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新能源客车轻量化技术评析

发布时间:2019-08-10 14:05:43

目前,中国客车市场扩张的空间已越来越小,这是不争的事实。而新能源客车却在砥砺前行,热度不减,但在我国目前对新能源客车重点技术“抓手”的规划中,对电机、电控、电池三大部分比较重视,在车身轻量化方面尚无重大突破,为此,笔者就新能源客车轻量化技术的重要性和材料选择等方面进行评析。

轻量化技术是解决目前新能源客车续驶里程等不足的有效手段


资料显示,车身轻量化对于车辆节约能源、减少废气排放均十分重要。若整车重量降低10%,燃油效率可提高7%左右;汽车车重每减少50%,CO2的排放量就会减少13%,并且汽车整备质量每减少100kg,百公里油耗可降低0.3~0.6L。


对比传统燃油汽车,纯电动汽车更需要轻量化技术应用。新能源客车“三电”系统约占整车整备质量的1/4,有数据显示,在传统汽车基础上设计的新能源客车比传统燃油车整备质量增加15%以上。重量的增加显著影响其电耗、动力性、制动性能、被动安全性、一次充电续驶里程等。


因此,新能源客车的轻量化显得更为重要。大幅减轻整车及其它零部件的重量才能抵消电池增加的重量,而轻量化能显著提高电动客车的续驶能力,是突破目前新能源客车技术瓶颈的有效手段之一。


新能源汽车轻量化材料的选择分析


众所周知,新能源客车车身轻量化最明显的特征就是材料的选择。目前,应用于新能源汽车的轻量化材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维等几种。以下为国际主流国家在新能源汽车轻量化材料方面的选择规划:


新能源客车轻量化技术评析(图1)

高强度钢


应用于新能源客车领域的高强度钢根据强化机理的不同,可分为普通高强度钢(ConventionalHSS)和先进高强度钢(AHSS),先进高强度钢延塑性更好,在满足工艺性能的同时也具有更高的轻量化潜力。目前,国际主流车型的高强度钢占车身的比例已达70%以上,其中自主品牌中高强钢的应用已达45%。据了解,中国是高强度钢应用最普遍的国家,车身使用比例接近50%,预计未来可高达60%~65%,但是,超高强度和先进高强度钢材大幅落后,目前使用比例仅有5%,预计未来将有3倍提升空间。


业内专家认为,在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面,高强度钢相比铝、镁合金具有明显的优势,能够满足减轻汽车质量和提高碰撞安全性能的双重需要,甚至从成本与性能角度来看,是目前满足车身轻量化、提高碰撞安全性的最佳材料。


铝合金


铝的密度仅有钢铁的1/3,导热性却比铁高出3倍有余。最值得一提的是,铝代钢的结构设计优化可以实现二次减重,效果可直接减重50%~100%。相关研究表明,汽车使用1kg铝可替代自重2.25kg钢材,减重比例高达125%,整个使用寿命周期内可减少废气排放20kg。由此可见,铝合金凭借其高强度、可循环性、耐腐蚀、密度低等优质性能成为汽车减重首选材料,铝材在汽车上的使用量将快速增长,汽车用铝进入黄金期。


而国内车企对铝合金材料的应用中,就不得不提奇瑞新能源,公司推出的新一代纯电动微型车——小蚂蚁(代号eQ1),在结构上采用了“全铝空间结构+全复合材料外覆盖件”的组合形式,很好地控制了车身重量,降低制造成本,实现了更好的车身轻量化。


但全铝车身的不足同样不容小觑,当车身受到碰撞损坏时,铝合金材质整形难度较高,一旦操作不当,零部件则很可能会出现裂纹甚至断裂,一般铝合金部件损坏后,如果钣金工艺无法调整好,基本上就只能整体更换。另外,铝合金材质需要特殊的工艺才能焊接。因此,全铝车身意味着后期的维修成本可能会更高。


特斯拉作为全球纯电动车的开拓者,在汽车轻量化的道路上也早已开始探索。其标志性车型ModelS的车身就用到了大量的铝合金,并且通过特殊的焊接技术实现了铝合金构件与钢构件的链接。


镁合金


镁密度小,甚至比铝轻1/3,其比强度(抗拉强度与密度之比值)较铝合金高,导热性好;另外,镁合金尺寸稳定性好,易于回收,有良好的切削加工性,减振性能较好。


新能源客车轻量化技术评析(图2)

银隆纯电动镁合金公交车还搭载了带有主动均衡技术BMS系统的高性能锂离子电池,具有高安全、高稳定、充电快、抗衰减能力强等特点,结合镁合金车身等诸多优点,在为乘客提供更加低碳、环保出行解决方案的同时,可靠性更佳,助力城市安全出行。


中国镁的产量占全球大约75%以上,让新能源车实现车身轻量化带来了方便。中国汽车工程学会做了一个节能与轻量化路线图,预计在未来10年左右,镁应用在高端车上能突破100kg/辆,在普通车上面能够突破20kg/辆。


国内目前已有多家公司试制镁合金车身,更有专家认为,镁合金车身可能会成为汽车轻量化的主流车身材质。

新能源客车轻量化技术评析(图3)

碳纤维


碳纤维力学性能优异,密度不到钢的1/4,抗拉强度却是钢的7~9倍,是唯一一种在2000℃以上的高温惰性环境中强度不下降的物质。


根据国内某咨询公司发布的研究报告显示,未来几年我国碳纤维需求量将进入快速增长期,预计到2020年国内碳纤维的需求将达25000 t,年均增长速率约15.5%。而工业领域的需求上升将更为突出。


目前新能源客车企业轻量化技术的进展情况分析


目前,国内一些整车及相关零部件企业已经意识到车身轻量化课题的重要性。以行业龙头宇通客车为例,其在轻量化技术上表现出的技术领先性,足以代表中国客车当前轻量化技术的先进水平。宇通轻量化技术是通过基于仿真分析的结构优化设计、高强轻质材料及先进制造工艺集成的应用来保证,再加上整车的匹配技术,宇通客车围绕上述四点展开并推进了轻量化工作。宇通先进轻量化技术的综合运用,开启了行业技术发展新时代,更铸就了宇通“更轻、更强、更可靠”的客车品质。


近期宇通客车发布的新能源全系新品,包括E6、E8及E8-Plus、E10、E12等公交产品;8m、8.2 m、9m、10.7 m和11.3m等米段的客运、旅游团体产品,全面覆盖各大细分市场;而轻量化是此次宇通新能源客车产品升级最主要的技术突破,也就是用更少的消耗走更远的路,升级后的宇通新能源客车,在同米段、同电量的情况下,整备质量比铝车身产品最多轻达1t,能耗降低5%以上,还避免了全铝车身可靠性差、维修成本高的问题。


作为客车行业后起之秀的上海申龙,在车身轻量化技术方面也具有独特的竞争优势。2009年,申龙客车推出首款全铝车身混合动力公交车,该车身拼接技术中不含任何焊机,均使用的铆钉拼接,车身拼合尺寸精度均匀,先进工艺提高各部件连接强度和车体密封性。在轻量化、密封性、抗腐蚀性等方面均优于传统的车型。


而在新能源相关零部件企业,也有一些企业正在积极探索并实践着轻量化的路径。


2015年12月,上海松江区公共交通又一批纯电动客车在上海申沃客车有限公司下线,该款纯电动客车全部采用全铝车身。公交企业表示,全铝车身客车由于重量较轻,能有效增加载荷量,还能增加纯电动客车的单次行驶里程,是搭载纯电动系统的优质选择。


在环境污染日益严重的中国,纯电动客车运行零排放,而铝材料的回收率高达95%以上,可以多次循环利用,且对于沿海城市而言,铝材料还具有防腐蚀的特点,让车辆在全生命期都具备节能环保的特点,因此一直受到各公交公司的青睐。


致力于车辆轻量化改革浪潮的还有浙江戴卡宏鑫科技有限公司,这是一家专业生产锻造铝轮毂的企业,也是中国目前唯一能够生产大客车等从16英寸到26英寸各种车型的锻造铝轮毂企业。


锻造铝合金轮圈具有自重轻、承载能力高及动平衡性能好等特点。随着国内运输行业良性发展和节能减排政策力度不断加大,铝合金轮毂必将获得更多客户认可。据了解,已经有客车企业开始尝试配装锻造铝轮圈,另一部分企业也对锻造铝轮圈的优势比较看好。宇通的3个车型已经配装了锻造铝轮圈,苏州金龙的一个车型也配装了锻造铝轮圈,大金龙和申龙也有配装锻造铝轮圈的想法。不仅仅是客车企业,国内一些专用车企业也开始尝试锻造铝圈。

新能源客车轻量化技术评析(图4)


实现新能源客车轻量化的主要途径分析

途径1:在整车设计结构上进行优化,通过较少材料和车重实现安全和性能要求


我国客车车身骨架大多由型钢焊接而成,客车车身和货车车架也占相当大的比例,客车车身骨架通常采用局部加强的方法来加强强度,导致车身质量过大,有的12m大客车车身重量比轻量化车身重量多1t。对大量客车车身结构的有限元分析和试验表明,我国客车车身自重大多存在偏重现象,而且有很多结构件出现强度、刚度富余的现象。除小部分客车结构杆件受力比较大外(占10%左右),其余大部分杆件受力很小。因此,对客车车身结构进行轻量化设计,这是被认为当前切实可行的主要途径。减少汽车的车身,车架重量就减少汽车总重量,这是汽车轻量化的重要途径。在方法上,可以采用有限元法、优化方法和拓扑方法。在确保汽车车骨架和底架的刚度、强度、舒适性、安全性及工艺构造等因素的条件下,对车身结构进行尺寸优化、形状优化及拓扑优化,减轻车身骨架、车身钢板的重量。


途径2:在客车零部件上采用轻量化材料 

这也是当前很多厂商正在大力推动的发展方向,行业数据表明车身每减重10%,可降低油耗6%~8%,燃油效率可提高5.5%。目前在轻量化领域具有优势的材料包括高强度钢、有色金属合金(铝合金、镁合金等)、导热界面材料及其它非金属复合材料等。


其中,铝合金是当前实现汽车轻量化较为实际的材料之一,由于产品应用广泛、工艺技术日趋成熟,其行业发展势头极为迅猛。例如:汽车中的动力总成系统使用铝铸件已是极为常见的技术方案,市场关注度较高的新能源客车车型也大量采用铝合金部件。


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