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电动汽车轻量化的“诗与远方”

10/05 11:49
财经网
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轻量化技术是横跨汽车变革发展的一项基础性技术。目前已经成为国内各新能源车企的竞争新热点。

汽车的轻量化,是指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。在新能源领域,车身及电池的轻量化,能够有效提升新能源汽车的续航里程及能量利用率。

相关研究表明,新能源汽车每减少100Kg重量,续航里程可提升10%-11%。还可以减少20%的电池成本以及20%的日常损耗成本。

高工电动车(微信号:weixin-gg-ev)获悉,从国际上来看,包括宝马i3、特斯拉Model3等车企的产品都已经开始实现了轻量化材料的规模化应用,而在国内,包括奇瑞、北汽、新特、领途等一大批自主品牌和新势力车企都在轻量化之路上进行了一系列的积极探索。

尽管前景光明,但要实现真正的轻量化,道路依然曲折,高工产业研究院(GGII)分析认为,汽车轻量化要面临标准建立、技术路线选择、成本降低等一系列问题,这需要车企、供应商、政府等多个环节共同来推动协作完成。

车企可以从哪些途径实现轻量化?轻量化材料市场又呈现什么特点?目前国内新能源企业在轻量化方面有哪些应用及布局?针对上述问题,高工电动车进行了系统的梳理与调研。

未来新能源汽车用材趋势

目前从车身材料来看,钢铁约占整车重量的65%-70%,有色金属占据10%-15%、非金属材料占据20%。

“在未来10-15年之间,汽车的各类材料和用量将会平分秋色,普通钢、高强钢、聚合物、铝合金、镁合金都会达到20%的应用,这是汽车材料工业的大革命。” 北汽股份研究院副院长、总工程师曹渡在一次轻量化高峰论坛上这么指出。

据了解,这份数据预测来源于一份德国政府委托德国工程师协会做的汽车轻量化盘点报告,其中显示,铝合金应用以及复合材料的应用在2025年将大幅增加,到2035年各类材料将平分秋色。

而我国也对汽车的轻量化材料已经给出了详细的发展要求与规划(如下):

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事实上,铝合金和镁合金是目前汽车轻量化最优的选择。据预测,铝合金作为最常见的汽车轻量化材料,在汽车中用量可达540kg,能使汽车减重40%,被广泛运用于车身等结构件。其中奥迪等车企已见全铝车身付诸现实;蔚来也将在今年12月分推出国内第一辆完全自主全铝车身7座大SUV纯电动ES。

再以新能源汽车的动力电池托盘为例,以前多采用钢材制造动力电池托盘,如今多以铝合金型材为主。铝合金型材的密度为2.7g/cm,无论在紧缩还是焊接等方面,铝合金材质优势明显。而镁合金的密度为1.8g/cm,碳纤维是1.5g/cm,用这些材料制造电池托盘可实现大幅减重。

“镁或镁合金在不可视的部分结构件,如转向支撑、座椅骨架等方面也会有所应用;在变速器外壳、车身结构等方面逐步将在高端车上使用。新能源车身也将加大碳纤维材料的应用,会首先应用于车身、覆盖加强件及刚性结构件(如堞形梁)等方面。”曹渡表示。

此外,在钢材的应用上,有专业人士预测,到2025年,钢材在汽车中的应用比例会达到在50%以上,但同样行业人士预测,将来汽车用材增量上非金属将会占到很大部分。

一汽高工田洪福在一次轻量化论坛上曾表示,“除了有色金属要替代一些钢铁,剩下一部分就是重点非金属。”但他同时也指出,现在有很多好的轻量化技术应用并不快,也没有普及,最大原因还是由于成本,再好的技术如果成本太高,也会影响整个产品。

目前新能源汽车动力电池外壳用材种类众多,既有钢、铁、铝合金等金属材料也有塑料、碳纤维等非金属材料。田洪福指出,这一块现在并没有完全成熟,但未来这部分以及充电桩、插座等都是新能源汽车重要的零部件,而且用量会非常大,非金属材料在这个领域具有非常好的应用优势。

除了电池外,非金属材料在电机上也有广泛的应用,比如聚苯硫醚具有强度高、耐高温、高阻燃、耐腐蚀的性能,可以代替部分金属来制造新能源车关键的零部件。

什么才是真正的轻量化?

那么如何在实现轻量化的同时保证车身强度,以符合严苛的车辆碰撞测试和安全的要求?这成为主机厂考虑的重中之重。

通常,大家认为实现车身轻量化主要有三种途径:结构、材料和工艺。轻量化车身结构的优化设计是前提,高强度轻质材料的应用是手段,先进轻量化成形和连接技术是保障。

比如动力电池,可以用增加动力电池正极活性物质来提升动力电池能量密度,从而减轻电池重量;减少电池组配件重量;电池箱体以及结构件选用当下先进轻质材料,这三种方式实现轻量化。

比如,结构件比如支架、框架、端板等通过材料改进来减轻重量;导热垫片这样的小零部件上,替换成导热胶;等等。

对此,曹渡指出,“汽车轻量化现在仅仅停留在零部件减重低级的水平,这是不对的,太肤浅。”他认为,轻量化就是把最轻的材料以最少的成本用在最合适的地方。

他表示,对于做目标设计的技术人员而言,由此定义出发才能明确轻量化的具体内容,这通常包括了材料轻量化、结构优化、工艺轻量化,而大部分人都只是注意到轻量化的这点。

但实际上,按照轻量化的定义是不够的。模块化设计也是轻量化的一种,是符合轻量化定义的。还有装配轻量化设计,比如激光拼焊,把不同密度钢度聚集后做轻量化设计,都属于轻量化。

综合起来看,整车的轻量化是一发而动全身的正向设计,是各系统整体的减重而不是某个零部件的减重。

而当前,我国制定的轻量化技术路线仍然停滞在零部件轻量化技术路线的水平,并没有一个完整的轻量化技术路线来谈整车的轻量化。

轻量化材料及市场空间

目前,应用于新能源汽车的轻量化材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维等几种。

其中高强度钢在行业供应商方面,掌握第三代高强度钢技术的宝钢股份、抚顺特钢等钢企巨头将占据市场先机。我国是高强度钢应用最普遍的国家,车身使用比例接近50%,预计未来可高达60-65%。

铝合金,众所周知,铝代钢的结构设计优化可以实现二次减重,效果可直接减重50%-100%。随着汽车轻量化成趋势,近年来,车用铝合金项目多起来。

镁合金,镁密度小,甚至比铝轻 1/3,其比强度较铝合金高,导热性好;另外,镁合金具有尺寸稳定性好,易于回收等特点。预计在未来10年左右,镁应用在高端车上能突破100公斤/每辆,在普通车上面能够突破20公斤/每辆。目前各大汽车零部件制造商积极把握发展时机,纷纷投入到镁合金汽车压铸件的生产研发中来。

而在碳纤维方面,碳纤维力学性能优异,密度不到钢的1/4,抗拉强度却是钢的7-9倍。预计到2020年国内碳纤维的需求将25,000吨,年均增长速率约15.5%。国内目前的碳纤维供应商主要是中复神鹰、江苏恒神、威海拓展等。但产能都在5000吨级别以下,没有形成行业集中度,缺乏与国外巨头竞争的优势。

轻量化在我国需求充足,决定轻量化材料提升空间较大。但就现状来看,与国外企业相比,还存在不少差距。“我国材料品种、数量、性能与国外还有很大差距”,工业和信息化部原材料工业司副司长潘爱华指出。

汽车轻量化的拦路虎

即便存在这样的问题,新能源企业对此的探索一直在进行:

沃尔沃于2016年就宣布电动汽车、电池轻量化进入了实用化测试阶段;去年12月中旬,北汽新能源与世界的轻量化技术团队(胡芬巴赫院士团队)合资共建北汽新能源德累斯顿轻量化技术中心;

吉利集团则在铝合金、塑料运用和轻量化结构设计上已达到或接近欧美等汽车企业水平;奇瑞汽车也在大量应用轻量化材料和轻量化技术的结构优化,其车身骨架的四分之三材料皆应用了多种高强度钢;前途K50,采用了大量碳纤维、铝合金等轻量化材料。

长安汽车目前已经进入轻量化技术转化应用阶段,预计到2020年主力车型平均减重50kg;领途将推出的AOO级小型纯电动车业也大量使用了轻量化材料;等等。

越来越多的企业把“轻量化”纳入提升竞争力的考量,但是,这不意味着这条路就好走。

由于电池承重达数百公斤,新能源汽车需要针对车身的耐久性能做特殊设计;由于使用了额外的高压电,对其安全性要求更高、更苛刻,包括整车的密封、车身的结构、更苛刻的防水要求等。所有这些要求都对新能源汽车的轻量化开发提出了巨大的挑战。

潘爱华也认为我国在轻量化研究上除了轻量化材料品种、种类、性能与发达国家存在一定距离外,还有4个差距不容忽视:

1、国内汽车行业。特别是合资品牌有自成体系的供应商链,国产材料企业进入非常困难,导致国内材料企业明显滞后于汽车产业发展。

2、材料和加工成本控制难度大。碳纤维这样的复合材料,本身成本可能不是贵得多么离谱,但是由于加工效率低,导致了对汽车部件和汽车厂来说成本增加很大。

3、标准缺失。我国还没有完整的汽车塑料零部件技术和产品标准,包括技术方面的测试标准,还存在缺失。

4、国内汽车企业和材料企业的融合不够。

其中价格是汽车轻量化实现上的最大拦路虎。

比如,宝马i3的总重是1224kg,比亚迪E6的总重是2295kg,整整多出一吨。两者的差别是宝马车身采用碳纤维,车架采用铝合金,车身外覆盖件基本采用工程塑料。i3的电池组总重量是233kg,E6配备96组200AH电池,总重超过500kg。

再如常用的轻量化材料,铝合金制备工艺复杂,成本相对较高,较多使用铝合金的车型往往是中高档汽车;另外,使用更轻的配件来轻量化,如大单胎、空气悬挂等相比传统的要轻不少,不过价格高昂。

换一个角度看,高昂价格在让企业难企及的同时,对消费者也意味着,后期维修换件更难、成本更高。

即便价格是一道坎,但在新能源和轻量化浪潮的推动下,各类材料不断推陈出新,质优量轻的非金属取代传统金属显然将成为未来的一大趋势。

但值得一提的是,要实现真正轻量化,是需要企业有技术、资金等做后盾支持,是各个系统的整体减重;企业要避免走入为了实现“轻”而盲目追求“覆盖件的能薄就薄”、“零部件能轻就轻”的误区,不然得不偿失。

有专业人士提出,希望相关部门能在新能源企业的轻量化研究与探索上,出台相应的轻量化技术路线,帮助企业应对挑战。


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