【天劲股份•深度】新能源汽车轻量化势在必行 多材料混合车身成重要发展趋势

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全球能源与环保问题日益突出,在国家对节能减排和低碳要求的双重压力下,汽车轻量化已成为当前汽车企业的迫切需求。

相关数据显示,汽车轻量化与能耗消耗有着直接关系。传统燃油汽车整备质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3-0.6升;对于纯电动汽车而言,整备质量每减少100公斤可以增加续驶里程10%,节约电池成本15%20%

尤其对于新能源汽车来说,由于特殊的电池驱动结构,电池重量及续航里程对整车重量更加敏感。面对电池成本压力及续航里程提升的要求,轻量化技术成为新能源车企必然选择的途径。

业内人士普遍认为,轻质材料的应用是实现汽车轻量化最直接有效的方法。多材料的混合车身将是车身轻量化发展的趋势。车身多材料应用能充分发挥材料强度在车身上的合理布局,显着降低重量,同时还能保证成本适中。

多材料混合车身成趋势

对于新能源车企来说,轻量化技术可以降低电池成本并换来更高的续航里程,虽然起步成本高,但是已有部分新能源车企开始布局轻量化技术,并形成了多种技术路线并存的局面。

目前,超高强钢及钢铝混合等材料技术相对成熟,部分车型已量产上市;而涉及镁合金、碳纤维等新型材料的新能源车型多数仍在技术储备和样车试制阶段。

碳纤维+铝合金混合结构

北汽新能源纯电动汽车ARCFOX-1采用的是碳纤维+铝合金混合结构轻量化车身平台,主要采用碳纤维复合材料上车体,全塑外覆盖件,铝合金框架式车身,镁合金仪表板横梁。该车预计于2017上海车展后接受预定,批量投放市场。

全铝车身

奇瑞新能源纯电动车小蚂蚁是基于全铝空间架构+全复合材料外覆盖件的轻量化技术平台开发。采用了高强度铝镁合金骨架、铝车身专用连接技术、FRT发泡树脂复合材料外覆盖件和碳纤维材料应用等轻量化技术。目前部分城市已开始接受预定。

东风风神纯电动车E30/E30L车身采用的铝型材骨架+铝板蒙皮+非金属外覆盖件,并且以塑代钢技术也已经使用在东风风神E30L部分零部件上。两款车型分别于今年3月和8月正式上市销售。

超高强度钢+复合材料

上汽荣威E50纯电动轿车车身广泛运用超高强度钢结构,尾门采用SMC复合轻量材料,充电口及小门、PEB横梁等零件也采用新兴合成材料替代。该车已于20147月正式上市。

钢铝混合+工程塑料

江淮开发出专用的钢制轻量化平台和钢铝混合轻量化平台,并成功运用到公司iEV系列车型上。前端模块、塑料后防撞梁、塑料动力电池盒盖等以塑代钢技术的开发,也已在新一代新能源汽车型中应用。

吉利新能源纯电动车轻量化技术路线主要采用钢铝混合+塑料件车身,后地板为铝框架,后备胎处为塑料结构,前盖为铝冲压,后盖采用SMC尾门,翼子板为PP塑料。

瓶颈及挑战

首先,由于普通高强度钢在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优势,从成本、技术成熟度及产业链来看,新材料要替代普通高强度钢仍需很长一段时间。目前超高强度钢和先进高强度钢的应用仍然较少,使用比例只有15%

其次,轻量化材料应用起步成本高。目前大部分车企的新能源车型都是由传统车型改造而来,车身框架材料几乎一致。新材料从实验到量产周期长,研发成本高,同时供应链很少,且受限于加工工艺,导致采购成本高,多数车企都很少大规模量产应用,基本都是处在技术储备阶段或小批量试制中。

第三,材料的合理布局。材料强度要在安全传递路径上的合理布局,才能有效吸收碰撞能量并保障乘员舱的安全。车身不同部位对刚强度以及碰撞吸能要求不同,企业一般都是基于各部位真实受力情况及性能要求来合理分布不同强度等级的材料,以满足碰撞安全性、疲劳耐久及NVH静、动态刚度等性能指标,同时还要兼具系统成本的考虑,这并不是一件容易的事。

第四,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。先进材料的应用也将带来颠覆性变化,从设计理念、工艺、装备都将面临改变。

轻量化材料介绍

《节能与新能源汽车技术路线图》在汽车量化技术上也明确指出,2020年整车需要比2015年减重15%,到2025年减重30%。大力推进高强度钢、铝合金、镁合金、工程塑料、复合材料等在汽车上的应用。

超高强钢及先进高强度钢:超高强钢(UHSS)指屈服强度大于550Mpa,抗拉强度大于700Mpa;先进高强钢(AHSS),强度在强度在500MPa1500MPa之间。两者都具备高强度和较好的成形性,特别是加工硬化指数高,有利于提高冲撞过程中的能量吸收,在减重的同时提高汽车的安全性。

铝合金:铝合金减重效果显着优于钢铁。汽车使用1 kg铝可替代自重2.25 kg钢材,减重比例高达125%。以铝代钢的结构设计优化可以实现二次减重,效果可达直接减重的50%-100%

镁合金:镁密度小,比铝轻三分之一,其比强度(抗拉强度与密度之比值)较铝合金高,疲劳极限高,能比铝合金承受较大的冲击载荷,导热性好,铸造性好;尺寸稳定性好,易于回收,有良好的切削加工性,有较好的减振性能。

工程塑料:工程塑料具有突出的成型性、轻量化以及面对强烈撞击时能够缓冲吸能,不过塑料刚度低、易老化,未来在车身大量运用仍面临不少安全隐患。

碳纤维复合材料:具有密度低、强度高、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等一系列特点,被认为是新能源汽车轻量化材料未来的趋势。

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