新材料与工艺手册

新能源与轻量化的“铝”时代

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发表于 2015-7-15 10:52:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

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       当前,世界汽车巨头纷纷推出新能源汽车,国内自主品牌虽很难在传统汽车领域超越国外品牌,但纯电动汽车研发是弯道超车的绝佳机会。据统计,今年以来,新能源汽车销量猛增了三倍,纯电动车占六成之多。“新能源时代”下的各类汽车电池车身轻量化以及汽车零部件等产业,也给中国的铝工业带来了无限广阔的市场契机。在此背景下,2015年中国国际铝工业展览会(简称“铝工业展”)将目光投向新能源汽车领域,通过“新能源汽车对汽车零部件的影响”论坛以及展示区,以及在展会上对车用铝材的展示,为业界诠释“新能源时代”下的汽车革命浪潮。



     汽车用铝发展空间大 铝材企业配套能力有待提高
  7月10日,2015中国国际铝工业展在上海召开。在三天的展会中,汽车用铝无疑成为了展会最大的亮点。无论是特设的“新能源汽车对汽车零部件的影响”论坛、铝制汽车零配件展示专区,还是企业展台中随处可见的汽车用铝制品部件,都显示了汽车用铝行业的火爆程度。
全球知名汽车铝材生产企业诺贝丽斯、爱励、古河斯凯、神户制钢等也均携其产品出席此次展会。国内多位参展企业代表也告诉记者,由于看好汽车用铝市场,近年来在加大汽车用铝制品的研制及生产。
       新能源汽车爆发式增长
      全铝新能源公交客车成亮点
  根据《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》要求, 2015生产的乘用车平均燃料消耗量将至6.9升/百公里,节能型乘用车燃料消耗量将至5.9升/百公里以下;到2020年,当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至5.0升/百公里,节能型乘用车燃料消耗量将至4.5升/百公里以下;商用车新车燃料消耗量接近国际先进水平。
      研究数据表明,汽车轻量化对节能减排的效果直接而显著,汽车自身质量降低1%,可节省燃料消耗0.6%~1.0%,汽车轻量化后,其加速性能也会得到较大提高。
      伴随国家节能减排任务的日益严峻,汽车企业轻量化进程也在不断加快,也带动了汽车用铝的快速发展。
      对于新能源汽车来说,重量影响的就不仅仅是空间,更重要的是影响续航里程。因此,电池驱动的新能源汽车比传统汽车更迫切需要车身减重。这也为铝等轻质材料开拓了更加广阔的市场空间。
       近几年,随着全球性汽车节能减排政策的发布与实施,新能源汽车呈现出爆发式发展态势。据《中外铝加工商务资讯》资料,截止到2014年,全球纯电动车和混合动力车累计总销量为74万辆;其中2014年为32万辆,占到43.2%。
       2014年,中国新能源汽车生产8.39万辆,同比增长近4倍。其中,纯电动乘用车生产3.78万辆,同比增长3倍;插电式混合动力乘用车生产1.67万辆,同比增长近22倍;纯电动商用车生产1.57万辆,同比增长近4倍;插电式混合动力商用车生产1.38万辆,同比增长2倍。
       我国2015年一季度新能源汽车生产27271辆,销售26581辆,同比分别增长2.9倍和2.8倍。业内专家预计,2015年中国新能源汽车产销量或将达到20万辆。
其中,随着国家政策的推动以及铝合金材料的技术研发日臻成熟,全铝新能源公交客车不断被推出,成为我国汽车工业出现的一个新亮点。
       据报道,苏州奥杰新能源客车有限公司的全铝新能源客车已实现批量制造,并在上海浦东公交、嘉定公交、珠海公交等公交线路上投入了运营;上海申龙客车有限 公司制造的全铝车身SLK6109混合动力公交客车已进入上海公交和新加坡公交市场,并荣获中国“2014最佳公交客车”大奖;厦门金龙旅行车有限公司制造的全铝车身纯电动公交车已批量出口荷兰和挪威;中国忠旺为华晨客车设计、制造、开发的全铝车身新能源电动公交客车已经进入路试阶段;南宁源正全铝车身新能源汽车正在建设之中,建成后,将形成年产2万辆全铝车身新能源客车的产能。
       “新能源时代”下的各类汽车电池、车身轻量化以及汽车零部件等产业,也给中国的铝工业带来了无限广阔的市场契机。
       中国汽车用铝市场空间大
  同济大学教授、中国机械工程学会高级会员陈辛波在出席2015中国国际铝工业展中的“新能源汽车对汽车零部件革命性影响”分论坛时表示,尽管解决新能源汽车轻量化问题有多种方式,新型材料如铝合金、镁合金碳纤维都是合理的选择,但是,从经济性角度,采用铝合金更合理,也较为普遍。
       北京佰汇市场研究表明,铝在新能源汽车零部件的应用件主要有车身、轮毂、底盘、防撞梁、地板、动力电池、电机驱/传动总成和座椅。
       其中,车身包括用高性能铝型材制作的车身骨架和用高精铝板制作的蒙皮及车门;铝合金轮毂(铸造铝轮毂或锻造铝轮毂);底盘包括高强度大截面铝型材结构件和铝合金锻件;用型材制作的防撞梁保险杠;新能源客车地板;锂离子电池包括电池正极铝箔、电池铝壳和电池铝托盘(欧美电池托盘全部为铝合金材质,国内电池托盘既有铝合金材质,也有不锈钢材质);新能源客车座椅系统等。
       全铝车身在汽车的节能减重方面表现也十分出色。资料显示,奥迪A8L Hybird采用的混合动力系统的电池组、电动机等组件增加了额外130kg的负重,不过由于其使用了全铝车身框架结构(ASF)ASF车身,该车整备质量只有2035kg,是大型混动豪华车中最轻的;而东风全铝车身混合动力公交车,与国内同类钢制车身相比,铝合金车身减重40%,使该车的整车质量较同类客车减少15.2%,燃油经济性更加出色,典型工况较同类客车节油7.9%;近年来大热的特斯拉Model S为了较长的续航能力,搭载了500公斤电池组, Model S必须通过减轻车身降低整车质量,因此,Tesla Model S的车身95%以上采用铝材;Model S车架、悬架下摆臂和连杆、与底盘集成的电池外壳等都采用铝合金且镂空减重,并经锻造处理保证其强度。
       由于铝合金在汽车应用上的优异表现,其在汽车上的应用比例也在不断提高。根据2014年最新的统计结果,北美的单车用铝量已达到约158kg,约占9%。2015年有望达到10.4%,约179kg。而目前中国每辆汽车平均用铝仅约为115公斤,中国在汽车用铝市场上还有极大的提升空间。
汽车轻量化的趋势给铝合金的应用带来了机遇,但铝合金的成本问题一直是个瓶颈。
       “尤其是变形铝合金价格让自主乘用车望而却步,也阻碍了铝合金在乘用车上的大规模应用。应用的不多,技术研究掌握的也就相对滞后。”奇瑞汽车股份有限公司汽车材料主管工程师李军在出席2015中国国际铝工业展中的“铝材深加工论坛”时说道。
       他认为,铝合金零部件企业应提高其技术能力,从而使成本有所降低,同时应从汽车终端用户的角度出发开发汽车产品,提高配套能力,提供一整套产业链解决方案。
       铝空气电池有望解决“里程焦虑”
  续航里程短、充电时间长、电池成本高是目前电动汽车普及应用的三大阻碍。而由于短续航里程带来的里程焦虑问题也成为电动汽车目前仍无法得到广泛认同的原因之一。
        为解决电动汽车电池续航问题,许多企业、机构一直在做着不断的探索,积极研发全新的电池材料,包括锂离子电池、镍氢电池、燃料电池、金属-空气电池等。
        同济大学汽车学院、同济大学新能源汽车工程中心林瑞教授在2015中国国际铝工业展——“新能源汽车队汽车零部件革命性影响”论坛上表示,锂离子电池+铝空气电池増程器的组合有望攻克这一难题,解决“里程焦虑”的问题。
       据林瑞介绍,锂离子电池是目前电动汽车主要动力源,尽管锂电池有着零排放、高效率等优点,但也存在着能量密度低、续航里程短的缺点。Tesla Model S采用了大量的锂电池串联的方案,使得该车型达到480km左右的续航里程,但代价是电池组重量高达750kg。而铝-空气电池由于能量密度高,普通电动汽车只需搭载50块铝空气电池串联,仅重100公斤的电池组,就能使续航里程提到至2000km以上,满足了轻量化要求,有望在电动汽车续航上发挥更大的作用。但铝空气电池也存在着功率密度低的缺点,仅为200W/kg,远不及锂离子电池的800W/kg,不能满足汽车的启动、加速要求。如能结合两者优点,将锂离子电池作为驱动电源,满足汽车启动、加速扭矩需要,将铝空气电池作为增程器,延长电动汽车续航里程,则有望解决电动车电池续航问题。
而作为増程器的铝空气电池由于成本较低,且运行效率高,应用前景也十分看好。
       林瑞表示,相比锂、镁、锌等作为空气电池阳极的金属,铝的储量最大,大规模应用的成本最低;相比于需要昂贵稀有的铂作为阴极催化剂的氢氧燃料电池,铝空气电池只需要银作为催化剂,成本相对低,存在大规模商业化可能。
       此外,铝空气电池还具有环境友好、更换方便等优点。铝空气电池电池运行产生的氢氧化铝可以在车内手机后回收重新炼制铝;“燃料”阳极铝耗尽后,可以通过机械式更换铝板的方式“加油”,避免了长时间的充电等待。
       据悉,铝空气电池是一种金属空气电池,作为非充电电池,早在20世纪60年代便已问世,但由于铝空气电池在放电过程中阳极腐蚀会产生氢,这不仅会导致阳 极材料的过度消耗,而且还会增加电池内部的电学损耗,因而严重阻碍了铝-空气电池的商业化进程。
       但据介绍,以色列Phinergy公司已开发出一种金属铝阳极专有生产工艺解决上述问题并在汽车上实现应用。该工艺可以提高金属铝的能量利用,并降低不必要的化学反应能量消耗。据有关媒体报道,该公司已与Alcoa(美铝公司)联合研发出铝空气电池组,作为増程器装于雪铁龙C1车型上进行测试,电动汽车的续航里程在1600km以上,最多可达3000km。
       若该技术能成功在汽车上实现商业化成熟应用,无疑将有利于推动电动汽车的大规模推广。据悉,目前北美、欧洲、日本等国均在大力开发铝一空气电池作为电动车车载电源2014年6月,Phinergy公司与雷诺-日产达成合作意向,将在2017年量产铝空气电池作为増程器的电动汽车。
       铁路货运车辆铝材应用前景广阔
  铁路作为绿色交通运输方式,具有运量大、成本低、节能环保等比较优势,符合我国绿色发展的主基调,符合低碳经济发展要求,成为我国综合交通发展的首选。
       我国的铁路总里程虽然已达11.2万公里,但相比美国等发达国家仍处于发展期,大规模的基础建设投资还将继续,路网里程的增加、货运专线的开通等,将催生对重载货车的需求。而为追求更大的经济效益,对车辆自重的要求越来越高。
       “铁路货车的轻量化是重载货车所追求的目标,也是研发的关键核心技术。”齐齐哈尔铁路车辆(集团)大连研发中心副主任设计师刘海鹏在出席2015中国国际铝工业展的“铝材深加工论坛”时说道。
       铝无疑是轻量化最好的材料。铝合金较钢材强度更高,但密度仅为钢材的1/3,自重轻,具有比许多合金钢更高的比强度。与高强度耐候钢车辆相比,铝合金更容易实现车辆轻量化。按照美国铝合金煤车统计,在同等强度条件下,铝合金车比钢质车降低重量约20%。此外,铝合金轧制表面形成一层致密的氧化膜,在大气中有很好的抗氧化和耐腐蚀能力,当与煤或其他腐蚀性货车接触时,可以很好地防护铝合金母材本身。据美国货车资料统计,铝合金车体的腐蚀速度约为耐候钢的1/25,使用寿命较长,可以不涂漆使用。而铝合金表面的氧化膜同时起到润滑和减摩的作用。根据美国煤车的有关试验,因为铝合金车体表面与煤炭的摩擦系数较低,煤炭保持了良好的流动性,铝合金货车的煤炭卸净率高于钢制货车。
       相比铁素体不锈钢,铝合金货车具有更轻的自重、更大的运能和更好的经济效益。早在20世纪50年代,美国、加拿大等发达国家开始采用铝合金材料制造铁路货车,其中美国是铝合金货车技术应用最早、最成熟的国家。刘海鹏介绍,上世纪90年代以来,美国在铁路火车上大量采用铝合金材料,特别是在运煤敞车和漏斗车上应用更为普遍,两种车厢均采用铝合金铆接结构。自2008年底,美国共有183210辆运煤火车,其中65%是铝合金车;自1989年开始,95%新造煤车是铝合金车;自2000年开始,98%的新造煤车是铝合金车。
        而中国直到2003年,才借鉴北美铁路重载运输成功经验,研制15t轴重的C80型铝合金运煤敞车。
铝合金材料的优异性能也使得铝合金在中国铁路交通上的应用得到了快速的发展。“C80型铝合金敞车在我国铁路货车上首次采用了铝合金材料,大大减轻了车辆自重,具有显著的经济及社会效益,是我国铁路货运发展的一次飞跃。”刘海鹏说道。他介绍,截至目前,C80型铝合金敞车总数量已达到近3万辆,在大秦线开行2万吨重载列车,为大秦铁路年运量从1亿吨跃升至4亿吨提供了装备保障。
       为了实现更大的运输经济效益,一些生产厂商也积极开展货车轻量化设计,降低车辆自重、增加载重,从而提高列车运能、降低空车运行能耗。
据刘海鹏介绍,今年3月,神华集团和国家铁路局组织对该公司研制的第三代铝合金自卸式煤炭漏斗车进行了方案评审。该车的最大实际载重达到100t,自重21.5t,单车载重量较重量较C80型敞车增加20t;采用5辆一组,车辆平均长度小于14m,较C80型敞车运能提高18.5%;采用无侧柱铝型材铆接结构,车体内部平滑,煤炭卸净率更高,更适于工业化批量生产。
       而随着大截面、高精度铝型材的开发以及铝合金焊接技术的进步,铝合金车辆的制造技术日趋成熟。在车辆很多部位,特别是一些结构复杂的连接部位也可应用铝合金型材,即可满足结构性能需要,又可提高车辆制造、维修的工艺性。
        目前,国内外铁路货车除了在车体上使用铝合金外,钢质铁路货车也在使用铝合金部件来降低重量。刘海鹏介绍,制动系统控制阀采用铝合金材料铸造,自重可降低1/2,且具有良好的耐腐蚀性,美观耐用,便于安装,具有最低的全寿命周期成本;此外,在不锈钢煤炭漏斗车上采用不锈钢车体和铝合金挤压型材卸货底门,底门型材断面设计合理,与钢质底门有同等的机械强度,比钢质底门减轻重量约40%;同时,通过结构优化、工艺改进及采用铝合金材料等技术手段,可实现底门、开闭机构连杆、底门吊座、传动轴轴承座等多个车体关键部件的轻量化。
        高速化、重载化是今后铁路运输的发展方向。而铁道车辆轻量化则是实现高速重载的重要途径。铝合金为铁路货运轻量化提供了材料技术支撑,并在铁路火车上得到了广泛应用,取得了成功经验。随着重载铁路货车轻量化要求的不断提高,铝合金材料的应用也有望迎来广阔的前景。
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