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原标题:新能源汽车车身轻量化的发展趋势与技术路径,

浏览次数:195 时间:2019-08-12

大家好,我是来自上汽集团技术中心的邱国华,负责荣威和名爵这两个品牌所有车型车身的开发工作。今天,我的报告的题目是“新能源汽车车身轻量化的发展趋势与技术路径”,主要从新能源汽车的发展背景、新能源汽车车身轻量化的必要性、车身轻量化的途径及主要挑战和车身轻量化的突破点五个方面,与大家分享一下我们通过新能源汽车车身开发所获得的一些体会。

《中国制造2025》中提出:“继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展,掌握汽车低碳化、信息化、智能化核心技术,提升动力电池、驱动电机、高效内燃机、先进变速器、轻量化材料、智能控制等核心技术的工程化和产业化能力,形成从关键零部件到整车的完整工业体系和创新体系,推动自主品牌节能与新能源汽车同国际先进水平接轨。我们认为轻量化将伴随着汽车的电动化、智能化,成为未来十年新能源汽车发展的重点。

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1、新能源汽车轻量化的必要性

我的报告的第一部分是新能源汽车发展的背景,大家都清楚,目前汽车工业面临比较大的挑战,一个是能源的危机,公开资料表明,2012年的时候中国石油对外依存度达到57%,汽车燃油消耗约占总消耗量的55%,而且随着汽车保有量的增加,这一比例将继续增加;针对汽车的燃油消耗,国家已于2011年出台了《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》,在这份文件中规定,到2015年我国乘用车平均燃油消耗量应限制在6.9L/100KM,到2020年限制达到5.0L/100KM;另外一个挑战是环境污染,据统计,城市大气中82%的CO,48%的NOx、58%的碳氢化合物及8%的微粒来自汽车尾气,而且北京、上海、广州中心城区80%的二氧化碳是由机动车产生的。为此,国家针对汽车尾气排放也制定了相应的标准。

汽车的行驶阻力与车重成正比,车重增加,会使汽车的油耗大部分消耗在自重上,在100公里时速以下,重量因素决定80%的油耗;时速100公里以上,风阻就成为油耗的主要因素。国际铝业协会报告指出,汽车自重每减少10%,燃油消耗可降低6%~8%。因此,轻量化是节油的重要途径。

面对这样的挑战,我们上汽集团已经陆续推出了各种类型的新能源汽车,比如荣威E50纯电动汽车实现了0油耗和0排放,还有基于荣威750平台的燃料电池车和基于荣威550的平台的插电式混合动力车;目前,我们还在不断研发更多的新能源汽车,都是为了应对汽车工业发展面临的这些困难和挑战。

电动汽车由于特殊的电池驱动结构,相比传统汽车,由于受电池重量及续航里程因素的影响,对车重更加敏感。新能源汽车电池的重量增加了数百公斤,需要针对车身的耐久性能做特殊设计;同时使用了额外的高压电,对其安全性要求更高,包括整车的密封、车身的结构、更苛刻的防水要求等。所有这些要求都对新能源汽车的轻量化开发提出了巨大的挑战。

新能源汽车对我们的车身有什么特殊的要求呢?对于传统的汽车车身开发,从安全、耐久、NVH性能等方面都提出了很多的要求;但对新能源汽车车身来说,由于使用了额外的高压电,对其安全性要求更高,更加苛刻,耐久性能方面,由于电池的重量增加了数百公斤,需要针对车身的耐久性能做特殊的设计;整车NVH性能方面,包括整车的密封,车身的结构,更苛刻的防水要求等。所有这些要求都对车身的开发提出了新的挑战,这就是我们从事车身设计开发的每一个工程技术人员都面临的一个问题。

目前,能够使用的动力电池的单位比能量与传统汽车使用液体燃料的单位比能量差距巨大,动力电池系统通常占整车总质量的30%-40%。这就决定了电动汽车在与传统汽车同等排放量的单位能耗(电耗量/100 km)下,不能像传统汽车那样靠一次补充能量来实现长距离的行驶。因此,电动汽车必须在电气化的同时采取比传统意义上的轻量化技术更先进的方法和措施。

满足上述要求会导致车身重量的增加,这是一个螺旋,车身重量的增加会导致续航里程的减少。从车身轻量化的角度来看,我们需要弥补因为车身性能要求的增加和电池的重量增加而带来的影响。从这张图中可以看出,相比传统能源的汽车,电动车增加了一部分重量,同时要求整车重量还要保持在传统车的水平,甚至比传统车身更轻,怎么办?我们始终在寻求车身轻量化方面的一些途径。在整车开发方面,专家们已经形成了比较大的共识,其实车身轻量化,无外乎这三个方面:新材料的应用,车身结构设计的不断优化,由于新结构、新材料的应用引入的先进制造工艺的使用。

尤其在混合动力汽车领域,由于混合动力汽车的多样性和特殊性,使得整车结构设计和总布置存在很多困难,而且对整车质量的要求较传统汽车大大提高。为解决上述问题,结合混合动力汽车整车布置的具体情况,从汽车材料、结构特点等方面对混合动力汽车车身结构进行优化分析和设计,是实现混合动力汽车轻量化的关键。

我们要求在不使用新材料新工艺的前提下也要探究怎么样不断优化车身的结构,不断从最早期的概念设计拓展到具体结构的优化,甚至到每一个层面具体的调整,我们要对每一克的金属材料都做到优化。先进材料的应用会导致连接工艺的变化,还有多材质材料的应用,这些都会对整个车身开发的方向带来一些影响。我今天的报告主要从这三个方面阐述一下我们从国外先进OEM中学到的一些经验,以及我们自己的一些探索。

轻量化对新能源汽车是艰巨的任务,只有轻量化才能减少昂贵的电池重量,降低整车成本,从而接近市场需求。

第一部分讲轻质材料的应用。这个数据是从2014年欧洲车身年会的数据中总结出来的,总体来看车身使用的材料有很多,包括热成型、铝、镁、塑料还有其它材料,左边是不同的A级或者A0级车车身的材料应用情况,到右边是逐渐到豪华车,可以看出来第一个趋势是多材料的混合车身是车身轻量化发展的趋势,铝合金、复合材料在车身上的应用在逐步地增加。刚才曹院长讲过宝马的i8、i3,实际它使用的就是碳纤维的车身,碳纤维增强复合材料的应用比例达到了60%。整个车身由铝合金的车架和碳纤维复合材料的乘客舱构成,通过集成设计,BMW i8的轻量化系数已经达到0.99,i3是1.26,对于传统的车身开发水平来说,是一个不可达到的境界。另外福特,奔驰使用的混合材料也是非常多的。左边可以看到传统的一些经济型的车,比如马自达2和菲亚特500,他们还是坚持使用传统的车身材料,这也是跟整车定位和成本相关的。我们知道最早采用全铝车身是奥迪A8,它是各种形式铝合金的综合应用,在纵梁方面,以及承载性零件上都使用了大量的挤压铝合金,在安全件上用了很多压铸铝合金,覆盖件和大型的非承载零件,用了冲压的铝板材冲压件。也就是说铝合金的车身,根据它的车身结构性能的要求不同,在不同的部位使用不同的铝材,这样整个车身的轻量化系数也是达到了1.25的水平,对于车身来说,这是一个革命性的突破。可以看到我们前面的路还很长。由于轻量化的铝车身的开发,在连接方式方面奥迪A8上也有很多的创新和突破。

另外,国家对新能源汽车的补贴也与单位载质量能量消耗量挂勾,轻量化是Ekg降低的重要手段,因此从车企角度,整车轻量化也是产品研发生产的方向。

这张图展示了先进的制造工艺,我们看到沃尔沃XC90,今年我们国内也会看到这辆大的SUV,车身很重,它的轻量化系数是3.22,但整车在轻量化的局部设计上也做了很多的突破。还有一个明星车型是奥迪TT,它是钢铝混合的车身,铝合金占了35.8%,钢21.6%,因为奥迪TT已经到了第三代,在上一代的奥迪TT基础上继续减了17公斤,我们知道上一代奥迪TT已经减重了三十几公斤,虽然奥迪TT已经在轻量化上做出了很大的成绩,但是每一代奥迪车型的发展过程中轻量化始终是它追求的方向,奥迪TT的车身轻量化指数已经达到2.24。所以奥迪在车身轻量化技术方面的突破和持之以恒的追求,是值得我们学习的。给大家介绍奥迪TT的例子也是因为它的铝合金的材质的使用,导致引入了很多先进的连接工艺支持钢铝混合车身的制造,因为突破钢和铝的连接,还有各方面的性能要求,奥迪TT是传统的焊点只用了3042个,同时使用了6种冷连接技术,可以等效传统车身的焊点,据测算等效于4624个焊点,也就是说我们在关注车身结构新材料使用的同时,一定要记住我们连接技术的发展也是突飞猛进的,只有在连接技术发展方向上做一些基础性的研究,才能支持我们最终开发出来的车身结构在性能、安全、轻量化上达到综合的平衡,大家如果有兴趣可以在欧洲车身年会的网站上下载一些有关奥迪TT冷连接技术的介绍。

2、新能源汽车轻量化的实现路径

还有一些先进制造工艺,比如补丁板热成型,它是更改了原来的制造顺序,先焊接再热成型,这样既缩短了时间,还提高了效率。

汽车轻量化技术方法有很多,是一个系统工程。新能源汽车的轻量化应从以下两个重点方向开展工作:一是实现整车30%-40%以上的轻量化——抵消动力系统净增加的质量(适应现有可用的比能量较低的商品化能源);二是实现动力能源的轻量化——提高现有新能源的比能量或开发新的动力电源。只有这样,才能有效解决新能源汽车自身重量大、续驶里程短的问题。

讲完这么多材料或者工艺,还是回到根本的事情上,那就是如何优化车身的结构。在中国的市场竞争中,我们价格战打得非常厉害,车型价格不断下探,我们能否在保持低成本开发的前提下,在现有结构上的优化下用最小的成本达到最大的轻量化效果。这里有一个比较典型的车型,新一代马自达2,同级别车中,比如跟菲亚特、标致的车型相比,它的轻量化效果是非常显著的,轻量化系数达到3.02,而且热成型零件重量只占1.7%,用的很少,这也是跟成本相关的,它主要是提高钢材的强度,同时优化结构设计,达到轻量化的目的。

电动汽车轻量化不仅是车身的轻量化,还包含传动设备、电池等。例如增加单位体积的电池容量以实现轻量化,目前对这一技术已能工程化。通过电池的重新排列布置也是提高系统能量密度的有效手段之一。例如通过对电芯尺寸的研究设计,与整车布置相匹配,更高效放置更多的电池,从而使电池箱体积不变,增加电芯数量,实现更长的续驶里程。

综合考虑轻量化和成本性能之间表现的平衡,结构效率的最大化实际上是这个平衡的关键路径。我们结构优化的目的就是为了贡献一个好的车身,比如最低燃油经济性,最好的碰撞安全性和操控稳定性等,同时给我们的客户带来最低的使用成本和维修成本。在结构设计优化中有一些典型的设计优化的途径,比如说通过前舱设计的不断优化,形成了多条传力路径,提高整车的碰撞安全性;还有形成一些环状结构,提高整车的刚度。

就整车制造而言,轻量化技术可以分为三个主要方面:材料、结构设计、制造工艺。

传力路径的优化实际上还包括具体零部件的优化。据调查,我们虽然可以通过增加材料的厚度提升结构的刚度,但到一个极点以后它的提升作用是有限的,这个时候我们还是要不断的优化截面的形状,比如右上角这个图是马自达所做的一个材料强度和截面形状对零件的性能效率影响的案例,通过把这个梁的截面形式做优化,在相同的材料基础上它的性能会有极大的提升。马自达的创驰蓝天平台做了很多类似的研究,车身结构设计优化的每一个点都是可以挖掘的。当然从这个开发过程中我们一直强调虚拟分析方法的一个综合应用,通过MDO等优化设计方法,以实现最小的计算量实现最优的结构。据马自达介绍,通过充分利用虚拟分析工具,其开发周期缩短了8个月,减重35.6公斤,前前后后做了约6万次的虚拟分析,包括后期技术实验,虚拟实验和实际车身实验的相关性达到了很好的效果。

首先是应用高强度和轻质材料,比如高强度钢材、超高强度钢板、铝合金、镁合金、工程塑料及纤维增强复合材料等。

这张图显示了我们车身轻量化的一个挑战。新材料和新工艺肯定会导致整车制造成本的上升,现在采用铝合金材料每减重一公斤成本增加约60元,当然随着这几年的发展这个值会不断的下降,镁铝合金的使用每减重1公斤大约增加130元,采用碳纤维增强复合材料每减重一公斤成本增加180元以上。我们在关注未来车身在复合材料应用方面的发展,是不是会有一些技术性的突破,能够提高复合材料零部件的生产效率,从而能够适应汽车大批量规模化生产的速度,比如说我们要求1小时48辆车或者60辆速度的要求。现在碳纤维增强复合材料零部件的生产效率,据我了解大概为5~8分钟一个零件,这种速度是不能适应大批量规模化生产的。

其次是结构的轻量化优化设计,利用结构解析和CAD、CAE等技术进行结构的优化设计,以减少无用材料、减轻壁厚、减少零部件数量等。

还有一个挑战,刚才讲在宝马、奔驰或者国外其他的OEM他们在结构设计上已经比较成熟,但相对国内本土厂家来说,我们的设计能力还是比较弱的,还是逐步在学习。还有新材料新工艺在CAE分析方法方面的缺乏,怎么样缩短我们的虚拟分析时间,快速投放产品到市场上。还有在座的供应商朋友,我们怎么样在一些零部件开发的核心技术上,怎么样跟整车的开发取得同步的突破。另外,对整车厂来说,传统工艺冲击那么大,我们整车厂在考虑新的工艺,我们要考虑重新的布局和投资,是不是以后油漆厂、焊接车间都要取消或者新建一些焊接车间,这些都会影响整个工厂的投资成本,都是很大的挑战。我们可能需要一步一步来,同时还是要综合的考虑到这些未来的冲击。

第三是采用先进的制造工艺技术,如激光拼焊、辊压成形、高强度钢热成形、内高压成形等先进制造技术,结构胶粘接和异种材料铆接等先进连接技术。

面临挑战,我们要做的,第一个是提高优化能力,加强同步工程,CAE和CAD的建模同步,加强轻量化设计。第二点,轻质材料和高强钢应用并重。不仅仅是新材料应用,我们还要考虑成本压力,加强高强钢应用。第三点,携手供应商突破技术壁垒。

其中,采用轻质材料是当前轻量化主流。

文章来源:盖世汽车网

1)轻量化材料

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轻量化材料指的是低密度、高强度,在整车上应用后可提升单位面积承载质量的材料,最常用的如高强钢、轻质合金、非金属材料等。

高强度钢:我国普通高强度钢发展迅猛,车身使用比例接近50%,预计未来可以达到60-65%。超高强度和先进高强度钢材大幅落后,目前使用比例只有5%,预计未来将有3倍提升空间。综合来看,我国汽车HSS级以上钢材比例将从55%提升到70%以上,估计单车需求量增加30%左右。按照2015年33万辆新能源汽车销量,高强度钢消耗近16.5万吨。我们预计到2020年新能源汽车销量可达150万辆,高强度钢需求为75万吨,是当前规模的五倍。

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