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諾貝麗斯總經理劉清——鋁合金·白車身·輕量化解決方案

   日期:2019-06-14     來源:汽車材料網    評論:0       [ 進入汽車材料社區 ] [ 汽車材料館 ]
中國國際膠粘劑及密封劑展
核心提示:在新能源汽車的發展中,除了鋁板材在覆蓋件以及白車身的廣泛應用外,其在電池包的解決方案也具有很大的應用潛力。大家都知道,對于新能源汽車領域,尤其是電動汽車,近年來工信部推出的雙積分,包括碳排放交易等都是作為國家戰略政策來推廣的。而任何一個主機廠,想到達到合格的要求都需要多方面的技術創新。同時,在造車過程中,汽車輕量化技術和材料的選擇及應用可以說起到很大的作用。
   由中國汽車材料網主辦的“2019(首屆)車身新材料新工藝應用解決方案高峰論壇”于5月23-24日成功召開,現場邀請了諾貝麗斯總經理劉清針對諾貝麗斯鋁合金白車身輕量化解決方案做報告分享,以下為小編現場報告內容整理。(內容未經專家審核)
  
  演講人:劉清 總經理 諾貝麗斯中國
  
  演講主題:鋁合金·白車身·輕量化解決方案
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  大家好,我是劉清,我此次報告的主題為鋁合金·白車身·輕量化解決方案。我的報告內容主要分為兩個部分,第一部分向大家簡單的介紹汽車輕量化的一些做法,第二部分來向大家介紹諾貝麗斯全鋁車身的解決方案!
  
  在新能源汽車的發展中,除了鋁板材在覆蓋件以及白車身的廣泛應用外,其在電池包的解決方案也具有很大的應用潛力。大家都知道,對于新能源汽車領域,尤其是電動汽車,近年來工信部推出的雙積分,包括碳排放交易等都是作為國家戰略政策來推廣的。而任何一個主機廠,想到達到合格的要求都需要多方面的技術創新。同時,在造車過程中,汽車輕量化技術和材料的選擇及應用可以說起到很大的作用。
  
  我們都知道從輕量化材料的選用方面,我們可以看到,新材料的選用對輕量化起到的作用是有效的,同時其相對增加的成本是可控的。目前市場上,輕量化的材料多種多樣,很多材料都可以達到輕量化的這種效果。不管是高強鋼、超高強鋼、熱成形鋼的快速發展,鋁合金材料在汽車白車身覆蓋件上的逐漸應用,還是鎂合金碳纖維增強復合材料等的應用,都使得材料的選擇逐漸趨向多元化。但是我們知道,為什么在近幾年來,輕量化材料的主要路徑還是以高強鋼,超高強鋼和鋁合金為主,其他材料為輔?其中最重要的因素之一在于材料本身的選擇與主機廠在使用材料時的成本是緊密相關的。
  
  從上面示意圖中,我們發現,橫坐標上的區間越大,代表它所起到的輕量化的作用越大;縱坐標代表跟鋼相比在減掉每公斤重量所增加的成本。從這個圖中大家就可以清晰的得出,鋼是最具競爭力的,但是由于鋼的比重比較大,其輕量化效果是有限的,所以目前鋁合金的應用是非常廣泛的。尤其是近些年來,鋁得到了長足的發展,無論是歐美市場還是亞洲市場,都可以預見出鋁合金的迅猛發展。當然無論是鎂合金也好,碳纖維復合材料也好都有自身應用特點和適用的范圍。
  
  鋁的發展既然有這么多的潛力,鋁在汽車車身和新能源汽車的發展中來看,從材料的角度來說,我們重點考慮如下幾個方向:第一,鋁自身的碰撞性(Crash Management);其次,高強度(High Strength)和超高強度(Ultra High Strength)鋁合金的開發,尤其是其在白車身結構件上的應用,也是一個清晰的發展方向。當然鋁還存在延展性不足的問題,所以在沖壓過程中如何做到好的沖壓性,甚至是高沖壓性(high forming),又是鋁合金應用發展的另一個重要的方向。
  
  鋁合金之所以在汽車車身領域得到了較好的發展,也是因為它自身的材料特性所決定的。我們從上圖的橫坐標(強度)與縱坐標(延伸率)可以看到,鋁合金通過適當的處理,通過時效強化、加工硬化能做到很高的強度,甚至達到超過鋼的強度。
  
  同時,我們也知道輕量化對燃油車和電動車的貢獻也是非常大的,采用鋁合金材料的輕量化解決方案證明可以提高燃油車的燃油效率為:每減輕10%的車身重量可以降低6-7%的燃油消耗。這是一個全球的共識,同樣輕量化對新能源汽車的作用也是十分明顯的。那么如何運用鋁合金材料,提高在電動車及新能源汽車領域的廣泛應用顯得尤其重要。
  
  車身輕量化的應用可以體現在很多方面,每個汽車主機廠的策略也有不同。
  
  圖中為三個典型的案例,左邊上下圖為沃爾沃XC90,中間的上下圖為奧迪Q7,右圖為捷豹路虎,我列舉了一些數字,大家可以看到三個品牌的輕量化技術路徑是不同的。
  
  沃爾沃采用的是典型的鋼鋁混合結構,鋁主要應用在覆蓋件,XC90主要是在發罩內外板。奧迪Q7白車身主要是用鋼來制造,全覆蓋件是用鋁來制造的。大家知道,對于路虎來說,用的是全鋁的車身技術。三種車型的比較可以看到車身的重量也是不一樣的,鋁用的越多,車身重量越輕。事實上,從靜態扭轉剛度上來看,這三個車身是在同一個水平上的。在中國的一個全鋁車身的案例就是蔚來汽車的ES8,它的靜態扭轉剛度也已達到44,140Nm/°左右,這個數據可以說是做的非常不錯的。當然還有很多的汽車主機廠在覆蓋件上下了跟多功夫,由于各種各樣條件的限制,和本身定位的考慮,而不做全鋁車身。但是在歐洲和美國,鋁合金板在覆蓋件的應用份額在逐年的遞增。比如說發罩,目前國內也有一些主機廠開始使用鋁合金發罩。在歐洲,2025年鋁合金發罩的應用率將達到50%;而在美國,這一比例將達到85%。
  
  任何一個輕量化技術都是有成本與代價的。因此,在傳統車領域上,我們關注兩點:輕量化帶來的燃油效率的提升;以及單位油耗的降低帶來的成本降低。
  
  我們可以看到,在白車身和覆蓋件的輕量化技術是始終是繞不過的話題。對于電動汽車來說,車身輕量化更為重要。下面的數據是選擇市場上已投放的車型中實測而來,藍色是按照70120km/h速度開的耗電量,綠色是用更高的速度120km/h測試的耗電量。可以看到:車身越重,耗電量越大;速度越快,耗電量越大。所以對于電動汽車來說,車身的輕量化更為重要。
  
  接下來,我通過車門和電池殼兩個實際應用的案例來向大家展示諾貝麗斯鋁合金的應用和開發在中國市場上的最新動態。
  
  我們來看一下一款C級車的鋼車門替換成鋁制車門后的效果:我們選擇一款緊湊型SUV為研究對象,設計了方案A和方案B兩種解決方案。方案A采用的是經濟的鋁合金設計,主要是選擇5系、6系鋁合金和熱處理與非熱處理搭配設計。另外一種方案B是采用全6系鋁合金設計。
  
  首先,從材料選擇到材料的連接方式(包括各種連接的數量和重量),我們都進行了統計。然后進行CAE的靜態分析,包括靜態剛度、車門的下垂、過開、腰線和門框的剛度等方面。對比設計規范的要求、鋼制車門的表現、以及A方案鋁合金車門的表現,可以看到,在達到規范要求的條件下,鋁制車門和鋼車門的性能表現相當。從碰撞性能方面來看(包括側碰和偏置碰),雖然鋼車門的偏置碰表現更好一點,但從實際應用角度來說,鋁車門也達到了規范要求。重量方面,A方案車門的重量做到10.6公斤,而B方案的全6系鋁合金車門,由于其材料強度更高,可以做到更薄、更輕,減重后可以做到9.42公斤。兩種方案每減重1公斤帶來的成本分別為3.35和3.55€。以上的一研究我們得出了結論就是:鋁帶鋼在車門上的應用是非常具有前景的。
  
  接下來,我給大家介紹下電池包的鋁板應用解決方案。諾貝麗斯為此做了一個統計,把目前市場上主要熱銷的電動汽車的電池情況做了一個對比。其中特斯拉Model3的電池電量密度是最高的,為163kwh/kg。根據這個情況,諾貝麗斯設計了一個電池組,總重量555公斤,密度162kWh/kg。它有30塊電池可提供90 kWh電量,每塊電池下部提供液態冷卻系統,從結構內部來看,全部是采用鋁板材制造,當然這個設計可以跟電池汽車主機廠進行進一步的優化。
  
  從電池包的剖面圖來看,這里給出了每個部件所使用的鋁合金材料。通過適當的鋁材選擇,可以達到最安全的電池保護,從而使得電動汽車的使用更具安全性。此外,碰撞吸能性也是考慮的重點。通過更高強度鋁合金的選用和支架的設計來提升電池包的吸能和保護性。這里給出了一些電池包的碰撞測試動態圖,可以看到電池包在側碰時的一些情況。當然,對于碰撞時候的能量吸收,電池包本身加在一起所吸收的能量占17%左右,它最主要的安全保證還是白車身本身結構,電池包的設計可以起到一定的輔助作用。
  
  總結:鋁合金板材在車身輕量化起到越來越重要的作用;通過合適材料及連接技術的使用,鋁制車門可以達到汽車主機廠對減重及成本的設計要求,這是非常具有發展潛能的。當然,新能源汽車的飛速發展對于鋁材提出了更多的要求,最終鋁的應用不僅僅局限在白車身方面,同時在電池包領域的應用同樣具有發展潛力。
  
  諾貝麗斯:
  
  諾貝麗斯作為領先的鋁壓延產品生產商和世界上最大的鋁回收商,與客戶一起工作,為飲料罐、汽車和高端特種產品市場提供創新型解決方案。
  
  諾貝麗斯的壓延和回收工廠橫跨北美、南美、歐洲和亞洲,在運營中采用先進技術,利用其遍及全球的制造和回收網絡在世界各地始終如一地提供優質產品。可持續發展承諾是業務運營的核心,也影響著諾貝麗斯與整個鋁價值鏈中諸多利益相關者的合作方式。

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