我們認(rèn)為輕量化將伴隨著汽車的電動化、智能化,成為未來十年新能源汽車發(fā)展的重點(diǎn)。

《中國制造2025》中提出:“繼續(xù)支持電動汽車童擎、燃料電池汽車發(fā)展,掌握汽車低碳化、信息化攻晒、智能化核心技術(shù),提升動力電池顾复、驅(qū)動電機(jī)、高效內(nèi)燃機(jī)鲁捏、先進(jìn)變速器芯砸、輕量化材料、智能控制等核心技術(shù)的工程化和產(chǎn)業(yè)化能力,形成從關(guān)鍵零部件到整車的完整工業(yè)體系和創(chuàng)新體系,推動自主品牌節(jié)能與新能源汽車同國際先進(jìn)水平接軌碴萧。我們認(rèn)為輕量化將伴隨著汽車的電動化乙嘀、智能化,成為未來十年新能源汽車發(fā)展的重點(diǎn)末购。

1勤消、新能源汽車輕量化的必要性

汽車的行駛阻力與車重成正比,車重增加,會使汽車的油耗大部分消耗在自重上,在100公里時速以下,重量因素決定80%的油耗;時速100公里以上,風(fēng)阻就成為油耗的主要因素。國際鋁業(yè)協(xié)會報告指出,汽車自重每減少10%,燃油消耗可降低6%～8%壕俱。因此,輕量化是節(jié)油的重要途徑源糖。

電動汽車由于特殊的電池驅(qū)動結(jié)構(gòu),相比傳統(tǒng)汽車,由于受電池重量及續(xù)航里程因素的影響,對車重更加敏感。新能源汽車電池的重量增加了數(shù)百公斤,需要針對車身的耐久性能做特殊設(shè)計;同時使用了額外的高壓電,對其安全性要求更高,包括整車的密封障浅、車身的結(jié)構(gòu)师晨、更苛刻的防水要求等。所有這些要求都對新能源汽車的輕量化開發(fā)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

目前,能夠使用的動力電池的單位比能量與傳統(tǒng)汽車使用液體燃料的單位比能量差距巨大,動力電池系統(tǒng)通常占整車總質(zhì)量的30%-40%研神。這就決定了電動汽車在與傳統(tǒng)汽車同等排放量的單位能耗(電耗量/100 km)下,不能像傳統(tǒng)汽車那樣靠一次補(bǔ)充能量來實(shí)現(xiàn)長距離的行駛惩凉。因此,電動汽車必須在電氣化的同時采取比傳統(tǒng)意義上的輕量化技術(shù)更先進(jìn)的方法和措施。

尤其在混合動力汽車領(lǐng)域,由于混合動力汽車的多樣性和特殊性,使得整車結(jié)構(gòu)設(shè)計和總布置存在很多困難,而且對整車質(zhì)量的要求較傳統(tǒng)汽車大大提高纫益。為解決上述問題,結(jié)合混合動力汽車整車布置的具體情況,從汽車材料恒襟、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面對混合動力汽車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析和設(shè)計,是實(shí)現(xiàn)混合動力汽車輕量化的關(guān)鍵。 輕量化對新能源汽車是艱巨的任務(wù),只有輕量化才能減少昂貴的電池重量,降低整車成本,從而接近市場需求揍忍。

另外,國家對新能源汽車的補(bǔ)貼也與單位載質(zhì)量能量消耗量(Ekg)掛勾,輕量化是Ekg降低的重要手段,因此從車企角度,整車輕量化也是產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的方向弯疾。

2、新能源汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)路徑

汽車輕量化技術(shù)方法有很多,是一個系統(tǒng)工程逃糟。新能源汽車的輕量化應(yīng)從以下兩個重點(diǎn)方向開展工作:一是實(shí)現(xiàn)整車30%-40%以上的輕量化——抵消動力系統(tǒng)凈增加的質(zhì)量(適應(yīng)現(xiàn)有可用的比能量較低的商品化能源);二是實(shí)現(xiàn)動力能源的輕量化——提高現(xiàn)有新能源的比能量或開發(fā)新的動力電源吼鱼。只有這樣,才能有效解決新能源汽車自身重量大、續(xù)駛里程短的問題绰咽。

電動汽車輕量化不僅是車身的輕量化,還包含傳動設(shè)備菇肃、電池等。例如增加單位體積的電池容量以實(shí)現(xiàn)輕量化,目前對這一技術(shù)已能工程化剃诅。通過電池的重新排列布置也是提高系統(tǒng)能量密度的有效手段之一巷送。例如通過對電芯尺寸的研究設(shè)計,與整車布置相匹配,更高效放置更多的電池,從而使電池箱體積不變,增加電芯數(shù)量,實(shí)現(xiàn)更長的續(xù)駛里程。

就整車制造而言,輕量化技術(shù)可以分為三個主要方面:材料矛辕、結(jié)構(gòu)設(shè)計笑跛、制造工藝。

首先是應(yīng)用高強(qiáng)度和輕質(zhì)材料,比如高強(qiáng)度鋼材聊品、超高強(qiáng)度鋼板飞蹂、鋁合金、鎂合金翻屈、工程塑料及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等陈哑。 其次是結(jié)構(gòu)的輕量化優(yōu)化設(shè)計,利用結(jié)構(gòu)解析和CAD、CAE等技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,以減少無用材料奋肄、減輕壁厚轿南、減少零部件數(shù)量等。

第三是采用先進(jìn)的制造工藝技術(shù),如激光拼焊逃口、輥壓成形耀即、高強(qiáng)度鋼熱成形、內(nèi)高壓成形等先進(jìn)制造技術(shù),結(jié)構(gòu)膠粘接和異種材料鉚接等先進(jìn)連接技術(shù)编苛。

其中,采用輕質(zhì)材料是當(dāng)前輕量化主流藻着。

1)輕量化材料 輕量化材料指的是低密度、高強(qiáng)度,在整車上應(yīng)用后可提升單位面積承載質(zhì)量的材料,最常用的如高強(qiáng)鋼娜摇、輕質(zhì)合金(鋁合金猩僧、鎂合金等)、非金屬材料等。

高強(qiáng)度鋼:我國普通高強(qiáng)度鋼發(fā)展迅猛,車身使用比例接近50%,預(yù)計未來可以達(dá)到60-65%纲析。超高強(qiáng)度和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼材大幅落后,目前使用比例只有5%,預(yù)計未來將有3倍提升空間猩刁。綜合來看,我國汽車HSS級以上鋼材比例將從55%提升到70%以上,估計單車需求量增加30%左右。按照2015年33萬輛新能源汽車銷量,高強(qiáng)度鋼消耗近16.5萬噸农浓。我們預(yù)計到2020年新能源汽車銷量可達(dá)150萬輛,高強(qiáng)度鋼需求為75萬噸,是當(dāng)前規(guī)模的五倍逝淹。

鋁合金:鋁合金減重效果顯著優(yōu)于鋼鐵。汽車使用1 kg鋁可替代自重2.25 kg鋼材,減重比例高達(dá)125%,整個使用壽命周期內(nèi)可減少廢氣排放20 kg桶唐。以鋁代鋼的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)二次減重,效果可達(dá)直接減重的50%-100%栅葡。國產(chǎn)汽車用鋁迎來戰(zhàn)略機(jī)遇期。2014年中國汽車平均每輛用鋁不到110kg,遠(yuǎn)低于北美的158kg/輛和歐洲的145kg/輛尤泽。預(yù)計未來五年CAGR高達(dá)10%,到2020年可以達(dá)到170kg/輛,單車使用量提升50%左右,車用鋁材迎來快速成長的窗口期欣簇。

鎂合金:鎂是地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一,蘊(yùn)藏量豐富,在宇宙中含量第八,在地殼中含量豐度2%。含鎂礦物主要來自白云巖坯约、菱鎂礦熊咽、水鎂礦和橄欖石等。海水闹丐、天然鹽湖水也是含鎂豐富的資源横殴。中國是世界上鎂資源最為豐富的國家,鎂資源礦石類型全,分布廣,儲量產(chǎn)量均居世界第一。密度小,比鋁輕三分之一,其比強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度與密度之比值)較鋁合金高,疲勞極限高,能比鋁合金承受較大的沖擊載荷,導(dǎo)熱性好,鑄造性好;尺寸穩(wěn)定性好,易于回收,有良好的切削加工性,有較好的減振性能,在諸多方面比工程塑料優(yōu)越,可替代工程塑料,在煤油卿拴、汽油衫仑、礦物油和堿類中的耐耐蝕性較高等。將是未來發(fā)展前景極為廣泛的金屬類材料堕花。

玻纖復(fù)材:目前汽車廠商節(jié)能降耗壓力大,汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗重要途徑,玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料是汽車輕量化主流材料满戒。玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料在性能、成本上優(yōu)于普通塑料和鋁合金等材料稳荒。一方面玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料相比普通塑料的耐熱性蕴黎、抗沖擊等指標(biāo)領(lǐng)先,另一方面玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料較鋁合金等在成本上優(yōu)勢突出。目前我國玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料市場主要以化工類企業(yè)為主,單一客戶需求量有限,企業(yè)需要具備技術(shù)+銷售結(jié)合的能力開拓新市場很防。目前總體來看大型企業(yè)偏少,集中度不高阱剂。

工程塑料:工程塑料具有突出的成型性、輕量化以及面對強(qiáng)烈撞擊時能夠緩沖吸能,已成為一個衡量一個國家汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)志凿。據(jù)統(tǒng)計,發(fā)達(dá)國家汽車的單車塑料平均使用量為120千克,占汽車總重量的12%-20%,而這個比例還將持續(xù)升高,預(yù)計到2020年,發(fā)達(dá)國家汽車平均用塑料量將達(dá)到500千克/輛以上乘害。然而塑料剛度低、易老化,未來在車身大量運(yùn)用仍面臨不少安全隱患罗和。

碳纖維:碳纖維力學(xué)性能優(yōu)異,密度不到鋼的1/4,抗拉強(qiáng)度卻是鋼的7-9倍,是唯一一種在2000℃以上的高溫惰性環(huán)境中強(qiáng)度不下降的物質(zhì)神深。寶馬在i3和i8量產(chǎn)車上的大規(guī)模運(yùn)用更是將碳纖維造車風(fēng)潮推向頂峰核狰。然而碳纖維也是一種脆性材料,一旦受力過大就會直接斷裂,損壞后基本無法修復(fù),而高昂的制造成本和回收費(fèi)用更使得當(dāng)前碳纖維的應(yīng)用主要還局限于高端跑車功哮、越野車和運(yùn)動賽車上。

在新能源汽車領(lǐng)域,將以碳纖維復(fù)合材料為重點(diǎn)突破口,從基礎(chǔ)研究和數(shù)據(jù)積累做起,從少量選裝套件做起,逐步向車身覆蓋件、結(jié)構(gòu)件援奢、功能鍵延伸兼犯。

在新能源汽車中,電池箱體材料的輕量化也成為近年來企業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的電池箱體采用鋼板集漾、鋁合金等材料鑄造,然后對表面進(jìn)行噴涂處理切黔。而碳纖維具有較高的比強(qiáng)度,碳纖維與環(huán)氧樹脂形成的復(fù)合材料密度僅為1.6kg/m3,是典型的高強(qiáng)度輕量化材料,并且其還具有優(yōu)良的耐蝕性和阻燃性,因而在性能方面是傳統(tǒng)金屬材質(zhì)電池箱體的理想替代品。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在現(xiàn)代汽車工業(yè)中,CAD/CAE/CAM等計算機(jī)一體化技術(shù)在汽車的設(shè)計過程中起著非常重要的作用具篇。利用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù),可以準(zhǔn)確地對新能源汽車的實(shí)體結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行設(shè)計,對各關(guān)鍵構(gòu)件板材厚度的變化進(jìn)行靈活分析,并可從數(shù)據(jù)庫中提取由系統(tǒng)直接生成的有關(guān)該車的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行工程分析及剛度纬霞、強(qiáng)度計算,實(shí)現(xiàn)對汽車零部件的精簡、整體化和輕質(zhì)化驱显。同時,通過開發(fā)新能源汽車車身诗芜、底盤、動力傳動系統(tǒng)等大型零部件整體加工技術(shù)及相關(guān)的模塊化設(shè)計埃疫、制造技術(shù),使新能源汽車從制造到使用各個環(huán)節(jié)都真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能伏恐、環(huán)保。通過結(jié)合參數(shù)反演技術(shù)栓霜、多目標(biāo)全局優(yōu)化等現(xiàn)代車身設(shè)計方法,研究汽車輕量化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù),包括多種輕量化材料的匹配翠桦、零部件的優(yōu)化分塊等。從結(jié)構(gòu)上減少零部件數(shù)量,確保在汽車整車性能不變的前提下達(dá)到減輕自重的目的胳蛮。

車身輕量化不是單純的一味減輕質(zhì)量,車身在輕量化過程中需要考慮很多方面,整車結(jié)構(gòu)的安全性便是其中最重要的一點(diǎn)争萎。由于目前國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一制定新能源汽車的安全碰撞標(biāo)準(zhǔn)及其他安全指標(biāo),汽車生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行輕量化的過程中需要運(yùn)用仿真軟件ANSYS、CATIA迄岸、UG進(jìn)行仿真設(shè)計,對輕量化設(shè)計后的車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度媒敲、材料疲勞性及安全碰撞等分析,從而提高新能源汽車的可靠性和安全性。

隨著并行工程种功、計算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代工程技術(shù)的快速發(fā)展及其在汽車車身設(shè)計分析中的廣泛應(yīng)用,新能源汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的發(fā)展呈現(xiàn)出以下特點(diǎn):①結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析并行;②優(yōu)化思想在設(shè)計的各個階段均被運(yùn)用;③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)得以采用,并部分用于代替實(shí)物實(shí)驗(yàn);④車身概念設(shè)計成為車身設(shè)計的一個重要階段;⑤有限元法得到廣泛應(yīng)用透鹊。

3)制造工藝

在完成車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和選用輕量化材料之后,激光拼焊技術(shù)、熱壓成型技術(shù)等先進(jìn)的加工制造工藝成為了是新能源汽車輕量化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素,直接決定汽車輕量化應(yīng)用的結(jié)果是否成功共吞。

人們對新能源汽車的需求趨向于安全性更強(qiáng)召期、質(zhì)量更輕且燃料利用效率更高等方面,先進(jìn)高強(qiáng)度鋼材、工程塑料及輕質(zhì)金屬等多種材料成為新能源汽車的重要車體結(jié)構(gòu)材料铡急。如果將上述材料單獨(dú)使用,就會給最大限度減輕車體質(zhì)量的潛能帶來限制编漆。通過粘接、鉚接径露、翻邊搭接跌蛔、釬焊、螺紋連接等多種連接技術(shù),巧妙地將上述多種減輕車體質(zhì)量的材料結(jié)合在一起,能夠克服安全性差摹菠、質(zhì)量難以減輕和加工成本高等難題,從而為新能源汽車提供一種多材料優(yōu)化組合的輕量化車身結(jié)構(gòu)盒卸。

另外,新能源汽車制造中開始研究熱沖壓成形技術(shù)骗爆。熱沖壓成形技術(shù)是一個塑性變形和材料組織變化同時產(chǎn)生的工藝,因此塑性加工技術(shù)人員和材料開發(fā)技術(shù)人員必須比以往的冷加工成形研究更加密切協(xié)作。加熱冷卻技術(shù)必須結(jié)合新能源車身和底盤零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行深入研究,以便可以實(shí)現(xiàn)零部件不同部位到達(dá)預(yù)期強(qiáng)度的要求蔽介。

3摘投、新能源汽車輕量化前景 雖然輕量化材料的確能降低汽車的整體重量和碳排放量,但也大大增加了汽車的成本,目前新能源汽車輕量化的成本還沒有具體量化的數(shù)據(jù)。車企及動力電池企業(yè)在輕量化方面更多的是在現(xiàn)有材料體系上減少用量,在設(shè)計與造型上作些改造,從而降低車重虹蓄。輕量化材料應(yīng)用方面國內(nèi)還處于研發(fā)階段,現(xiàn)有車型均沒有批量化應(yīng)用新型材料犀呼。新材料從實(shí)驗(yàn)到量產(chǎn)周期長,且研發(fā)成本高,企業(yè)還沒有大規(guī)模地進(jìn)行研發(fā)。目前主要是國外車企進(jìn)行研發(fā),國內(nèi)大型車企也有相關(guān)技術(shù)儲備,小企業(yè)處于跟風(fēng)狀態(tài)薇组。

隨著新能源汽車產(chǎn)品的成熟,產(chǎn)銷量逐漸增多,成本也會隨之下降,市場競爭將會圍繞產(chǎn)品性能與品牌等方面展開,新能源汽車將直接與傳統(tǒng)汽車競爭外臂。隨著消費(fèi)者對汽車要求的提升,輕量化的需求也會越來越高,現(xiàn)在工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計已不能滿足整車對輕量化的要求,新材料的應(yīng)用將會成為普遍現(xiàn)象。

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