电动车要轻量化,汽车行业需要转变哪些思维?

  • 发表于: 2016/11/29 08:14:35 来源:车云网

在材料大作战的过程中,汽车行业的生产模式、供应商模式和组织结构都发生了变化。

11月26日,中国电动汽车百人会召开第七次电动汽车热点问题研讨会,议题为“电动汽车的轻量化”。来自政府、行业学会、高校和企业的100余名嘉宾参与了讨论,中国电动汽车百人会理事长陈清泰对研讨会进行了总结发言。车云菌将会议核心信息整理如下。

汽车轻量化的意义

从市场、汽车设计的角度,也许需要的是一个大车,一个豪华车,但是清华大学教授周青表示,从技术和汽车工程的角度,小型化和轻量化才有意义。轻量化不仅可以帮助节能减排,而且能提升车辆使用效率和行车安全。 

清华大学教授周青清华大学教授周青

汽车轻量化与节能减排存在直接关联。根据相关政策,到2020年,车企平均油耗必须降低到每百公里5升。工业和信息部原材料工业司副司长潘爱华介绍,统计估测,汽车整车重量减少10%,就能节油6%到8%,油耗能够下降每百公里0.3到0.6升,氧化碳排放降低5~8克

而对于新能源汽车而言,因为净增电池重量达到了300Kg以上,因此轻量化更是必不可少的课题。周青表示,目前电动车电池能量密度提高困难,直到电池或者储能装置可以达到今天汽油,氢燃料的能量密度,才可能比较任意地按照今天的原理设计汽车。所以我们必须在现有电池能量密度的情况下,把车设计得更小更轻,从而增加电动车的续航里程,提升它的能量利用率。

一个明显的现象是,目前路上家用汽车的空间利用率仍然很低。行车时只有一名乘员,大部分时间车辆被闲置在停车场,从这个角度来看,更小更轻的车更加能满足使用效率。

从安全角度来看,轻量化和小型化可以令车更加安全。2000年前后美国联邦政府交通部研究的一个结论显示,如果能够降低道路车辆的平均重量,能减少道路净伤亡。并且随着主动安全越来越发达,又小又轻的车更容易控制,在与行人和自行车碰撞时,造成的伤害也会降低。

汽车轻量化的三个途径

汽车轻量化有三个途径,一个是结构设计的优化,一个是使用轻量化材料,还有一个是轻量化材料的成型技术。

1.结构设计优化

在电动车轻量化的谈论中,如何围绕电池减重是一个被多次提到的话题。电池组在车里相当大的部件,空间和重量都很大,设计结构时一定会关注电池的排布。同时根据碰撞时受到什么样的工况,以此评估电池风险。安全和减重是结构设计时需要平衡的天平两端。

周青提出,电动车电池的安全设计目标是不着火,而不是不变形。为了不让电池变形,只能增加很多结构和材料。电池本身可以承受一定的冲击和变形,设计时主要应该考虑电池的碰撞失效和内部短路会存在起火风险。

这个思路与人体碰撞保护类似,任何法规在设计车的人体碰撞保护时,都不是要满足给定的工况下不许受伤,而是再给定工况下产生一个可接受的受伤,尽量不要产生终身残疾。因此,研究需要找出电池的碰撞损伤准则和容限,在起火前能承受的最大变形和最大冲击

拓扑优化是结构优化的一种,不同于车辆构件的尺寸优化和形状优化,是对布局和节点联接关系进行优化,使结构的某种性能指标达到最优化。 

汽车厂在新车开发时,公司决策层会给出一个整车定义,包括车多大多重,涉及到成本控制,同时希望车达到什么性能。拓扑优化能够在给定设计空间,给定设计重量,给定设计性能的约束下,迅速得到一个布局和节点联接基本判断,为设计人员提供结构质量最轻、性能最优的力学传递路径方案。

湖南大学教授成艾国湖南大学教授成艾国

据湖南大学教授成艾国介绍,湖南大学已经用拓扑优化的办法对电动汽车的骨架进行优化。基于拓扑优化方法的轻量化策略相比常规轻量化方法可节约30天开发时间、多减重22.4kg,同时还可以不同程度的提升整车性能。

2.轻量化材料

目前轻量化材料主要有复合材料、铝镁合金、高强钢和陶瓷材料。

钢铁材料是汽车生产的主要材质,在同等的强度条件下,如果采用高强度钢就可以最大限度的减轻钢板的厚度,达到减轻车身自重的目的。目前高强钢主要应用在汽车的安全件、底盘和车身等方面。 

铝合金减重效果多于钢铁,汽车使用一公斤铝合金等于2.25公斤的钢铁,铝合金和钢铁材料相比,热导率高、耐腐蚀性好、加工性能等优良等优点,但强度不如高强钢。

工程塑料和复合材料是汽车轻量化的首选用材

一般塑料的比重0.9-1.5%。在复合材料中,碳纤维材料具有密度低、强度高、耐腐蚀、耐高温等特性被寄予厚望。发达国家已经把汽车用塑料量的多少作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志

汽车复合材料的发展结合了化工、机械制造和汽车复合材料设计等多学科的技术,它主要集中应用在汽车底盘、车身覆盖件和次结构部件三个领域。许多企业的T700、T800和T1000碳纤维产品达到了一千吨以上的产能,并且将碳纤维材料在汽车上的应用作为主攻方向。 

3.轻量化材料的成型技术

采用新工艺可大大减少零部件使用数量,实现轻量化目标。意大利APS技术有限公司总裁王嘉介绍,铝型材的三维弯曲、钢铝焊接以及碳纤维零件的成型是目前面临的全新工艺

意大利APS技术有限公司总裁王嘉意大利APS技术有限公司总裁王嘉

其中,碳纤维总成的方式已取得突破性进展,在兰博基尼Sesto Elemento的项目中,将前围、地板、后围集成为一个整体式座舱,取代了传统结构的48个零件,而是把零件分为4—6大片,成型之后直接粘接,工艺简单,但减重效果突出。整备质量在加注燃料和其它液体前只有960 公斤。王嘉认为,2020年之后,热塑成型碳纤维将越来越普及,钢板被大量替代。

国内外汽车轻量化发展情况

在汽车轻量化方面,国内与国外企业相比,还存有不少差距。

德国在汽车轻量化方面处于领先低位,主要受益于工业结构。德国第一大工业是汽车,第二是机械制造,第三是化工,化工和机械制造比重相仿,这样的工业结构使得他们在汽车轻量化应用方面,能够从材料加工技术和整车方面能够有很好的融合。

工业和信息化部原材料工业司副司长潘爱华工业和信息化部原材料工业司副司长潘爱华

工业和信息化部原材料工业司副司长潘爱华指出,我国在轻量化研究上与发达国家存在5个方面的差距:

第一,材料行业本身。我国材料品种、数量、性能与国外还有很大差距。

第二,国内汽车行业。特别是合资品牌有自成体系的供应商链,国产材料企业进入非常困难,导致国内材料企业明显滞后于汽车产业发展。

第三,材料和加工成本控制难度大。碳纤维这样的复合材料,本身成本可能不是贵得多么离谱,但是由于加工效率低,导致了对汽车部件和汽车厂来说成本增加很大。

第四,标准缺失。我国还没有完整的汽车塑料零部件技术和产品标准,包括技术方面的测试标准,还存在缺失。

第五,国内汽车企业和材料企业的融合不够。

汽车轻量化带来哪些变化? 

一种生产模式的变化。奇瑞新能源汽车技术有限公司副总经理、研究院院长倪绍勇在分享时介绍,公司在做轻量化产品时,认为不是局限在做一个车,而是一个全新的架构,从根本上把传统车的对于新能源来说不好的地方去除掉,充分体现电动化、新材料和新技术的特点

奇瑞新能源汽车技术有限公司副总经理、研究院院长倪绍勇奇瑞新能源汽车技术有限公司副总经理、研究院院长倪绍勇

奇瑞的S51车型是首个大批量生产的全铝车身架构汽车产品,重量比传统车减重30%到40%。采用共享的技术平台,采用首款全铝车身,改变了整体布置,采用技术创新,如断面设计,3D的弯曲,激光焊接等,和传统的车身制造、设计制造有很大不同。

汽车工程学会副秘书长张宁汽车工程学会副秘书长张宁

一种供应模式的变化。汽车工程学会副秘书长张宁指出,在轻量化技术的逐渐发展中,原材料供应商变成了部件供应商

例如碳纤维在汽车上的应用改变了传统汽车的设计,开发流程、设计思想以及制造工艺,其根本原因在于碳纤维材料是可设计的,比如用长纤维还是短纤维等等。未来碳纤维应用于汽车没有标准化的材料,整个车和零部件的开发过程就是材料开发过程

一种组织结构的变化。单从车企来看,轻量化带来了生产平台和开发模式的调整,汽车厂不可能把所有的资源都变成自己的员工,一定要利用国际资源,利用广泛社会资源来实现目的。

轻量化的问题很复杂,因此需要跨产业协同及产学研合作方面。目前这方面仍然存在不足。例如,现在理论上已经找到大幅提高碳纤维性能,使原有成本降低三分之一的方法,但是由于缺乏交叉学科人才,厂商与科研团队之间沟通不畅,严重阻碍了轻量化进程。

如何推动汽车轻量化发展?

潘爱华在总结推动汽车轻量化发展时提到了四点:

第一,组织行业协会、企业和专家尽快建立中国汽车工业塑料材料的标准体系,并建立材料自身的材料论证体系,进行材料的性能检测、应用验证、技术稳定性、安全可靠性评价等等。

第二,鼓励产业链上下游合作组建产业联盟,支持汽车工业与国内塑料行业之间深入交流,实现强强联合,突破国产改性塑料进入汽车整车及关键零部件市场瓶颈,让一部分性能稳定、品质过硬的国产材料优先进入汽车产业链。

第三,通过强基工程、智能制造工程、绿色制造工程等专项支持建立汽车材料应用评价公共服务平台,以及汽车材料生产制造技术的产业化。

第四,推动电动汽车行业和化工行业的骨干企业,联合成立一个轻量化新材料的产业基金,聚集更多的社会力量来推动汽车轻量化。

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