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新能源汽车轻量化技术路径及市场现状“大剖析”

来源:高工电动车网

关键词:新能源 汽车轻量化 市场研究

2016-12-26

轻量化技术是横跨汽车变革发展的一项基础性技术。轻量化是指在保证安全的前提下减轻汽车自身重量,达到节能环保的目的。在新能源时代,车身及电池的轻量化,能够有效提升新能源汽车续航里程及能量利用率。

对于新能源汽车而言,仅动力电池的重量就达到了数百公斤,只有轻量化才能减轻昂贵的电池重量,降低整车成本,从而接近市场需求。相关研究表明,新能源汽车每减少100Kg重量,续航里程可提升10%-11%。还可以减少20%的电池成本以及20%的日常损耗成本。

那么,新能源汽车可以通过哪些途径实现轻量化?技术趋势又在哪里?目前国内轻量化技术发展如何?新能源车企在轻量化技术上又有哪些应用及布局?

一、车身轻量化的技术及趋势

车身轻量化技术不仅适用于传统车,也适用于新能源汽车。总的来说,实现车身轻量化主要有三种途径:结构、材料和工艺。轻量化车身结构的优化设计是前提,高强度轻质材料的应用是手段,先进轻量化成形和连接技术是保障,三者之间相互联系、相互影响。

首先,结构轻量化是最容易实施也是花费成本最低的一种设计手段。不仅是车身,底盘动力等零件的设计都可以大量运用结构轻量化设计。而综合考虑整车性能进行的多目标优化,是目前结构轻量化研究的一大热点所在。如:模块化集成设计、结构拓扑优化。

其次,轻量化材料的应用是汽车轻量化最基础也是最核心的手段。从技术路径看,碳纤维复合材料、铝镁合金、先进高强钢是目前车企探索的三大方向,这三种材料替代当前的主流材料低碳钢,可分别减重60%、40%、25%。

其中,碳纤维复合材料由于密度低、强度高、耐腐蚀、耐高温等优秀特性,是认为是未来汽车材料的主要发展方向。但是目前国内车用碳纤维复合材料刚刚起步,还处于技术探索和积累阶段,原材料成本高及加工效率低,依然阻碍着碳纤维复合材料的推广应用。

同时,先进轻量化成形和连接技术是车身轻量化的保障。总的来说,先进的工艺主要包括成型工艺和连接工艺。而先进的成型技术也保证了整车结构的安全性。目前先进的成型工艺包括高强度钢热成型、内高压成形、激光拼焊和液压成型等。而先进的连接工艺包括铆接、粘结、焊接等。

二、核心零部件轻量化技术及趋势

汽车车身可以轻量化,动力电池系统同样也可以实现轻量化。一般来说有三种方法,一是增加动力电池正极活性物质来提升动力电池能量密度,从而减轻电池重量;二是减少电池组配件重量;三是电池箱体以及结构件选用当下先进轻质材料。

其中,通过增加动力电池正极活性物质来减轻电池重量的方法,对当中相关材料的开发一直以来都在进行之中。但是遇到的问题也比较多,如安全性的下降和局部过热等问题。

削减对发电无贡献的电池组配件重量也可以有效减轻动力电池的重量,例如减少黏结剂、导电辅助材料等。不过这种方法并非所有电池组都适用,对现阶段大部分动力电池而言,在出厂时已经尽可能轻装上阵,其所能够削减的部位则少之又少。

在运用新材料方面,目前大部分电池包的箱体采用的材料是高强度的钢、轻金属等。在满足同等强度要求下,使用SMC和AMM等复合材料,其密度要比金属轻,可以有效减轻箱体重量。

其次,结构件比如支架、框架、端板等也可以通过材料改进来减轻重量。当前结构件采用比较多的还是PC/ABS这样的材料,而采用密度更低的PPO等材料,也能实现轻量化。

另外,在导热垫片这样的小零部件上,替换成导热胶也可以实现一些重量的减轻,同时导热性能得到加强,将电芯的热失控概率降低,整个电池系统的安全性得到加强。

在电机电控方面,目前国内部分电机厂商正在不断探索电机电控系统的集成化、小型化技术,最终实现轻量化。

其中,集成方面包括DCDC的集成、双电机控制器的集成以及其他附件的集成等。而小型化主要可以通过电容与母排的集成,使用下一代宽禁带半导体器件,入SIC等方法来缩减控制器的尺寸。

三、国内汽车轻量化发展现状

目前,国内整车企业在电动汽车结构开发上仍沿用传统汽车设计理念,在轻量化材料和新技术的应用方面也明显落后于国外企业。

我国材料品种、数量、性能与国外还有很大差距。特别是合资品牌有自成体系的供应商链,国产材料企业进入非常困难,导致国内材料企业明显滞后于汽车产业发展。而国内汽车企业和材料企业也融合得不够。

此外,由于技术限制,国内企业在材料和加工成本控制难度大,导致整车成本上升,制约了汽车轻量化的发展。

同时,我国还没有完整的汽车轻量化零部件技术和产品标准,包括技术方面的测试标准,还存在缺失。

四、国内新能源车企轻量化布局及应用情况

1、上汽集团
在新能源汽车轻量化领域,上汽集团在荣威E50纯电动轿车车身上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。

2、北汽新能源
2016年11月,北汽新能源携手德国未来交通公司在德国柏林正式签署“中德汽车轻量化技术工程中心有限公司”合资合同,双方将共同开发全新的轻量化多材料整车,实现全新的轻量化设计和材料应用技术。

3、长安汽车
长安汽车牵头承担的《轻量化纯电动轿车集成开发技术》项目,被列入2016年首批国家重点研发计划“新能源汽车”试点专项,执行周期至2020年。长安汽车将与12家团队共同研发,将开发一款碳纤维车身纯电动轿车,实现车身与底盘共计减重≥30%、最高车速≥150km/h等目标。

4、奇瑞新能源
2016年2月,奇瑞在芜湖市高新技术开发区投建新能源汽车轻量化生产线,项目总投资15.6亿元。新生产线将主要生产铝车身骨架纯电动乘用车,年产能可达6万辆。规划投产包括小蚂蚁电动车在内的3款新电动车产品。

5、江淮汽车
江淮汽车在新能源汽车轻量化集成设计、轻量化材料和工艺应用、开发体系建设等方面也取得了一定的进展,开发出专用的钢制轻量化平台和钢铝混合轻量化平台,并已运用到公司iEV系列车型上。

6、吉利
吉利轻量化团队自2013年开始组建,随着新能源汽车的战略确定,吉利也将轻量化技术成果运营到新能源汽车上。目前,吉利新能源汽车的前舱主体主要采用钢铝混合+塑料件车身,局部匹配三电开发。

7、车和家
2016年8月,车和家具备钢、铝混合车身制造能力的新能源汽车生产基地在江苏常州武进奠基,整体投资达50亿元人民币,投产后年产能将达30万辆。