毋庸置疑, 輕量化已經成為新能源汽車未來的發展趨勢. 2016年10月份, 國家強國戰略諮詢委員會, 清華大學教授歐陽明高作為代表發布了備受關注的《節能與新能源汽車技術路線圖》, 顯而易見, 輕量化技術的發展已上升到國家層面.
其中路線圖包括輕量化技術在內的節能汽車, 純電動和混合動力汽車, 燃料電池汽車, 智能網聯汽車和汽車製造, 動力電池技術, 汽車製造技術7大方向, 內容如下圖所示.
輕量化技術領域的相關研究得出, 重量的減輕直接意味著續航裡程的增加. 如純電動汽車整車重量若降低10kg, 續駛裡程則可增加2. 5km, 中國科學院楊院生教授在接受採訪時表示, 同樣認同此結論, 並補充到, 提升電動汽車的續駛裡程, 除了加強電池和驅動系統之外, 與車身輕量化的程度也密不可分, 而車身輕量化最明顯的特徵就是材料的選擇. 目前, 應用於新能源汽車的輕量化材料主要有高強度鋼, 鋁合金, 鎂合金, 碳纖維等幾種.
圖示: 輕量化材料的選擇
接下來, 小編就對以下幾種輕量化材料的特性及應用做出梳理, 供大家參考.
1, 輕量化材料——高強度鋼
應用於新能源汽車領域的高強度鋼根據強化機理的不同, 可分為普通高強度鋼 (ConventionalHSS) 和先進高強度鋼 (AHSS) , 先進高強度鋼延塑性更好, 在滿足工藝性能的同時也具有更高的輕量化潛力.
圖示: 高強度鋼屈服強度情況
目前, 國際主流車型的高強度鋼占車身的比例已達70% 以上, 其中自主品牌中高強鋼的應用已達45% . 據了解, 中國是高強度鋼應用最普遍的國家, 車身使用比例接近50% , 預計未來可高達60- 65% , 但是超高強度和先進高強度鋼材大幅落後, 目前使用比例僅有5% , 預計未來將有3倍提升空間.
圖示: 高強度鋼車身
業內專家認為, 在抗碰撞性能, 加工工藝和成本方面, 高強度鋼相比鋁, 鎂合金具有明顯的優勢, 能夠滿足減輕汽車質量和提高碰撞安全性能的雙重需要, 甚至從成本與性能角度來看, 是目前滿足車身輕量化, 提高碰撞安全性的最佳材料.
2, 輕量化材料——鋁合金
鋁的密度僅有鋼鐵的1/ 3, 導熱性卻比鐵高出3倍有餘. 最值得一提的是, 鋁代鋼的結構設計優化可以實現二次減重, 效果可直接減重50% - 100% . 相關研究表明, 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. 由此可見, 鋁合金憑藉其高強度, 可迴圈性, 耐腐蝕, 密度低等優質性能成為汽車減重首選材料, 鋁材在汽車上的使用量將快速增長, 汽車用鋁進入黃金期.
而國內車企對鋁合金材料的應用中, 就不得不提奇瑞新能源, 公司推出的新一代純電動微型車——小螞蟻 (代號eQ1) , 在結構上採用了' 全鋁空間結構+ 全複合材料外覆蓋件 '的組合形式, 很好的控制了車身重量, 降低製造成本, 實現了更好的車身輕量化.
圖示: 小螞蟻
圖示: 全鋁框架+ 複合材料外覆蓋件
但全鋁身的不足同樣不容小覷, 當車身受到碰撞損壞時, 鋁合金材質整形難度較高, 一旦操作不當, 零部件則很可能會出現裂紋甚至斷裂, 一般鋁合金部件損壞後, 如果鈑金工藝無法調整好, 基本上就只能整體更換. 另外, 鋁合金材質需要特殊的工藝才能焊接. 因此, 全鋁車身意味著後期的維修成本可能會更高.
特斯拉作為全球純電動車的開拓者, 在汽車輕量化的道路上也早已開始探索. 其標誌性車型ModelS的車身就用到了大量的鋁合金, 並且通過特殊的焊接技術實現了鋁合金構件與鋼構件的連結.
圖示: 特斯拉MODEL3全鋁車身
3, 輕量化材料——鎂合金
鎂密度小, 甚至比鋁輕1/ 3, 其比強度 (抗拉強度與密度之比值) 較鋁合金高, 導熱性好; 另外, 鎂合金尺寸穩定性好, 易於回收, 有良好的切削加工性, 減振性能較好.
圖示: 純電動鎂合金公交車
銀隆純電動鎂合金公交車還搭載了帶有主動均衡技術BMS系統的高性能鋰離子電池, 具有高安全, 高穩定, 充電快, 抗衰減能力強等特點, 結合鎂合金車身等諸多優點, 在為乘客提供更加低碳, 環保出行解決方案的同時, 可靠性更佳, 助力城市安全出行.
眾所周知, 中國鎂的產量佔全球大約75% 以上, 讓新能源車實現車身輕量化帶來了方便. 中國汽車工程學會做了一個節能與輕量化路線圖, 預計在未來10年左右, 鎂應用在高端車上能突破100公斤/ 每輛, 在普通車上面能夠突破20公斤/ 每輛.
國內目前已有多家公司試製鋁合金車身, 更有專家認為, 鎂合金車身可能會成為汽車輕量化的主流車身材質.
4, 輕量化材料——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.
根據國內某諮詢公司發布的研究報告顯示, 未來幾年我國碳纖維需求量將進入快速增長期, 預計到2020年國內碳纖維的需求將達25, 000噸, 年均增長速率約15. 5% . 而工業領域的需求上升將更為突出.
作為汽車輕量化的先驅之一, 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. 2015年推出的第六代寶馬7系就首次將碳纖維複合材料與鋼材, 鋁材及塑料進行組合, 使得此代7系的白車身成功減重40公斤.
日本帝人集團下屬的子公司成功開發出一款輕量化客車車頂蓋, 該車頂蓋由碳纖維增強塑料, 鋁合金還有其他輕質材料構成, 將會應用在豐田公司開發的世界第一批批量生產的燃料電池公交車SORA上.
圖示: 豐田燃料電池客車SORA
事實上, 目前碳纖維價格每公斤1500, 1600元, 屬於脆性材料, 一旦受力過大就會直接斷裂, 損壞後基本無法修複, 而高昂的製造成本和回收費用更使得當前碳纖維的應用主要還局限於高端跑車, 越野車和運動賽車上.
總結: 這場由新材料, 新工藝和新設計驅動的汽車工業革命, 也將會隨著這些車型的普及, 進而深層次的影響全球汽車產業的格局. 尤其是在新能源汽車高歌猛進的現階段, 其整車質量過大已成為制約其發展的障礙之一, 汽車輕量化發展刻不容緩. 隨著輕量化材料技術的不斷進步, 它將為新能源汽車的發展帶來更多的可能性.
