第一电动沙龙 | 轻量化, 进入汽车电动化的新考场

国舜

第一电动沙龙,再次齐聚一堂,这次的主题是轻量化。

第一电动网对未来汽车有四个关键词来描述:电动、智能、轻量、共享。在上周五深入讨论了智能驾驶之后,本周五讨论了轻量化。

其实,相比其他几个关键词来说,轻量化无疑是个更专业的领域,更不太容易被消费者关注,甚至是长期被消费者误解的一个领域。比如,有多少人在买车的时候,会认为车越重越安全,这样的车主可能还真的不少。

本次沙龙邀请的嘉宾,有来自整车厂的代表:北汽新能源新技术部副部长——杨宇威,有专门研究碳纤维复合材料的代表:中航复合材料有限责任公司副总经理——李宏运,还有新材料领域的代表:北京羲源创新科技有限公司项目经理——罗娟。大家从材料和整车厂的不同的领域和视角,讨论了轻量化的过去、现在和未来。

第一电动沙龙 | 轻量化, 进入汽车电动化的新考场


轻量化始于社会责任和排放法规

第一电动沙龙 | 轻量化, 进入汽车电动化的新考场

杨宇威:

截止到21 世纪的前十年,整个汽车的重量其实是在增加的。为什么呢?因为配置在不断地上升,我们要智能化,我们要自动化,更新CD 机,蓝牙接口,我们什么都要。我们要把车建得跟房子一样舒适。配置的逐步增加,让重量也在逐步增加,用的燃油就会越来越多。

大家既然关注汽车行业,应该都听过“咖啡法则”,那就是到2015 年,整个汽车厂生产的车的平均油耗要求是6.9 L/100km,到2020年第四阶段的油耗,“咖啡法则”要求燃油消耗量到多少呢?5L/100km。这是中国的情况,欧盟的法规更严苛。那么汽车企业怎么办?要节能要减排。

节能减排有什么样的方式呢?比如说燃油效率的提升,还有一些怠速起停,当然还有一块就是轻量化。业界做了一个相关的分析,对于传统燃油车来讲,整个发动机的优化应该说对节能减排的贡献是最大的,轻量化大致能排在前三位,大概占到20%到30%左右,所以这个已经很了不得了。以前有一些非定量的说法,减重10%,平均减少燃油量大概6%到8%,对于电动车的电耗也差不多。

轻量化绝不止是材料

第一电动沙龙 | 轻量化, 进入汽车电动化的新考场

李宏运:

其实汽车不是现在才开始轻量化,它是一直在做轻量化。汽车的轻量化,也不止是材料,它包括三个部分:设计、材料、工艺。

第一位还是设计,你发现现在很多的汽车钢质车身,大家去分析,那已经没有什么余地可挖了,实际上把材料的性能已经用到非常极限了,而且布局上也非常合理。

第二位,我觉得才是材料。因为材料本身,它有自身不同的特点,尤其是比强度,比刚度,还有一些耐久性方面,不同的材料有不同的特点。如果离开了设计,你说单独用轻质材料去用,是用不出效果的,所以说材料和设计是必须紧密地结合起来。

当然这个设计还对制造工艺有影响,你之前设计成什么样,才能够选择什么样的制造工艺。制造工艺来讲,也会从加工精度、制造精度这方面去控制这个重量。但是贡献率肯定没有前两个贡献率高。

轻量化的努力却常常换来误解

杨宇威:

比如,使用强度更高的钢材,就可以在保证强度的基础上做到更轻更薄,但,有些业余的车主或媒体,就开始说车子不安全了,车子不防撞了。其实应该明白,为什么有的车钢板厚呢?如果设计强度要求一样,钢板强度越低才会用的越厚,因为它在薄的情况下无法满足要求,所以它厚。

其实,轻量化和安全平衡最极致的,就是F1了,那么轻的车,运用大量碳纤维材料,以200km/h的速度发生碰撞,赛手经常都能免受恶性伤害。

还有,人们有时候会觉得汽车表面的材料不结实,其实这种覆盖件没有任何承重的作用,它用钢板或用塑料几乎也没什么区别,重要的是里面的那些防撞梁。

比如说大家觉得smart那个车,全部用的是塑料件,它是便宜了还是贵了呢?肯定是贵了。我们开发一些车,为了减重使用一些工程塑料,这样去用反而它贵了。

李宏运:

其实从主动安全性来讲,降低车的重量也会提升一些主动安全性方面的性能,比如说刹车的距离、操控性能这些方面也都会有所改善。

把合适的材料用在合适的地方

杨宇威:

每个材料都有自己的优点,也有它的缺点。当然这个不光是从材料来讲,从金属材料和非金属材料来对比,非金属材料有一点,叫做各向异性,金属材料一般是各向同性。我们一般强调复合材料有可设计性,来决定我们需要在哪个方向上让它的强度更高,我可以设计它,这是它的一个优点。

李宏运:

尺有所短,寸有所长。像钢材是最常用的,它最好的是什么?就是非常容易加工成型,这个非常成熟了,做了上百年了,成熟得不得了。再加上现在钢材的一些新的材料出现,尤其高强钢或者超强钢,强度也上来了,超过1000的现在都在用了,所以钢依然会成为轻量化发展的一个方向。但毕竟它的密度确实是比较高,从发展方向来讲,还是要向轻质材料的发展。

比如从飞机来讲,飞机是为减轻每一克重量而奋斗的。现在在飞机上尽管复合材料用到了50%以上,但它还是大量地使用铝合金。铝合金大概也使用到30%到40%的样子。还有钢,所有飞机的起落架永远是钢,到现在为止都无法替代。

全铝车身的门槛在成本而非技术

杨宇威:

全铝车身从难度来讲不是说多难,像北汽新能源,现在应该说年底有一款要上市的新能源车,就会出现在市面上了,就是全铝车身。我说的这个全铝主要指是车身框架,换几个外板四门两盖就说自己是全铝车身那是骗人的。

我认为从技术上来讲,自主品牌是能够掌握。但它主要的困难在哪儿呢?就是成本。一般钢质的车身,一个车身的成本大致是在5000 到7000,如果用铝合金的话,一般是会翻三到五倍。成本和技术性能的一个平衡,是最主要的一个原因。

李宏运:

刚才杨总也讲了,技术上应该不是太大问题。但是我觉得如果大批量生产的话,可能工业配套是有问题的。就像复材要大批量生产一样,整个工业的配套包括上游的材料和材料不同品种的规格,这些都需要有配套的。然后成型、加工设备都要配套。相当于从传统钢的生产线过渡到铝车身的生产线,整个装备都要做很大的调整。

除了做技术方面的工作以外,可能还要整个的工业配套,就这个产业链上各个方面的各家都得共同努力,光靠材料,光靠汽车也很难达到!这是个产业链,汽车是靠产业链生存的,这个产业链所有的技术突破和投资都和这个车紧密相关,所以说铝车身很难现在大量地用,跟这个产业链配套不是很完整,也是紧密相关的。同样对复合材料的车身也一样,这是一模一样的问题。

当然,这个调整除了技术上的原因以外,可能还有投资上的问题,所以这块可能需要进一步去降低成本。

新能源车的里程焦虑

杨宇威:

我之前做过一个相关统计,对于同级别的车,这个新能源车比传统大致是再重30%以内,一般如果重5%,这就是国际先进水平了。重到15%、10%就是一般水平,如果20%以上就是不太好的水平。

新能源车面临最重要的困扰,就是一个里程焦虑,还有充电桩的基础配置。里程焦虑通过轻量化来解决是一个非常重要的手段,应该说把我们的消费者和主机厂拉到一个共同的阵营,这对新能源车的轻量化是个好的地方。

碳纤维复材的应用发展

李宏运:

碳纤维复材在航空航天领域的应用应该说是已经有大概五、六十年的历史,,现在汽车行业也有严重的需求。现在最高级别的碳纤维,像T1100 的拉伸强度就可以到6600 个兆帕,普通的碳纤维大概3500,它可以到6600。

从现在来看,主要用的部位,也是从表面的覆盖件开始,就是刚才说的四门两盖。这块用复材其实一开始也不是用它的性能,很多在覆盖件上的应用,是看它的外观。

但在有了新能源车之后,碳纤材料开始应用中在主结构上。最典型的就是宝马i3,它整个的乘员仓全部以碳纤维复合材料来制造,现在应该说也算是量产的一个车型了,每年现在它的设计产能是14 万辆,汽车行业不是大批量,对于复材领域来讲已经是一个非常大的量了。

再进一步的应用,就是在一些动部件,像传动轴。其实传动轴这个事情已经有很多验证,但是现在还没有真正地大批量生产。可能在日本有一款后驱的车,号称是给很多厂家供货,一年有个十几万根传动轴的需求。还有一个是轮毂,改装车上用的很多,但是现在也面临生产装备和成本这块的挑战。但在动部件上的应用,是下一个应用的方向。

看好多材料的混合应用

杨宇威:

我认为i3 的技术路线最大的问题就是贵,所以它不可持续。摆在我们面前的技术路线就是多材料,像宝马7系这种,B 柱、侧围用碳纤维。

涉及到多材料混用的时候,工艺就是特别受关注的热门话题,也是非常关键的话题。举例来讲,以前钢板之间可以大部分进行点焊,铝合金和钢板之间就不能点焊,就得选用其他的方式。像复合材料和金属之间也是,我们做了很多这方面的储备和研究。举个例子,我们现在准备用的这个就是全铝框架的车体,我们现在正在开发的,就有很多技术,比如铆接就有唆铆、拉铆,还有粘接。

再就焊接,铝合金之间的焊接方式,也是属于在摸索和探索,处在应用前期的过程中。这个不光我们自己在研究,也不是闭门造车,我们会引入一些国际先进的合作方来帮助我们进行这个分析。

逆势纳米材料要把电池做成车身

罗娟:

这是一种复合材料,是一种多孔的纳米材料,比表面积非常大。我们就是通过比表面积大的原理,根据能量守恒定律,很大的比表面积就提供了一个能量转化的平台。把这个材料用在汽车上,把碰撞时候的能量转化掉,通过这种技术原理来提高汽车的一个安全性。

把电池封装成结构件,是我们下一步的想法。我们这个逆式纳米颗粒直接添加到电池的正负极材料里面去,这样提高电池的安全性。因为在国内设计的电动汽车,目前电池放置的位置都是放在非常安全的地方,即便发生侧碰,也不会碰到电池。我们现在的目标把这个电池设计得更安全以后,不用再考虑碰撞的时候会不会碰到它。

已经有一个项目在这样操作了,他是把我们的电池放在车门和前面的发动机盖那个部位了,这样的话,整个电池就占据了车体60%的重量,续航里程就提高了大概100%。但是这个目前在国内还没有这么去实施。

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