輛。根據日本能源經濟研究所估計,至2035年時,持續使用中的車輛數將進一步擴增至19億輛,成長近一倍,而至2050年時,預估將達到23億輛的規模。如何減少汽車溫室氣體之排放已成為人類減緩全球氣候變遷的重點工作。理論上,電動化看似是未來汽車發展之必然趨勢,然而在現實的汽車演化中,環保法規對於汽車的要求也僅僅是汽車演化的催化劑。隨著環境規範逐漸嚴苛,人類由燃油的引擎車迂迴朝向電動車邁進,在合乎環保法規的基本規範下,市場接受度仍然是決定汽車進化方向的最重要關鍵。
在優先贏得市場接受度與符合法規的基本要求下,現今汽車市場呈現出燃油與電動兼容並蓄的多元化發展。引擎效率一直是各車廠技術競逐的重點,然而即使改採電動馬達,其所附帶增加的電池重量免不了抵消其對符合法規的助益,因此,無論是燃油引擎車或是油電混合車,在達到溫室氣體---二氧化碳減量目標的行動中,車體之實質輕量化是無法迴避的下一步。
根據比利時根特大學永續發展研究中心的研究顯示,轎車的重量在最近十多年增長了30%。在1990年的時候,一輛轎車的平均重量為990公斤;到了2004年,汽車的平均重量已經提高到1,283公斤,突破了1,000公斤大關。此外,國際汽車工業組織(Organisation International des Constructeurs d’Automobiles;OICA)2012年的統計資料也顯示(圖一),汽車重量在2009年時達到最高點,之後逐年呈現下降。
圖一、歷年汽車平均重量及未來預測
汽車重量與燃料里程數息息相關,為了達成日趨嚴格的環境規範,歐盟訂出燃油車每公里二氧化碳排放量至2020年要降到95g CO2/km的目標,而美國的目標為105g CO2/km;中國的目標為107g CO2/km(圖二),欲達此目標,車輛輕量化是最直接有效的方法。
圖二、各國燃油車減量目標(每公里二氧化碳排放量)
選擇汽車結構材料時需綜合考量材料之性能、生產性、安全性與成本等因素。現今汽車的結構材料仍以鋼鐵為主,然而鋁合金、鎂合金、複合材料等輕量化材料的使用比例預期將逐漸攀高。國際汽車工業組織回顧汽車材料演化歷程顯示,至2007年為止,鋼鐵材料仍居壓倒性的多數(圖三),然而根據美國能源部(DOC)的預測,2015年後局勢丕變,鋁合金雖仍徐徐上攻,然鎂合金、碳纖維強化塑膠等將嶄露頭角,大放異彩(圖四)。除了單一材料的高性能化、低成本化之外,不同材料的最適組合:異種材料間的接合、相同材料之不同性質的多層化、不同材料三明治結構的複合化,也將是未來技術的發展重點。多種主要汽車材料之輕量化試算如表一所示。由表中之試算過程可看出---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。