我們認為輕量化將伴隨著汽車的電動化、智能化,成為未來十年新能源汽車發展的重點。

《中國制造2025》中提出:“繼續支持電動汽車、燃料電池汽車發展,掌握汽車低碳化、信息化、智能化核心技術,提升動力電池、驅動電機、高效內燃機、先進變速器、輕量化材料、智能控制等核心技術的工程化和產業化能力,形成從關鍵零部件到整車的完整工業體系和創新體系,推動自主品牌節能與新能源汽車同國際先進水平接軌。我們認為輕量化將伴隨著汽車的電動化、智能化,成為未來十年新能源汽車發展的重點。

1、新能源汽車輕量化的必要性

汽車的行駛阻力與車重成正比,車重增加,會使汽車的油耗大部分消耗在自重上,在100公里時速以下,重量因素決定80%的油耗;時速100公里以上,風阻就成為油耗的主要因素。國際鋁業協會報告指出,汽車自重每減少10%,燃油消耗可降低6%～8%。因此,輕量化是節油的重要途徑。

電動汽車由于特殊的電池驅動結構,相比傳統汽車,由于受電池重量及續航里程因素的影響,對車重更加敏感。新能源汽車電池的重量增加了數百公斤,需要針對車身的耐久性能做特殊設計;同時使用了額外的高壓電,對其安全性要求更高,包括整車的密封、車身的結構、更苛刻的防水要求等。所有這些要求都對新能源汽車的輕量化開發提出了巨大的挑戰。

目前,能夠使用的動力電池的單位比能量與傳統汽車使用液體燃料的單位比能量差距巨大,動力電池系統通常占整車總質量的30%-40%。這就決定了電動汽車在與傳統汽車同等排放量的單位能耗(電耗量/100km)下,不能像傳統汽車那樣靠一次補充能量來實現長距離的行駛。因此,電動汽車必須在電氣化的同時采取比傳統意義上的輕量化技術更先進的方法和措施。

尤其在混合動力汽車領域,由于混合動力汽車的多樣性和特殊性,使得整車結構設計和總布置存在很多困難,而且對整車質量的要求較傳統汽車大大提高。為解決上述問題,結合混合動力汽車整車布置的具體情況,從汽車材料、結構特點等方面對混合動力汽車車身結構進行優化分析和設計,是實現混合動力汽車輕量化的關鍵。輕量化對新能源汽車是艱巨的任務,只有輕量化才能減少昂貴的電池重量,降低整車成本,從而接近市場需求。

另外,國家對新能源汽車的補貼也與單位載質量能量消耗量(Ekg)掛勾,輕量化是Ekg降低的重要手段,因此從車企角度,整車輕量化也是產品研發生產的方向。

2、新能源汽車輕量化的實現路徑

汽車輕量化技術方法有很多,是一個系統工程。新能源汽車的輕量化應從以下兩個重點方向開展工作:一是實現整車30%-40%以上的輕量化——抵消動力系統凈增加的質量(適應現有可用的比能量較低的商品化能源);二是實現動力能源的輕量化——提高現有新能源的比能量或開發新的動力電源。只有這樣,才能有效解決新能源汽車自身重量大、續駛里程短的問題。

電動汽車輕量化不僅是車身的輕量化,還包含傳動設備、電池等。例如增加單位體積的電池容量以實現輕量化,目前對這一技術已能工程化。通過電池的重新排列布置也是提高系統能量密度的有效手段之一。例如通過對電芯尺寸的研究設計,與整車布置相匹配,更高效放置更多的電池,從而使電池箱體積不變,增加電芯數量,實現更長的續駛里程。

就整車制造而言,輕量化技術可以分為三個主要方面:材料、結構設計、制造工藝。

首先是應用高強度和輕質材料,比如高強度鋼材、超高強度鋼板、鋁合金、鎂合金、工程塑料及纖維增強復合材料等。其次是結構的輕量化優化設計,利用結構解析和CAD、CAE等技術進行結構的優化設計,以減少無用材料、減輕壁厚、減少零部件數量等。

第三是采用先進的制造工藝技術,如激光拼焊、輥壓成形、高強度鋼熱成形、內高壓成形等先進制造技術,結構膠粘接和異種材料鉚接等先進連接技術。

其中,采用輕質材料是當前輕量化主流。

1)輕量化材料輕量化材料指的是低密度、高強度,在整車上應用后可提升單位面積承載質量的材料,最常用的如高強鋼、輕質合金(鋁合金、鎂合金等)、非金屬材料等。

高強度鋼:我國普通高強度鋼發展迅猛,車身使用比例接近50%,預計未來可以達到60-65%。超高強度和先進高強度鋼材大幅落后,目前使用比例只有5%,預計未來將有3倍提升空間。綜合來看,我國汽車HSS級以上鋼材比例將從55%提升到70%以上,估計單車需求量增加30%左右。按照2015年33萬輛新能源汽車銷量,高強度鋼消耗近16.5萬噸。我們預計到2020年新能源汽車銷量可達150萬輛,高強度鋼需求為75萬噸,是當前規模的五倍。

鋁合金:鋁合金減重效果顯著優于鋼鐵。汽車使用1kg鋁可替代自重2.25kg鋼材,減重比例高達125%,整個使用壽命周期內可減少廢氣排放20kg。以鋁代鋼的結構設計優化可以實現二次減重,效果可達直接減重的50%-100%。國產汽車用鋁迎來戰略機遇期。2014年中國汽車平均每輛用鋁不到110kg,遠低于北美的158kg/輛和歐洲的145kg/輛。預計未來五年CAGR高達10%,到2020年可以達到170kg/輛,單車使用量提升50%左右,車用鋁材迎來快速成長的窗口期。

鎂合金:鎂是地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一,蘊藏量豐富,在宇宙中含量第八,在地殼中含量豐度2%。含鎂礦物主要來自白云巖、菱鎂礦、水鎂礦和橄欖石等。海水、天然鹽湖水也是含鎂豐富的資源。中國是世界上鎂資源最為豐富的國家,鎂資源礦石類型全,分布廣,儲量產量均居世界第一。密度小,比鋁輕三分之一,其比強度(抗拉強度與密度之比值)較鋁合金高,疲勞極限高,能比鋁合金承受較大的沖擊載荷,導熱性好,鑄造性好;尺寸穩定性好,易于回收,有良好的切削加工性,有較好的減振性能,在諸多方面比工程塑料優越,可替代工程塑料,在煤油、汽油、礦物油和堿類中的耐耐蝕性較高等。將是未來發展前景極為廣泛的金屬類材料。

玻纖復材:目前汽車廠商節能降耗壓力大,汽車輕量化是實現節能降耗重要途徑,玻纖增強熱塑性復合材料是汽車輕量化主流材料。玻纖增強復合材料在性能、成本上優于普通塑料和鋁合金等材料。一方面玻纖增強復合材料相比普通塑料的耐熱性、抗沖擊等指標領先,另一方面玻纖增強復合材料較鋁合金等在成本上優勢突出。目前我國玻纖增強復合材料市場主要以化工類企業為主,單一客戶需求量有限,企業需要具備技術+銷售結合的能力開拓新市場。目前總體來看大型企業偏少,集中度不高。

工程塑料:工程塑料具有突出的成型性、輕量化以及面對強烈撞擊時能夠緩沖吸能,已成為一個衡量一個國家汽車工業發展水平的重要指標。據統計,發達國家汽車的單車塑料平均使用量為120千克,占汽車總重量的12%-20%,而這個比例還將持續升高,預計到2020年,發達國家汽車平均用塑料量將達到500千克/輛以上。然而塑料剛度低、易老化,未來在車身大量運用仍面臨不少安全隱患。

碳纖維:碳纖維力學性能優異,密度不到鋼的1/4,抗拉強度卻是鋼的7-9倍,是唯一一種在2000℃以上的高溫惰性環境中強度不下降的物質。寶馬在i3和i8量產車上的大規模運用更是將碳纖維造車風潮推向頂峰。然而碳纖維也是一種脆性材料,一旦受力過大就會直接斷裂,損壞后基本無法修復,而高昂的制造成本和回收費用更使得當前碳纖維的應用主要還局限于高端跑車、越野車和運動賽車上。

在新能源汽車領域,將以碳纖維復合材料為重點突破口,從基礎研究和數據積累做起,從少量選裝套件做起,逐步向車身覆蓋件、結構件、功能鍵延伸。

在新能源汽車中,電池箱體材料的輕量化也成為近年來企業研發的熱點。傳統的電池箱體采用鋼板、鋁合金等材料鑄造,然后對表面進行噴涂處理。而碳纖維具有較高的比強度,碳纖維與環氧樹脂形成的復合材料密度僅為1.6kg/m3,是典型的高強度輕量化材料,并且其還具有優良的耐蝕性和阻燃性,因而在性能方面是傳統金屬材質電池箱體的理想替代品。

2)結構設計

在現代汽車工業中,CAD/CAE/CAM等計算機一體化技術在汽車的設計過程中起著非常重要的作用。利用CAD/CAE/CAM一體化技術,可以準確地對新能源汽車的實體結構和布局進行設計,對各關鍵構件板材厚度的變化進行靈活分析,并可從數據庫中提取由系統直接生成的有關該車的相關數據進行工程分析及剛度、強度計算,實現對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。同時,通過開發新能源汽車車身、底盤、動力傳動系統等大型零部件整體加工技術及相關的模塊化設計、制造技術,使新能源汽車從制造到使用各個環節都真正實現節能、環保。通過結合參數反演技術、多目標全局優化等現代車身設計方法,研究汽車輕量化結構的優化設計技術,包括多種輕量化材料的匹配、零部件的優化分塊等。從結構上減少零部件數量,確保在汽車整車性能不變的前提下達到減輕自重的目的。

車身輕量化不是單純的一味減輕質量,車身在輕量化過程中需要考慮很多方面,整車結構的安全性便是其中最重要的一點。由于目前國內外還沒有統一制定新能源汽車的安全碰撞標準及其他安全指標,汽車生產企業在進行輕量化的過程中需要運用仿真軟件ANSYS、CATIA、UG進行仿真設計,對輕量化設計后的車身進行結構剛度、材料疲勞性及安全碰撞等分析,從而提高新能源汽車的可靠性和安全性。

隨著并行工程、計算機技術等現代工程技術的快速發展及其在汽車車身設計分析中的廣泛應用,新能源汽車車身結構輕量化設計的發展呈現出以下特點:①結構設計與性能分析并行;②優化思想在設計的各個階段均被運用;③虛擬仿真實驗技術得以采用,并部分用于代替實物實驗;④車身概念設計成為車身設計的一個重要階段;⑤有限元法得到廣泛應用。

3)制造工藝

在完成車身結構優化設計和選用輕量化材料之后,激光拼焊技術、熱壓成型技術等先進的加工制造工藝成為了是新能源汽車輕量化目標實現的關鍵因素,直接決定汽車輕量化應用的結果是否成功。

人們對新能源汽車的需求趨向于安全性更強、質量更輕且燃料利用效率更高等方面,先進高強度鋼材、工程塑料及輕質金屬等多種材料成為新能源汽車的重要車體結構材料。如果將上述材料單獨使用,就會給最大限度減輕車體質量的潛能帶來限制。通過粘接、鉚接、翻邊搭接、釬焊、螺紋連接等多種連接技術,巧妙地將上述多種減輕車體質量的材料結合在一起,能夠克服安全性差、質量難以減輕和加工成本高等難題,從而為新能源汽車提供一種多材料優化組合的輕量化車身結構。

另外,新能源汽車制造中開始研究熱沖壓成形技術。熱沖壓成形技術是一個塑性變形和材料組織變化同時產生的工藝,因此塑性加工技術人員和材料開發技術人員必須比以往的冷加工成形研究更加密切協作。加熱冷卻技術必須結合新能源車身和底盤零部件的結構設計進行深入研究,以便可以實現零部件不同部位到達預期強度的要求。

3、新能源汽車輕量化前景雖然輕量化材料的確能降低汽車的整體重量和碳排放量,但也大大增加了汽車的成本,目前新能源汽車輕量化的成本還沒有具體量化的數據。車企及動力電池企業在輕量化方面更多的是在現有材料體系上減少用量,在設計與造型上作些改造,從而降低車重。輕量化材料應用方面國內還處于研發階段,現有車型均沒有批量化應用新型材料。新材料從實驗到量產周期長,且研發成本高,企業還沒有大規模地進行研發。目前主要是國外車企進行研發,國內大型車企也有相關技術儲備,小企業處于跟風狀態。

隨著新能源汽車產品的成熟,產銷量逐漸增多,成本也會隨之下降,市場競爭將會圍繞產品性能與品牌等方面展開,新能源汽車將直接與傳統汽車競爭。隨著消費者對汽車要求的提升,輕量化的需求也會越來越高,現在工藝及結構設計已不能滿足整車對輕量化的要求,新材料的應用將會成為普遍現象。