新材料与工艺手册

[轻量化材料] 纯电动汽车车身材料轻量化应用现状浅谈

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发表于 2020-6-2 14:09:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】纯电动汽车车身材料轻量化应用现状浅谈
作者:
赵治,郝志莉(盘锦职业技术学院 机电工程系,辽宁 盘锦 124000)

摘 要:纯电动汽车是新能源汽车中的重要一员,在我国备受瞩目与欢迎,应用的范围也非常广泛,大到城市,小到农村都能见到它的身影。车身作为纯电动汽车的重要组成部分,对纯电动汽车的安全性、续驶里程等都有重要影响。近年来,除传统的车身高强度钢材外、铝合金碳纤维塑料等强度高、密度小的材料在纯电动汽车车身上应用越来越多,对纯电动汽车轻量化起着越来越重要的作用。

关键词:纯电动汽车;车身轻量化;材料

引言

目前,纯电动汽车车身材料与燃油汽车相同,仍然以车用薄钢板为主,其低廉的价格与优异机械加工性能目前无其他材料可以完全替代[1];但其不能适应纯电动汽车的节能与轻量化的要求。在保证车身强度要求的同时,为减轻其质量和降低电能的消耗,许多汽车厂家都积极研究和利用新型车身材料以满足上述要求。

1 超高强度钢材

一辆车的安全大致可以分为两类,主动安全和被动安全,其中主动安全与智能控制相关,诸如ECU、雷达、摄像头、传感器、执行器等,可以通过收集信号来方便车主操控汽车。而被动安全中,车身强度就是个非常重要的指标,按照力学上的划分,钢材有抗拉强度和屈服强度,而汽车厂商宣传的基本都是数值更好看的抗拉强度,不过抗拉强度更高也可以代表对于汽车安全更重要的屈服强度更高。简单说屈服强度高的材料,可以承受更大外力的破坏。

更为关键的是,提高钢材的强度以后,能在保证车身安全的情况下,采用更强更少的材料,大幅度减少车身配重,实现车辆的轻量化设计[2],而轻量化的优点,大家也都知道,同等电能的情况下能够带来纯电动汽车行驶里程的提升,同时也能带来加速性能的提升。可以说,大量采用超高强度钢材料,能够保证甚至提高车辆的安全性,还可以达到节能环保提升车辆加速性能的目的。

目前,中国宝武钢铁集团自主研发成功1000MPa强度至2000MPa强度的超高强冷轧汽车板,在中国乃至世界上是为数不多的优秀汽车高强度钢材生产商。河钢集团在研发超高强汽车钢材方面也成绩斐然,河钢集团生产的热冲压成型钢最高强度级别也接近1500MPa,并达到一定规模,可供给汽车制造厂使用。

2 铝合金

铝合金具有密度小、强度高的特性,铝合金车体属于绿色环保材料,纯电动汽车车身的轻量化已经成为纯电动汽车车型发展的必然趋势[3]。动力电池输出的功率不变,采用铝合金远要比采用钢材车身而言,无论从操控性,还有电池耗能方面都有明显的改观的。

总结来说全铝车身有如下优势:

(1)突出的轻量化效果。铝的密度约2.7克/立方厘米,而钢的密度约7.8克/立方厘米。新能源汽车中车身约占整车重量的一半以上,如果采用铝合金能减重约45%,而用高强度钢替代普通钢材能减重约15%。比如第四代路虎揽胜首次引入全铝车身后,比第三代路虎揽胜轻了39%,成功减重350kg。从车上一下减掉这么多重量,可见全铝车身的轻量化效果明显。

(2)优异的抗腐蚀性能。铝氧化后会在表面形成一层致密的氧化膜,并且与基体牢固结合,稳定性很高,所以能对铝基体形成严密的保护。而且通常环境越潮湿,这个保护膜越厚。因此可以阻止铝材近一步生锈。

(3)极佳的可塑性。这里不得提到一个典型的案例,铝合金塑造极美的车身曲面的案例,如捷豹C-Type、D-Type、以及“最美汽车”E-Type的铝制车体,现在来看依然极富美感,而这种灵龙浮凸的曲面造型,在当时的技术来说,钢材是极难做出来的。时至今日,冲压、钣金技术已经可以让钢材呈现出复杂的曲面甚至是锐利无比的折角(奥迪是最好的代表),不过还是有很多车出于设计考虑,依然选用铝合金材质制造引擎盖,只是这已经属于车身覆盖件的范围了,和主车身无关。

(4)提升操控性。轻量化能降低车身惯性,增加推重比,相同的动力水平下动力表现能有很大提升。而铝合金车身钢性和抗扭性极佳,能给悬架系统调校留出更充足的空间,提升车身速度极限。

(5)节省电能。由于车身轻量化,必然带来电能的节省,在电动车上使用全铝车身,车重每降低10%,电耗可以降低5.5%,从而续航里程增加5.5%。而实现相同里程增量需要增加的电池成本远高于此。因而相比燃油车轻量化并不可观的节油效果,轻量化能让电动车增加的续航里程有意义的多。例如大众e-Golf,通过使用全铝车身成功减重187kg,而同时优化电池配置后成本降低了635欧元。

但是单从材料的性价比和材料的安全性上面来讲,铝合金覆盖件一旦破坏维修的成本是非常高的。另外,在售后维修的时候会存在铝合金车体尺寸精度不容易掌握,而且撞击变形以后修复困难,并且在制造工艺上面来讲铝合金,车身成本也非常高;其次,从车辆的安全上进行考虑的话,和传统的钢材车身相比铝合金车身框架会存在强度不足的情况[4];最后,从装配和研发上面来讲的话,如果全部装配全铝合金车身的话,那么价格就高了,并且生产环节要求也非常的苛刻。

虽然全铝合金车身存在不足,但也不失为纯电动汽车车身轻量化材料的重要一员,目前江淮蔚来ES6全系车型都将采用全铝合金车身,减轻车身的质量,让整车的续航和加速性变得更加的出色。还有很多纯电动汽车车身通过采用大部分铝合金加钢材的手段来减重,北汽某车型,除了后地板总成、车门总成,其他全部为铝合金件,铝合金占车身的80%。

2018年岁首,“全铝车身+全铝底盘”的国内首例城市客车项目顺利通过了中国第一汽车股份有限公司的路试试验。该项目由辽宁忠旺集团与中国第一汽车股份有限公司合作开发,填补了铝合金在客车底盘应用方面的空白,也是新能源客车市场领域的又一大创新。

对于国内车企而言,轻量化已经成为各大车企竞争市场份额的必经之路。新能源汽车过去几年中发展迅速,随着补贴加速减少,行业优胜劣汰也将加速,具备核心技术竞争力和市场驱动力的龙头企业有望受益于集中度提升,市场份额得以提高。

一个利好消息是电动车时代的到来可能会让全铝车身有大的发展,目前世界范围内在政策的引导下,从传统车企到新兴的品牌都投入了电动车的行列,大量资金的投入让这个趋势已经不可逆。

尽管汽车企业与铝型材制造企业纷纷加大对新能源、轻量化技术的研发投入,旨在新一轮的行业竞争中抢占先机。但轻量化是一项系统工程,只有通过结构系统的不断优化,搭配合适的材料,适当控制成本,才能造出真正为市场所接受的轻量化车辆。

3 碳纤维复合材料

碳纤维不是什么新型材料,但是目前在纯电动汽车上的应用也不多。目前的碳纤维车身主要还是用于高端汽车以及赛道汽车上面,典型的就是宝马的i3就用的是全碳纤维的车身,另外很多方程式赛车为了减重也有大量的部件用了碳纤维的材料[5]。就目前而言,碳纤维的成本对于应用碳纤维是一个较大的限制。

下面说一下碳纤维车身的好处。

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它密度低、比性能高,无蠕变,非氧化环境下耐超高温,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小且具有各向异性,耐腐蚀性好,X射线透过性好。其工艺复杂程度非常之高,想要把碳加工成一块适用的碳纤维板材需要经过几百道复杂工艺,成本很高。

碳纤维的强度高于超高强度钢2倍以上,比铝轻30%左右、比钢轻50%左右,强度却是钢的7至8倍,最早用于军工、航天、航空等高科技领域,因为重量极轻、吸震能力优秀、舒适性高。但表面硬度不佳,当施予之外力高于其破坏强度时,会造成断裂,也因为这个原因,碳纤维具备了在发生碰撞时强大的吸能表现[6]。传统的钣金修复工作,对于碳纤维车身并不适用,发生碰撞后产生的形变部件,同样也是以更换为主。

碳纤维能够在正面碰撞时破碎成无数细小不会对人造成伤害的碎片,这与汽车钢化玻璃的破碎原理相似,因此碳纤维车身碰撞时可以吸收大量的冲击动能量,但由于碳纤维很难回收再利用,碰撞后的碎片即使通过高温分解,重新加工生产出的复合材料只具有碳纤维一半的硬度,因此碳纤维也被称呼为“一次性碰撞材料”。

但是随着技术的进步,相信碳纤维材料成本会进一步下降,而工艺会有不断的改进,碳纤维材料无疑会有更多的应用空间。

4 塑料

塑料是一种常见的材料,在传统的汽车生产领域,塑料件在车身其它部位有着广泛的应用如:前后保险杠、仪表盘、进气管、挡泥板、门板、尾翼、后视镜罩等等部位。但应用于新能源汽车车身,却是近些年出现的。

全塑料车身会有哪些优点?第一就是及其有利于轻量化,节省电能。第二是非常容易修复,当金属车身遭遇轻微碰撞后非常容易塌陷,因此在喷漆之前就需要做钣金修复的工作,而塑料件的弹性变形能吸收大量的碰撞能量,再被轻微刮蹭之后一般只需打磨喷漆就可以了。第三是抗腐蚀性极强,不会锈蚀,哪怕在水里泡几个月也毫无问题,不会像金属那样容易腐烂。

目前国内外的很多新能源汽车生产厂家在制造车身时,都有“以塑带钢”的趋势。以奔驰旗下的smart为例,其车身80%都是塑料件,我国某科研机构也成功攻关了新能源汽车全塑车身整体一次成型技术,相信未来全塑车身(或者部分塑料车身)会被纯电动汽车甚至燃油汽车逐渐采用。

5 结束语

纯电动汽车的发展符合汽车绿色环保的发展理念。车身轻量化材料的应用在降低车重、增加续驶里程的同时,又可以提高车辆自身的加速能,对纯电动汽车的发展起着至关重要的作用,只是目前受制于成本与技术的瓶颈未能广泛的应用,相信在不远的将来,通过我们汽车工程师的不断努力,都一定会有所突破。



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