新材料与工艺手册

新能源汽车轻量化的钢材解决方案

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发表于 2015-7-8 13:15:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    日益严峻的环境污染及能源紧缺问题,使全球新能源汽车的研发和推广前所未有地受到各国政府的关注与重视,美国和日本等国已经把新能源汽车产业的发展提高到国家战略高度,采取多种扶持政策大力推进新能源汽车产业化发展。中国在2012年出台了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》,为中国新能源汽车产业的总体发展指明了方向。
    新能源汽车发展对钢材的影响
    截至2013年底,全球新能源汽车保有量已超过40万辆。保有量排名前3名的国家分别为美国、日本和中国,分别为17.4、6.8、4.5万辆。到2020年,在欧、美、日、韩及中国新能源汽车年产量预计占乘用车总量的9%—20%,将达120—240万辆。
    新能源汽车的兴起,无论在钢材需求或是质量方面都提出了更高的要求。出于对汽车的安全和节能等性能的高要求,新能源汽车更加看重车身的轻量化。轻型车身要平衡电池引起的质量增加,没有一定轻量化水平的电动汽车是没有市场竞争力的。相比于传统汽车,新能源汽车对于轻量化技术的要求更为迫切。欧美等地区和国家的汽车制造商都在汽车轻量化项目上投入了大量的资源。钢铁企业要想在新能源汽车市场抓住机遇,就必须有针对性地研发和生产,以满足新能源汽车对轻量化钢材的要求。
    钢铁企业新能源汽车轻量化的钢铁解决方案
    汽车轻量化是在满足汽车使用要求、安全性和成本控制的条件下,将结构轻量化设计与轻量化材料、轻量化制造技术集成应用所实现的产品减重。先进钢铁企业不仅提供材料、而且致力于提供包括模型设计、结构设计、应用技术和评价技术等一体化的解决方案,通过整合钢铁企业在材料、成形、焊接等应用技术以及评价等领域的知识和技术,积极和汽车企业开展EVI(EarlyVendorInvolevment,先期介入)合作,提供用户需求的解决方案。
    FSV项目。FSV(FutureSteelVehicle,未来钢质汽车)项目是2007年国际钢协汽车用钢联盟开展的针对2015—2020年比较成熟的先进钢铁材料和制造技术的研究项目。该项目目标是为紧凑型纯电动汽车提出一个能制造出完全不同的钢制车身结构的详细设计构思,也确认了为适应大的插电式混合动力车(PHEV)或燃料电池车(FCEV)车身结构的改变。FSV项目主要涉及到4种不同的汽车型号,纯电动汽车(BEV)和插电式混合动力汽车(PHEV—20)属于A/B级汽车;插电式混合动力汽车(PHEV—40)和燃料电池汽车(FCEV)属于C/D级汽车。
    FSV项目设定的方案目标参数有车身质量、制造成本及全生命周期的CO2等效排放量。车身质量的目标是190kg。与先进的设计技术相结合,FSV的用钢方案采用了比以前其他项目更先进的高强钢及其成形技术,以求达到车身轻量化和在整个汽车生命周期温室气体排放的大幅降低。它使用了20多个最新的先进高强钢种,这些钢材预计2015到2020年将会批量生产。
    FSV项目表达了超高强钢的发展以满足车身性能和进一步轻量化的需求,FSV使用了平均0.98mm的厚度、平均789MPa抗拉强度的材料方案,而1999年启动的ULSAB项目(Ultra Light Steel Auto Body,超轻钢车身)的用钢为平均厚度1.16mm和平均抗拉强度413MPa,ULSAB—AVC(超轻钢车身先进车概念)项目为平均厚度1.00mm和平均抗拉强度758MPa。
    FSV项目高强度钢板占整体车身用钢的97.4%,其中一半在1000MPa以上。与ULSAB—AVC相比,340MPa钢与1500MPa钢的比例大幅增加,800MPa钢骤减,其他级别钢种则小幅减少。此次选择钢板的大方针是:碰撞后可被压扁的骨架类采用1000MPa级产品,不能压扁的骨架类采用1500MPa级产品。另外,不需要承受很大应力的地板及顶棚等均采用了目前所能采购到的最薄产品——0.5mm钢板。其中DP钢约占30%;TRIP钢约10%;HF钢约占10%;CP钢约占10%。整个高强度钢用钢比重超过65%。如果算上超高强钢,整个汽车车身高强钢的比重将达到97.4%,软钢的比重将显著减少。
    此外,随着高强钢和超高强钢的应用比重增加,相应的成形技术要求也在提高。针对高强度汽车用钢在汽车上的应用,国际钢协在FVS项目中广泛采用了激光拼焊板热冲压成形、液压成形、变截面板的液压成形、激光拼焊制管、激光拼焊和变截面板的辊压成形及一般辊压成形等技术手段,使高强度钢板得以应用,有效地降低汽车车身重量,汽车的车身刚度和安全性能也得以提高。
    在制造成本的评估上,FSV使用了技术成本模型,并且用改进的温室效应排放模型进行全生命周期(LCA)的CO2排放评估,与对标车型比较,减少了56%的CO2排放量。用生命周期评估的方法来帮助汽车制造商为其生产过程评估与降低总能耗和在整个生命周期内温室气体的排放量。只考虑在车辆使用阶段从排气管排放的温室气体的法规,将会鼓励低密度、温室气体密集材料的使用,在某些应用中这些材料可使零部件的重量更轻以提高燃油的经济性和降低尾气的排放量,但是这在汽车的整个生命周期内对于温室气体排放的增加会有意想不到的后果。
    浦项PBC—EV。为了提供低成本的钢铁解决方案,韩国浦项开发了名为PBC—EV的轻量化钢制车身。据了解,浦项从2010年开始研发这类钢种,于2012年初研发成功并通过了国际安全碰撞试验,有望于2015年用在电动汽车上。
    PBC—EV的开发过程不仅仅是普通汽车的模型开发,而是关注于汽车车身轻量化的优化过程。车身结构的设计包含了先进高强钢的应用、制造技术、设计优化以及CAE分析。在PBC—EV上先进高强钢是主要的轻量化材料,具有高延伸率的先进高强钢,如DP780、TRIP980和TWIP980等,主要用在吸收碰撞能量的部件;而超高强度钢,如DP980、HPF2000和Duplex980等,主要用在减少对乘客和电池区域的撞击。PBC—EV主要采用了超过65%的先进高强钢。因此,通过使用先进高强钢,车身重量达到218kg,车身重量减小了26.4%,约78kg。此外,镁板由于其重量轻和NVH等优点也被作为PBC—EV的可用材料之一。浦项的研究成果与国际钢协的研究成果大部分相同,区别在于浦项在TWIP钢的研制和生产方面处于领先地位,TWIP钢使用比例占了大约10%(PBC—EV用钢分布如图1所示)。
    为增加其强度和韧性,浦项还采用了两种新的方法,即热压成型和多向轧制成型。与普通汽车相比,由该钢种制造的汽车,温室气体排放可降低50%。镁板采用温成形的方式,同时传统的冲压、激光拼焊等加工方式也毫无疑问被用在PBC—EV的制造过程中。
    浦项的PBC—EV项目在设计评估中也考虑到加工成本,针对在白车身和零部件加工成本中使用成本分析,加工成本是估算使用不同加工工艺的所有车身结构部件成本。成本分析结果为白车身加工成本$1018。由于使用先进高强钢而实现汽车减重,减少了材料的成本,这将平衡由于加工费用带来的总成本的增加。
    浦项的PBC—EV项目也使用了生命周期评价。评价结果显示,由于先进高强钢车身的使用使PBC—EV减重,CO2排放量显著减少,与对标燃料车和铝制电动车相比,分别减少48.9%、9.0%。
    安赛乐米塔尔电动汽车版S—inmotion。
    安赛乐米塔尔自2010年起开展了S—inmotion项目,旨在开发一系列汽车用钢解决方案,使汽车在不降低安全性的前提下更轻、排放量更小。S—inmotion包含steel(钢铁)、Savingweight(重量减轻)、Savingcosts(成本节约)、Sustainability(可持续性)、Safety(安全性)、Service(服务)、Strength(强度)和Solutions(解决方案)等8种含义。该项目是北美和欧洲联合开展的研发项目,有6家研究中心、600多名技术人员和工程师参与了该项目。先进高强钢在电动汽车上证明了其轻量化方案新的价值。
    安赛乐米塔尔的原S—inmotion项目在传统燃油汽车身上具有减轻车身重量和底盘的巨大潜力。因此为满足电动汽车系列新的挑战,安赛乐米塔尔开发了电动汽车S—inmotion选择方案。该项目对车身重新设计,满足了电动汽车更大的动力系统以及电池保护需求。先进高强钢在电动汽车上得到了广泛使用,其占车身重量比从原传统燃油汽车的35%提高到了58%,车身减重30kg。
    安米的S—inmotion项目的主要优势为:为车企提供电动车方案;适应完全不同的动力系统;在不增加重量的情况下对电池提供额外保护;保持冲撞性能;广泛使用先进高强钢达到减重目的。
    通过该项目和已经验证的选择方案证明,先进高强钢的强度和轻量化满足了汽车的未来发展。该项目使用典型的奔驰C级轿车作为基准车,设计目标是通过使用已经确定的原S—inmomion方案来改善基准车,创造新的电动汽车解决方案。项目特别针对那些希望把原先传统燃油汽车升级到电动版的车企。
    针对电动汽车白车身使用了35%—58%(占车身重量)的先进高强钢,车身减重了30kg,减重比例达到11%。在电动汽车S—inmotion设计方案中,为维护冲撞性能,有29个部件可以使用热成型Usibor1500钢,24个部件可以使用激光拼焊。
    安米在轿车轻量化研究过程中充分利用了其自身生产的超高强度钢,如DP钢、马氏体钢及其他高品质线材,尤其是其最具竞争的热成形钢Usiborl500P。在减轻车身重量并增加汽车安全性的同时还考虑到不增加汽车生产商的成本,因此对每项解决方案都进行了成本分析。
    分析结果

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     新能源汽车的轻量化是实现产业化的关键技术之一。相比于传统汽车,新能源汽车对于轻量化技术的要求更为迫切。欧美等地区和国家的汽车制造商都在汽车轻量化项目上投入了大量的资源。国际先进钢铁企业也积极致力为新能源汽车提供低成本的轻量化钢铁解决方案,浦项PBC—EV和安米S—inmotion,都是为新能源汽车设计开发的项目,这些项目关注于汽车车身轻量化的优化过程,车身结构的设计包含了先进高强钢的应用、制造技术、设计优化、以及相关技术评估分析、成本和生命周期等分析。
    从研究结果来看,一是显示了钢铁材料在未来汽车尤其是电动汽车上仍是首选材料;二是从具体钢铁材料来看,高强钢,尤其是先进高强钢将是未来汽车车身的主要用材。从国际钢协、安米、浦项对未来电动汽车用钢研究来看,三者结果几乎一致。具体来看国际钢协对用钢的级别更加具体,其超高强度钢主要是DP钢,占总用钢量的l/3,TRIP钢、HF钢、CP钢各占10%。浦项的研究结果也显示:600MP级别以上超高强度汽车板的用材比重将占车身用材份额的50%,其中DP、TWIP、CP、HP四大类钢种的比重相差不大,都在10%上下。安赛乐米塔尔的研究结果虽然没有用钢比重,但表明了高强度汽车板、超高强度汽车板的使用依然是车身轻量化的主要材料。同时,国际钢铁协会、浦项以及安赛乐米塔尔也都分别对新能源汽车加工成本和生命周期评价进行了评估对比。
    综上所述,新能源汽车发展已成为汽车产业转型升级的突破口,将带动整个产业的技术创新,也是实现节能减排的可持续发展。这些无疑将加大钢企在新能源汽车方面的研发力度。先进钢铁企业都加速在新能源汽车用钢方面的研发。由17家国际先进钢铁企业参加的国际钢协的FSV项目,研究水平代表了新能源汽车用钢在安全性、轻量化、成本、材料全生命周期以及绿色制造方面的技术进步,其中大量高强钢和超高强钢广泛使用,高强度钢板占整体的97.4%,一半在1000MPa以上,并结合了先进的成形加工技术。浦项和安米针对新能源汽车的轻量化项目,通过综合运用现代冶金学、材料科学与工程和计算机模拟技术等手段,在强度、刚度、抗冲撞和可成型等综合性能方面的研究来满足汽车轻量化的要求。并从设计上考虑对整车结构优化,与先进成型制造技术相结合,创新的提供解决方案。
    钢铁企业未来在新能源汽车用钢方面,应用现代计算设计技术,使部件和整体结构更加优化,通过在安全性、轻量化、成本、材料全生命周期以及绿色制造方面的技术进步,为汽车企业提供整体解决方案,才能实现发展并不断提高竞争力。



发表于 2016-9-27 11:47:06 | 显示全部楼层
学习下,谢谢了。
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发表于 2016-10-18 13:30:18 | 显示全部楼层
学习下,谢谢了。
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发表于 2017-6-14 13:39:24 | 显示全部楼层
轻量化要舍得投钱啊
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