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

《中國(guó)制造2025》中提出:“繼續(xù)支持電動(dòng)汽車、燃料電池汽車發(fā)展,掌握汽車低碳化、信息化、智能化核心技術(shù),提升動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高效內(nèi)燃機(jī)、先進(jìn)變速器、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(dòng)自主品牌節(jié)能與新能源汽車同國(guó)際先進(jìn)水平接軌。我們認(rèn)為輕量化將伴隨著汽車的電動(dòng)化、智能化,成為未來(lái)十年新能源汽車發(fā)展的重點(diǎn)。

1、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(huì)使汽車的油耗大部分消耗在自重上,在100公里時(shí)速以下,重量因素決定80%的油耗;時(shí)速100公里以上,風(fēng)阻就成為油耗的主要因素。國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)報(bào)告指出,汽車自重每減少10%,燃油消耗可降低6%～8%。因此,輕量化是節(jié)油的重要途徑。

電動(dòng)汽車由于特殊的電池驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)車身的耐久性能做特殊設(shè)計(jì);同時(shí)使用了額外的高壓電,對(duì)其安全性要求更高,包括整車的密封、車身的結(jié)構(gòu)、更苛刻的防水要求等。所有這些要求都對(duì)新能源汽車的輕量化開(kāi)發(fā)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

目前,能夠使用的動(dòng)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(dòng)力電池系統(tǒng)通常占整車總質(zhì)量的30%-40%。這就決定了電動(dòng)汽車在與傳統(tǒng)汽車同等排放量的單位能耗(電耗量/100km)下,不能像傳統(tǒng)汽車那樣靠一次補(bǔ)充能量來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的行駛。因此,電動(dòng)汽車必須在電氣化的同時(shí)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(dòng)力汽車領(lǐng)域,由于混合動(dòng)力汽車的多樣性和特殊性,使得整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和總布置存在很多困難,而且對(duì)整車質(zhì)量的要求較傳統(tǒng)汽車大大提高。為解決上述問(wèn)題,結(jié)合混合動(dòng)力汽車整車布置的具體情況,從汽車材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面對(duì)混合動(dòng)力汽車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析和設(shè)計(jì),是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車輕量化的關(guān)鍵。輕量化對(duì)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(chǎng)需求。

另外,國(guó)家對(duì)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。

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(gè)系統(tǒng)工程。新能源汽車的輕量化應(yīng)從以下兩個(gè)重點(diǎn)方向開(kāi)展工作:一是實(shí)現(xiàn)整車30%-40%以上的輕量化——抵消動(dòng)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(dòng)力能源的輕量化——提高現(xiàn)有新能源的比能量或開(kāi)發(fā)新的動(dòng)力電源。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(wèn)題。

電動(dòng)汽車輕量化不僅是車身的輕量化,還包含傳動(dòng)設(shè)備、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(duì)這一技術(shù)已能工程化。通過(guò)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。例如通過(guò)對(duì)電芯尺寸的研究設(shè)計(jì),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(zhǎng)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(gè)主要方面:材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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、超高強(qiáng)度鋼板、鋁合金、鎂合金、工程塑料及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。其次是結(jié)構(gòu)的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì),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(jì),以減少無(wú)用材料、減輕壁厚、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、輥壓成形、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)。

其中,采用輕質(zhì)材料是當(dāng)前輕量化主流。

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、輕質(zhì)合金(鋁合金、鎂合金等)、非金屬材料等。

高強(qiáng)度鋼:我國(guó)普通高強(qiáng)度鋼發(fā)展迅猛,車身使用比例接近50%,預(yù)計(jì)未來(lái)可以達(dá)到60-65%。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(jì)未來(lái)將有3倍提升空間。綜合來(lái)看,我國(guó)汽車HSS級(jí)以上鋼材比例將從55%提升到70%以上,估計(jì)單車需求量增加30%左右。按照2015年33萬(wàn)輛新能源汽車銷量,高強(qiáng)度鋼消耗近16.5萬(wàn)噸。我們預(yù)計(jì)到2020年新能源汽車銷量可達(dá)150萬(wàn)輛,高強(qiáng)度鋼需求為75萬(wàn)噸,是當(dāng)前規(guī)模的五倍。

鋁合金:鋁合金減重效果顯著優(yōu)于鋼鐵。汽車使用1kg鋁可替代自重2.25kg鋼材,減重比例高達(dá)125%,整個(gè)使用壽命周期內(nèi)可減少?gòu)U氣排放20kg。以鋁代鋼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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%。國(guó)產(chǎn)汽車用鋁迎來(lái)戰(zhàn)略機(jī)遇期。2014年中國(guó)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。預(yù)計(jì)未來(lái)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(lái)快速成長(zhǎng)的窗口期。

鎂合金:鎂是地球上儲(chǔ)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(lái)自白云巖、菱鎂礦、水鎂礦和橄欖石等。海水、天然鹽湖水也是含鎂豐富的資源。中國(guó)是世界上鎂資源最為豐富的國(guó)家,鎂資源礦石類型全,分布廣,儲(chǔ)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、汽油、礦物油和堿類中的耐耐蝕性較高等。將是未來(lái)發(fā)展前景極為廣泛的金屬類材料。

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。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。一方面玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料相比普通塑料的耐熱性、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(shì)突出。目前我國(guó)玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料市場(chǎng)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(kāi)拓新市場(chǎng)。目前總體來(lái)看大型企業(yè)偏少,集中度不高。

工程塑料:工程塑料具有突出的成型性、輕量化以及面對(duì)強(qiáng)烈撞擊時(shí)能夠緩沖吸能,已成為一個(gè)衡量一個(gè)國(guó)家汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì),發(fā)達(dá)國(guó)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(gè)比例還將持續(xù)升高,預(yù)計(jì)到2020年,發(fā)達(dá)國(guó)家汽車平均用塑料量將達(dá)到500千克/輛以上。然而塑料剛度低、易老化,未來(lái)在車身大量運(yùn)用仍面臨不少安全隱患。

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)。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。然而碳纖維也是一種脆性材料,一旦受力過(guò)大就會(huì)直接斷裂,損壞后基本無(wú)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、越野車和運(yùn)動(dòng)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、功能鍵延伸。

在新能源汽車中,電池箱體材料的輕量化也成為近年來(lái)企業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的電池箱體采用鋼板、鋁合金等材料鑄造,然后對(duì)表面進(jìn)行噴涂處理。而碳纖維具有較高的比強(qiáng)度,碳纖維與環(huán)氧樹(shù)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(jì)

在現(xiàn)代汽車工業(yè)中,CAD/CAE/CAM等計(jì)算機(jī)一體化技術(shù)在汽車的設(shè)計(jì)過(guò)程中起著非常重要的作用。利用CAD/CAE/CAM一體化技術(shù),可以準(zhǔn)確地對(duì)新能源汽車的實(shí)體結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)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(kù)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、強(qiáng)度計(jì)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車零部件的精簡(jiǎn)、整體化和輕質(zhì)化。同時(shí),通過(guò)開(kāi)發(fā)新能源汽車車身、底盤(pán)、動(dòng)力傳動(dòng)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(jì)、制造技術(shù),使新能源汽車從制造到使用各個(gè)環(huán)節(jié)都真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保。通過(guò)結(jié)合參數(shù)反演技術(shù)、多目標(biāo)全局優(yōu)化等現(xiàn)代車身設(shè)計(jì)方法,研究汽車輕量化結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),包括多種輕量化材料的匹配、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。

車身輕量化不是單純的一味減輕質(zhì)量,車身在輕量化過(guò)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)。由于目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)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(guò)程中需要運(yùn)用仿真軟件ANSYS、CATIA、UG進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),對(duì)輕量化設(shè)計(jì)后的車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度、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、計(jì)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(jì)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(jì)的發(fā)展呈現(xiàn)出以下特點(diǎn):①結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析并行;②優(yōu)化思想在設(shè)計(jì)的各個(gè)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(jì)成為車身設(shè)計(jì)的一個(gè)重要階段;⑤有限元法得到廣泛應(yīng)用。

3)制造工藝

在完成車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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。

人們對(duì)新能源汽車的需求趨向于安全性更強(qiáng)、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。如果將上述材料單獨(dú)使用,就會(huì)給最大限度減輕車體質(zhì)量的潛能帶來(lái)限制。通過(guò)粘接、鉚接、翻邊搭接、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、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)。

另外,新能源汽車制造中開(kāi)始研究熱沖壓成形技術(shù)。熱沖壓成形技術(shù)是一個(gè)塑性變形和材料組織變化同時(shí)產(chǎn)生的工藝,因此塑性加工技術(shù)人員和材料開(kāi)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(pán)零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。

3、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(méi)有具體量化的數(shù)據(jù)。車企及動(dòng)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(jì)與造型上作些改造,從而降低車重。輕量化材料應(yīng)用方面國(guó)內(nèi)還處于研發(fā)階段,現(xiàn)有車型均沒(méi)有批量化應(yīng)用新型材料。新材料從實(shí)驗(yàn)到量產(chǎn)周期長(zhǎng),且研發(fā)成本高,企業(yè)還沒(méi)有大規(guī)模地進(jìn)行研發(fā)。目前主要是國(guó)外車企進(jìn)行研發(fā),國(guó)內(nèi)大型車企也有相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備,小企業(yè)處于跟風(fēng)狀態(tài)。

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(huì)隨之下降,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)圍繞產(chǎn)品性能與品牌等方面展開(kāi),新能源汽車將直接與傳統(tǒng)汽車競(jìng)爭(zhēng)。隨著消費(fèi)者對(duì)汽車要求的提升,輕量化的需求也會(huì)越來(lái)越高,現(xiàn)在工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已不能滿足整車對(duì)輕量化的要求,新材料的應(yīng)用將會(huì)成為普遍現(xiàn)象。