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2019车用新材料新工艺系列巡展规划

【现场实录】宝钢新能源汽车材料解决方案

2019-8-21 10:46 106 0 来自: 汽车材料网
简介
 【汽车轻量化在线】由中国汽车材料网主办的“2019(第四届)新能源汽车轻量化技术研讨会”于7月25—26日在南京圆满召开,现场邀请宝山钢铁股份有限公司 杨智辉 针对宝钢新能源汽车材料解决方案做报告分享。(以下 ...


 【汽车轻量化在线】由中国汽车材料网主办的“2019(第四届)新能源汽车轻量化技术研讨会”于7月25—26日在南京圆满召开,现场邀请宝山钢铁股份有限公司  杨智辉 针对宝钢新能源汽车材料解决方案做报告分享。(以下文章为小编现场速记内容整理,未经本人审核)
  
  演讲人:宝山钢铁股份有限公司 杨智辉
  
  演讲主题:宝钢新能源汽车材料解决方案
  
  我的报告内容主要分成三部分,第一部分,新能源汽车发展对材料的需求,第二部分宝钢新能源汽车用材实践,最后一部分是关于未来新能源汽车领域的展望。
  
  中国的新能源汽车市场规模在全球上的占比一直是非常大的,从2009年开始起步,2018年销售124万辆,连续四年产销量居世界第一,累计推广接近300万辆,占全球市场保有量50%以上。2018年中国新能源产品结构中,纯电动乘用车销量占据64%,纯电动汽车总计占据78%,在中国新能源车领域占据主流地位,其中经济型汽车占比较大。
  
  我们归纳电池包主要面临的三个问题,成本,安全以及轻量化。电池包的成本不仅要考虑材料和工艺,还需考虑模具和补贴等因素。电池包的安全不仅要通过国标要求,而且要考虑整车环境下的安全性防护要求。电池包轻量化可以提高续航,但对续航的影响力不如电池和平台。
  
  在电池包用材上,目前制约钢应用的主要原因在于国家补贴及新能源车销量较低带来的模具摊销问题。挤压铝由于模具便宜,材料密度低容易满足电池系统能量密度补贴要求,目前用量较大。钢的材料成本和工艺成本均低于铝,且强度高、产线成熟度高、效率高。通过钢与铝强度、轻量化、成本对比,我们发现超高强度钢比6系铝合金在强度延伸率方面好,在连接工艺上,钢的连接工艺是相对成熟的,铝的成本高,连接技术的应用在国内还不够成熟。
  
  2019年新能源汽车的财政补贴政策进一步退坡,2019年的补贴比2018年减半。2019年正式考核乘用车“双积分”,国家新能源政策由鼓励向强制转变,在补贴取消及电动车销量上升后,钢材的竞争力将逐步体现。
  
  随着现在汽车增加的电池包,它的整个重量相对于传统的燃油车来说增加了300到500公斤左右,重量增加之后刹车的距离增大,这个也要求我们对电池包的保护要求比较高。通过铝合金、普通高强钢及先进高强钢的抗拉强度对比,7系铝合金的抗拉强度明显不如普通高强钢,对于钢来说,冲压高强钢最高的的长度达到1500MPA热成形材料可以达到1800Mpa。
  
  在安全方面,国标对电池包安全性能评价项目有16项,这些项目标准,经过多次的修改,现在已经变成强制标准,所以我们从这个方面来看高强钢在安全性能方面跟其他材料相比有较大的优势。
  
  其次是轻量化,我们认为对续航里程影响最大的就是电池,其次是平台,最后是轻量化,然而轻量化对于续航里程的影响,我们认为并没有想象中那么大,我们的竞争对手蒂森克虏伯做过一个研究,也在他们的官网上也发布出来了,他们研究认为新能源汽车每减重100公斤,续航里程的提升8KM左右,但是这个数值是否正确,我们不做争议。我们对电池的重量变化对续航里程提升的结论,是认同的。为什么电池对续航里程的提升影响最大?我们来看几个例子:
  
  日产聆风,它整个电池包的这个外形没有变化,但是电池的种类换了,通过电芯将锰酸锂改为镍钴锰,使得新款聆风带电量提升,续航里程增加了接近50KM。老款聆风与新款相比因为材料选材的不同,新款聆风的重量反而增加,但是在续航里程上,却超出老款聆风,由此可见电池对续航里程的重要性。
  
  第二个是Bolt车型与SPARK车型在同一平台下,通过底盘优化设计,Bolt获得比SPARK大的多的电池包空间,电动车全新平台能获得相对更大的电池包空间。其次轻量化,刚刚也提到Bolt这个车型,铝的用量达到14%左右,除了铝以外整个白车身采用都是钢,它的电池包是钢材。雪佛兰Bolt车型白车身86%为钢,电池包为上复合材料,下高强钢结构,它的续航里程高达383Km,所以我们认为轻量化并不是提升续航里程最关键的因素。
  
  我们可以总结出:钢的材料和工艺成本均低于铝,强度高、产线成熟度高、效率高;国家补贴及新能源车销量较低导致的模具摊销较大是制约钢材应用的主要原因;在补贴取消、新能源车销量上升后,钢材的成本优势将愈发凸显;高强钢是兼顾成本、安全、轻量化的材料,在汽车新能源化后仍是适合用在汽车上的材料。
  
  接下来我向大家简单介绍宝钢在新能源汽车上的用材实践,宝钢所提供产品、工艺和服务一揽子解决方案包括:白车身、继电器、电机、电池包、模组框架等。
  
  在介绍材料之前,我们先说一下新能源汽车和传统燃油车在总成上的差异。与燃油车相比,纯电新能源汽车淘汰了发动机、变速箱、传动系统、油箱、排气系统,新增电机及电池冷却/加热系统。整体装备量增大,减重压力更大。所以这些变化就会导致最后重量的变化。我们在分析新能源汽车与传统燃油车的结构方面的差异时,传统燃油车型中间部位有一个典型中通道,它的结构后板往下延伸,这些对于新能源汽车来说是不可能存在的,因为这个部位的延伸会导致电池包安装空间变小。
  
  与传统燃油车相比,新能源汽车白车身结构设计变化主要集中在下车体前板区域。受侧面碰撞挤压工况下安全特性要求,新能源车前地板及电池包框架超高强钢应用将进一步增加。
  
  下面先介绍宝钢汽车板材料,大家也比较熟悉,有25年汽车板、20年高强钢以及15年超高强钢的车用材料开发经验,包含热轧酸洗、冷轧、热镀锌、热镀锌铁、电镀锌等,是国内唯一全品种车用材料企业。材料等级上也包括普冷1500MPa,热镀锌1200MPa,电镀锌980Mpa。在能力上宝钢是国内首家能同时批量生产第一、二、三代先进超高强钢的企业。
  
  目前DP钢、TRIP钢、CP钢、QP钢等都是宝钢研发的先进钢材料。其中热成形钢开发主要用在车身结构件,尤其是防止侵入的安全结构件。能有效提高零件的抗碰撞性能且实现车身轻量化,与传统方案相比能减重20-30%。宝钢的热成形钢的开发,也经过多年研究实现了自己的能力,例如典型热冲压和先进热冲压开发等。
  
  宝钢还开发VRB变厚板与激光拼焊,激光拼焊是将两张以上不同厚度、不同材质、不同表面状态的钢板通过激光焊接成一块整体板再成形,但是我们要注意的是,激光焊缝处有性能突变,它主要应用在前纵梁内板和B柱加强板;变厚板好处在于钢板直接轧制成沿轧制方向上按预先定制的厚度连续变化的板材。但是它容易产生无焊缝和性能突变,只能变厚度,不能变材质和表面,它主要应用于前纵梁内板、车顶后横梁、后纵梁和B柱内板等。
  
  除了这些先进的材料以外,我们还开发匹配了先进的成型技术作为材料的支撑,例如液压成形、热冲压成形、辊压成形等,目前已经有产线支撑,可以供货的先进工艺。以及包括正在新开发的工艺包括热辊弯成形、辊冲成形、气胀成形等。
  
  除此以外还有表面技术,从镀锌板、热镀锌、电镀锌以外宝钢也开发了锌铝镁镀层(ZM),它在热镀锌(GI)材料的基础上增加Al、Mg含量以获得全新的组织和更好的性能。宝钢在电池壳用钢材料上,经过14年的开发、生产与市场应用,专用钢种成分,先进的组织和表面控制技术,确保材质纯净、性能稳定,无夹杂,无砂眼。以18650电池为代表的锂电池钢壳是其目前的典型应用,满足高减薄轻量化的使用要求。除此之外宝钢还开发了汽车继电器用钢-冷轧电磁纯铁,它主要用在新能源车和直流充电桩上的继电器中,包括外壳、轭铁和衔铁等结构件,有效提高外壳件的抗电磁屏蔽性能,以及内部结构的电磁响应性能。目前可供的品种包括DT4E、DT4B、DT4H、DT4C全系列产品。宝钢电磁纯铁产品具有高效,节能,环保,低成本的优势。
  
  其次是电工钢,主要应用于汽车驱动电机,宝钢新能源汽车驱动电机用钢研发与新能源汽车发展同步,从2010年开始批量供货以来,市场占有率逐年提高,近三年维持在50%以上,已成为市场主流优选品牌。宝钢已开发普通AV,高效AHV和高磁感APV三代新能源汽车驱动电机用钢产品,厚度涵盖从0.35mm到极薄0.20mm,涂层有H(含Cr)、M(无Cr环保)和Z(自粘接)三类,并已经实现了批量供应,适应低转速到高转速的新能源商用车和乘用车电机的发展需求。
  
  在电池包模组框架用钢方面,宝钢开发针对新能源电池组框架特点,开发了定制化专用牌号超高强钢(DP-P),目前已通过国际用户认证并批量供货。宝钢近期在做的铝制与钢制电池包方案,利用辊压、热辊弯工艺电池包进行对比。电池包框架梁应用挤压铝型材,形成封闭截面,在受到挤压时,型腔结构提高抗侵入能力,且提高整体刚度;薄规格超高强钢辊压工艺,实现封闭截面的同时进一步提升结构安全性,通过厚度减薄重量接近铝;应用热成形钢热辊弯工艺,实现整圈边梁一次辊弯成形。进一步提升安全性、节省焊装工序及成本、解决焊接失效导致电池包进水问题,平台化推广方便。
  
  最后一部分给大家介绍一下,未来新能源汽车用材展望,主要分为三点,第一个是成本可控、二是多元材料复合,三是整车平台化,未来汽车轻量化用材:铝、镁、碳纤维增强复合材料等多材料的技术路线。综合考虑钢材与铝材的轻量化成本、制造技术(成形、连接)、强度重量比、全生命周期LCA,先进高强钢(特别超高强钢及热成形用钢)应用实现车身轻量化仍具有强劲竞争力。
  
  宝钢目前在做BCB EV 纯电动白车身,目的是希望将先进的材料和成熟的工艺应用在白车身上为用户做展示,从2015年的第一代的白色身BCB到2018年基于白车身BCB我们改良开发的BCB plus,预计在明年10月份左右,我们会发布基于新能源汽车全新平台,发布新一代BCB EV车身。
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