轻量化对纯电动车到底重不重要?

2021-1-20 09:01 234 0 来自: 互联网
简介
【汽车轻量化在线】轻量化对纯电动车是否和对燃油车一样重要呢?目前看,行业内尚未达成一致认识由于新车油耗(碳排放)法规要求以及对整车性能的追求,燃油车轻量化的重要性得到了普遍认可。但是轻量化对纯电动车是 ...

轻量化对纯电动车是否和对燃油车一样重要呢?目前看,行业内尚未达成一致认识

由于新车油耗(碳排放)法规要求以及对整车性能的追求,燃油车轻量化的重要性得到了普遍认可。但是轻量化对纯电动车是否和对燃油车一样重要呢?目前看,行业内尚未达成一致认识。

2020年11月,美国LUX Research咨询公司推出一份简要报告《Electric VehicleLightweight 2030》重点讨论了一个问题:How much lightweight will be NECESSARY in the future for Electric Vehicle? 未来纯电动车对轻量化的需求到底有多少?

早在2017年10月,麦肯锡咨询公司(McKinsey & Company)在《Trends inelectric-vehicle Design-What did we learn from a teardown and benchmarking often EV models?》中,通过对10款纯电动车的拆解分析,提出了它的看法:面向大众市场的纯电动车对于轻量化的需求会降低,归因到以下3点(Massmarket EVs will continue to converge toward the lower ICE mass-market share oflightweight for three reasons:):1. 动力总成技术的飞跃会导致其重量的显著降低(1. Generational leaps inpowertrain technology yield significant weight reductions, which are thendirectly reinvested into lower-cost structural materials.);2.纯电动车长续航的关键是电池而不是轻量化材料应用导致的减重(2. At today’s manufacturing cost, batteries,not lightweight materials, are the key to longer ranges.);3.与燃油车的碳排放指标以及相应惩罚措施不同,纯电动缺少外部激励来促使主机厂采用会导致成本提高的减重技术(3. EVs lack external incentivesfor (expensive) weight-reduction measures, which is different from ICEs withtheir carbon dioxide targets and penalties.)。

2020年11月LUX《Electric Vehicle Lightweight 2030》的研究与麦肯锡咨询公司的结论基本一致。从 纯电动汽车性能角度出发,纯电动车具有布置在底部的平板电池,较易达成整车低质心状态以及平均的前后轴荷比,同时由于电机的高效率纯电动车的动力性能可以媲美高性能燃油车,从而使得以性能为导向的轻量化必要性大大降低。另一方面,纯电动车的弱点是续航里程。从 续航里程提升的角度出发,由于纯电动车存在制动能量回收(一般最高可回收25%)和电池技术的进步,轻量化的需求进一步降低(Despite theissue of range, advancements in battery tech and the use of regenerativebraking will limit the need for lightweighting)。LUX把减重目的和续航里程提升直接联系起来。但由于电池技术进步正在极大降低电池的成本,当电池增大的成本和减重成本进行比较时,仅当减重成本低于电池增大容量成本时(<$5/kg,2030年之前),轻量化才有开展的必要。

LUX(2020年11月)和麦肯锡(2017年10月)的关于纯电动车轻量化的看法具有代表性,1. 纯电动车没有外部激励来促使汽车制造商去减重;2. 从性能角度看,由于制动回收(Regenerative braking)以及本质上比燃油发动机效率高的电机系统的存在,不需要采取具有高昂成本的减重措施来提升整车性能;3. 续航里程的提升主要靠电池技术的发展和电池容量的增大,减重导致的成本提高要低于电池容量增加的成本才会有存在空间,However, lightweighting isn’t necessary for BEVs to have sufficientrange ( 轻量化对于BEVs 获得最够的续航里程是不必要的) 。基于以上3点,LUX和麦肯锡认为,面向大众市场的中低价位纯电动车,随着三电系统技术的发展和成熟,未来对轻量化的依赖会比较低。

上面的观点有很大的迷惑性,或者说“说服力”,首先把三电系统减重从整车减重中摘出来,归因于技术提升导致的重量降低,这也差不多说的过去;其次,把轻量化简单化成为轻量化材料应用,并进一步把轻量化材料等同于铝合金碳纤维等高成本轻量化材料,这也是一般人的认识,但其实更高强度的第2代高强度钢(2nd Generation AHSS),以及低成本高强度高韧性第3代高强度钢(3rd Generation AHSS)的应用可以把车身零部件的壁厚减薄,也可以称之为轻量化材料。

最重要一点,对于纯电动车来讲,仅仅续航里程其实是有些片面,更需要讲“ 百公里电耗”。百公里电耗,从字面上就能理解到,行驶100km里程所消耗的电池电量,类似于燃油车的百公里油耗。纯电动车带相同电量的电池,但是具有不同的整备重量,则电池所能支撑的最大续航里程随整备重量增大而减小。当然整备重量不变,电池电量增加,续航里程增加,但是由于电量增加导致电池增重,如果整备重量不变,就需要除电池外的其他系统减重;或者可以采用提升电池 的能量密度的方式,成本的提升非常可观。

基于中国2019年新车公告数据统计分析可以看到,随着整备重量的增加,百公里电耗直线增加。电耗低,意味着总电量相同的情况下,整车有更优秀的续航以及更低的使用成本。

新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》提出,到2035年,纯电动乘用车的销量将占汽车新车总销量的50%以上。如果按照这个计算,纯电动汽车的销量将从2020年的100万辆,上升至2035年的1000多万辆,再考虑纯电动车的总保有量,这对电力系统的冲击必将无可避免,而降低电动汽车电耗是缓解这一风险的有效方式。

2020年4月23日,财政部、工业和信息化部、科技部和发改委公布《四部委关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,财政补贴政策期限延长至2022年底,纯电动乘用车单车补贴金额=min{里程补贴标准、车辆带电量*500元}*电池能量密度调整系数*车辆能耗调整系数。补贴对 车辆能耗调整系数上做出了明确规定,比电耗门槛提高0%(含)-10%的车型按0.8倍补贴,提高10%(含)-25% 的车型按1倍补贴,提高25%(含) 以上的车型按1.1倍补贴。国家对降低电耗给出了财政支持政策。同年11月2日,国务院办公厅印发了《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》, 对电动汽车控制电耗水平提出了明确要求,“2025年,纯电动乘用车新车平均电耗降至12.0千瓦时/百公里”。预计百公里电耗将成为耗电经济性的一个重要考核指标,同时 电耗也是电动汽车产品质量的重要衡量因素。

百公里电耗不仅仅只由电控系统决定,与动力总成效率、电池的充放电效率、整备重量、轮胎滚阻系数、能量回收水平、低压附件功耗、风阻系数以及迎风面积、空调系统(电池加热)、充电系统效率以及驾驶工况等因素密切相关。其中,对于整备重量的影响,我们进行过模拟测算。在其它整车参数基本不变的情况下,整备重量降低100kg,大约可以降低大约4%的百公里电耗,小车影响大些,大车影响小些。

降低百公里电耗的技术压力还是很大。制动能量回收一般最好能够做到25%,电机系统的效率达到90%以后,进一步提升存在较大压力,而电池的充放电效率已经达到较高水平。同时,随着汽车智能网联的不断深入、自动驾驶的不断升级应用,各种传感器、激光雷达以及中央处理器的应用,也会增大耗电量。在这种情况下,汽车轻量化、零部件集成化小型化设计和电池技术进步成为降低电耗的最有效的方法。 在百公里电耗指标的推动下,未来纯电动汽车对轻量化的依赖将不会降低,反而会有增加。

整车开发中有一个 重量螺旋线原理。从舒适性、安全性角度考虑车身重量增加,必须首先在底盘加强设计,从而加强又增加了车身重量,由于车身和底盘重量的增加,需要较大功率的动力系统来实现相同的行驶性能。更大的动力系统和车身底盘重量,需要更大的电池达到相同的续航里程。这些较重的构件必须由车身承载,因此需要对车身进行调整,导致重量螺旋线再次升级。

为了打破螺旋图继续上升的趋势,需要首先挖掘车身的轻量化潜力。当车身重量降低,则底盘、动力系统也随之降低,较小的电池可以实现相同的续航里程。通过这种方式,可以反转重量螺旋图,并且对新车辆进行重量优化。

其实,围绕轻量化的决策从来都不是一个容易的事情。各大主机厂除了进行轻量化材料布局,轻量化结构优化,包括小型化、集成化设计,从设计找减重以及采用先进工艺成形进行减重(比如液压成形底盘前副车架、热成形一体式门环),都是轻量化的主体工作。前期不考虑轻量化的车型不会是一个好车型。轻量化不仅仅是减重,带来能耗的降低,它一定会不断带来技术的进步以及精益的设计,带来创新的设计和思路。


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