新材料与工艺手册

[轻量化基础] 新能源汽车轻量化技术研究

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发表于 2020-4-30 09:51:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】新能源汽车轻量化技术研究
汪海洪  郑州智驱科技有限公司 河南省郑州市 450000
摘 要: 新能源汽车轻量化技术能够提升新能源汽车的续航里程,有力推动新能源汽车产业发展。新能源汽车轻量化技术包括轻质材料的应用以及轻量化工艺的应用。高强度钢铝合金镁合金塑料复合材料都是理想的轻质材料;通过内高压成型技术、热压成型技术、辊压成型技术能够实现新能源汽车的轻量化制造。
关键词:新能源汽车;轻量化技术;轻量化材料
1 引言

[size=1em]2015年5月,国务院印发了《中国制造2025》,强调大力推动包括节能与新能源汽车在内的十个重点领域的突破发展,明确了新能源汽车作为未来汽车行业的发展重点。2016年10月,我国汽车工程学会组织编织的《节能与新能源汽车技术路线图》发布,为推动《中国制造2025》在汽车技术层面的贯彻实施明晰了发展路径。该路线图从材料、工艺、设计等方面阐述了新能源汽车轻量化发展规划,可以看出轻量化技术在新能源汽车开发中的重要地位。

2 新能源汽车轻量化的意义

[size=1em]新能源汽车中使用了“三电系统”,大大增加了自身质量,影响了新能源汽车的制动性能、动力性能、被动安全性、续航里程以及电力消耗。相关数据研究表示,新能源汽车质量降低20%则可以增加5-10%的续航里程,节约15-20%的电池成本与日常损耗[1]。因此,新能源汽车的减重需求十分迫切。汽车名义密度是体现轻量化的核心指标,名义密度越大则表明相同体积大小汽车的质量越大。当前新能源汽车的名义密度显著偏大,在短时间内无法显著改善电池能量密度的基础上应用轻量化技术能够显著提升新能源车辆的续航里程。

3 新能源汽车轻量化技术3.1 轻质材料的应用

[size=1em]新能源汽车实现轻量化中轻质材料的应用包括以下几个方面:

[size=1em]第一,高强度钢。高强度钢分为普通高强度高以及先进高强度钢。其中,普通高强度钢有无间隙原子钢、高强度低合金钢,先进高强度钢有马氏体钢、复相钢。高强度钢应用在新能源车辆车身结构件中,尤其是车辆安全件的应用中是保证汽车轻量化的同时提高汽车安全性能的重要材料。

[size=1em]第二,铝合金材料。铝合金比重只有2.68g/cm3,仅为钢材料比重的30%。在相同弯曲刚度情况下钢与铝的厚度比为1.43;在相同弯曲刚度情况下铝减重潜力高达49.0%。汽车中铝质零件的减重效果理想,可达30-40%,车辆的减重效果可以进一步提升50%。根据相关调查显示,新能源汽车中每应用1kg铝可以让新能源汽车在使用寿命中减少20kg的尾气排放[2]。当前我国汽车制造工业中常见铝合金应用形式有铝合金锻件、半固态铸造件、金属模铸件等,如铝合金锻件主要应用于新能源汽车中的结构件,如悬架支架、铝合金车轮等,这些结构件要求较高的强度与的抗疲劳性;半固态铸造件用于制造新能源车中强度较高、尺寸较小的铸件;金属模铸件主要用于新能源汽车的电机机壳等。

[size=1em]第三,镁合金材料。金属镁的密度为1.74g/cm3,是目前最轻的金属结构材料之一。镁合金可以被用作钢铁材料的替代,从而有效减轻新能源汽车的自重。在相同弯曲刚度情况下,使用镁合金替代钢材料可以减轻61%的重量。在相同弯曲强度的情况下镁合金可以替代钢材料减重74%。镁合金是十分环保金属材料,可以实现环保回收,可持续利用。虽然当前镁合金与铝合金相同还存在一定差距,但镁合金在新能源汽车轻量化技术中有着广阔的发展前景。当前汽车产业中应用镁合金较为成熟的国家与地区主要为北美、日本、韩国等。我国汽车镁合金产业整体技术的发展相对不高,但当前已有20余种汽车零部件可以使用镁合金进行制造。如行李架骨架、立柱梁可以使用AZ61制造;变速箱壳体可以使用AE44制造;方向盘芯骨、散热器支架、大灯托座等可以使用AM60B 制造[3]。

[size=1em]第四,塑料复合材料。塑料复合材料的密度较小,拥有良好的抗腐蚀性,容易成型,车辆中结构复杂的零部件使用塑料复合材料加工简单,耐冲击性能好、设计空间大、外观多元化、绝热性能良好,是新能源汽车实现轻量化的重要材料。当前新能源汽车轻量化的发展趋势是不断提升塑料复合材料的应用比例,以塑料替代合金等材料。塑料的比重远低于镁合金,是十分典型的轻量化材料。在相同弯曲刚度下,与钢材料相比PC塑料可以达到35%的减重效果。在相同弯曲强度条件下,塑料复合材料与钢材料相比可以减重72%。

3.2 新技术和工艺的应用

[size=1em]第一,内高压成型技术。内高压成型技术是将管材作为原材料,在内部灌充高压液体,从而使得沿轴线方向不等界面的复杂零件实现一次成型。如A车型车架纵梁使用内高压成型,纵梁总长度为4.63m,沿轴线方向为截面结构,截面周长最小为308mm,最大为534mm,可以利用锥形管分若干次数进行成型制作。内高压成型技术的应用能够减轻34%的质量,提升30%的材料使用率[4]。新能源汽车的副车架、散热器支架、下摆臂等构件都可以使用内高压成型技术。

[size=1em]第二,热压成型技术。热压成型技术是在一定温度的模具中进行冲压并淬火,以完成成型处理并强化相变的一种方法。当前主流应用的热压成型钢为硼钢,成型处理后强度大约为1500MPa。相对传统冲压技术来说,热压成型零部件厚度可以降低20%,在提升汽车零部件强度的过程中减少加强板的使用量,从而减轻车身重量。B车型的B柱将原经激光拼焊板搭配两个小加强板的方案转为热压成型的B柱加强板,零部件厚度变薄,且减少了两个小加强板的使用,单侧质量减少1.3kg。车辆A、B、C的柱加强板、地板、顶盖边梁等零部件都可使用热压成型技术处理。

[size=1em]第三,辊压成型技术。辊压成型采用了多个辊轮作为成型设备,伴随着辊轮不断旋转位置,把钢带持续向前运送的同时顺次成型,以得到所需要断面形状的一种加工技术,如图1所示。车辆中应用辊压成型技术制成的零部件有门槛梁、地板横梁、车门窗框等。X车型使的门槛梁应用辊压成型技术,使用1.4mm的1180MS冷轧高强钢替代2.0mm的B410LA冷轧结构件钢能够降低30%的质量,有着良好的减重效果。

[size=0.8em]图1 辊压成型技术示意图

4 新能源汽车轻量化发展建议

[size=1em]当前全球各国都在全力发展新能源汽车,实现新能源汽车的轻量化。而我国新能源汽车轻量化发展起步相对较晚,与合资品牌相比在轻量化技术研究与材料应用上都有一定差距,如铝镁合金与高分子材料等轻量化材料的应用不够成熟。近几年伴随着我国自主新能源车型的开发以及轻量化技术的推进,新能源汽车轻量化得到了显著的发展。我国新能源汽车轻量化技术发展路线计划在2020年前完成8-15%的减重目标,提升高强度钢在新能源汽车中的使用比例,全面发展热成型加工技术。同时,注重铝合金覆盖件等构件的技术研究,加大塑料复合材料替代钢材的比例;在2025年实现减重12-20%的轻量化发展目标,提升车辆使用铝镁合金比例。针对当前新能源汽车轻量化发展现状,提出以下建议:第一,全面开放新能源汽车轻量化共性基础与应用技术研究。目前还有部分人群对轻量化的认识依然停留在单纯的材料替换以及减轻车辆自重,尚未对轻量化形成全面的理解。因此,在新能源汽车轻量化技术发展过程中要深入了解轻量化的表征参数、参数的物理意义、轻量化设计、加工工艺、材料之间的关系等,全面进行新能源汽车轻量化共性基础与应用技术研究,才能够有力推动新能源汽车轻量化的发展。第二,分析不同轻量化结构材料特点,充分发挥每种轻量化材料的优势,明确汽车轻量化材料在新能源汽车发展中的价值。针对不同材料的特征选择轻量化效果良好,性价比高的材料来拓展材料应用范围。第三,建立新能源汽车轻量化数据库。建立重量对标数据库,提升新能源汽车轻量化设计能力,实时跟踪新能源汽车轻量化技术发展动态。打造以A2MAC1数据库为基础的重量对标库;探索车辆结构轻量化结构形状与规格设计,优化设计材料、结构、性能、成本等一体化设计方法;第四,积极参加全球汽车轻量化技术交流合作活动,与相关科研结构开展的信息成果共享。

5 结束语

[size=1em]在我国社会经济发展过程中实现生态环境与经济的可持续发展是一项长期的发展战略任务。全面推动新能源汽车产业发展是汽车产业应可持续发展,保护生态环境的重要技术路线之一。在发展新能源汽车产业中,实现新能源汽车轻量化是十分重要的内容,在实现新能源汽车轻量化过程中要全面考虑轻量化材料、轻量化工艺方面的选择与配合,在不断的探索研究下实现更高层次的新能源汽车轻量化发展。



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