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一汽研发总院李菁华:一汽新能源汽车轻量化材料应用现状 做好顶层规划护卫新技术落地

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发表于 2019-8-14 10:16:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
由中国汽车材料网主办的“2019新能源汽车轻量化技术研讨会”于7月25—26日在南京圆满召开,现场邀请了一汽研发总院 李菁华女士针对一汽新能源汽车轻量化材料应用现状做报告分享。

演讲人:一汽研发总院 李菁华

演讲主题:一汽新能源汽车轻量化材料应用现状

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大家好,由我来向大家介绍一汽新能源汽车轻量化材料的应用现状。
首先,大家都知道,目前从全世界范围来讲新能源汽车的销量是大幅上升的,中国作为全球最大的新能源汽车市场,在2018年我们已经达到了125.6万辆销售量,全球占比已经超过一半以上。虽然这个数量跟传统车相比只有10%都不到,但是从它的增长比例上来看还是非常可观的。
新能源汽车现在为什么是大家所关注的,无论是从国家能源的战略安全角度、温室气体的减排角度,还是技术创新方面国家都在大力推动新能源汽车的开发和应用。从企业上来讲,为了达成国家的双积分目标,另外从我们用户提升续航里程方面,也都在大力的发展新能源汽车。从市场上来看,国内外的销量是逐渐增加的,而纯电动汽车的占比也在逐渐增加,整个中国的新能源汽车的产业化水平,居于世界前列。在当前的大环境下我们发挥自己的优势肯定是必不可少的。新能源汽车在品质方面、技术创新方面、企业转型和技术科技升级方面都存在很大的挑战。再转到我们轻量化的需求上来看,为什么我们总是在反复提及汽车轻量化呢?实际上从用户角度来讲,车身目前越做越大,车本身的重量也越来越重;其次,目前更多的汽车在创新功能上增加例如智能网联,黑科技等个性的定制功能,而且在主动安全,被动安全和驾乘体验上,用户的要求也越来越高,这些配置都是增加重量的,那么增加了这么多的重量对轻量化来说无疑是个很大的压力。我刚才已经提到了轻量化的现实意义,包括油耗,包括提升操控等,从乘用车、新能源汽车和商用车来讲,轻量化都有它的意义所在。
下面我将就轻量化离不开对材料性能的准确把握,对一汽在轻量化材料方面应用给大家简单介绍一下。一汽在2018年资产总额达4000多亿,央企的利润排名第11名,世界500强排第125位,累计销量3700万辆,目前我们旗下有三大品牌:解放、红旗和奔腾,另外的合资合作品牌有一汽大众和一汽丰田等。目前我们集团在倾全力打造红旗品牌,红旗品牌目前有四大品牌系列,有M系列新高尚至尊车、Q系列商务出行车以及红旗主流车,包括刚刚上市的HS5、HS7,去年上市的H5和一直在销售的H7,H7是新高尚红旗轿跑车。在近四五年的时间内,一汽的解放品牌卡车在行业内一直是名列前矛。一汽奔腾,也在不断的开发和改善自己的形象。我们合资品牌一汽大众旗下有很多的品牌,今年上半年的销量也是非常可观的。
大家在提到轻量化材料应用时都会提到,材料轻量化、结构轻量化、制造工艺创新这三个方向,实际上轻量化的每个维度都能做一篇很大的文章,在我看来在做材料轻量化时,肯定是要对材料性能有很充分的理解,通过材料替换来实现轻量化的目标,其次,结构轻量化的基础,要基于对材料性能的一个准确把握,来实现制造工艺的创新,要在准确掌握材料性能的前提下,实现结构工艺和集成创新,因此可以说汽车轻量化是对材料性能的准确把控,从每个角度谈轻量化都有自己的优势。
下面呢,我还是从材料这个角度为大家做一下介绍。轻量化材料大家提到了很多,无外乎高强钢、金属和非金属材料,在整个轻量化材料发展方面,可以看到所有的轻量化材料一直在向着高性能低成本的方向发展。但是主机厂实际上手考量的,一是性能,二是成本。在整个综合性能要求的前提下,怎样把这些材料更好的应用是需要综合能力去把控的问题。
近年来,一汽也在高强钢的应用方面做了一些项目,我们认为高强钢一直是发展的一个非常重要的材料。整个车身用钢的趋势,我们认为,车身方面我们还是在做这个强度级别的提升,另外就是提高高强度钢的成型性来降低制造的难度和成本。在车身方面,一汽做了很多包括一些成型外板等提升设计。在底盘方面用钢的趋势,首要的还是不断地提高强度的级别,另外在部分车型,底盘在向钢铝混合使用方向发展。目前红旗品牌已经实现了很多零部件全铝化生产。
在制造工艺方向上,我们觉得发展合适的制造工艺才能更好地发挥材料性能的最大化和材料利用的最大化,我们也在一直研究差厚板热成形技术等,在高强钢的应用中,我们在不断的开展工作。在目前这个价格体系下,高强钢减重会降低成本,相比刚才提到的新金属和复合材料等一些先进的轻量化材料,它还是拥有非常明确的价格优势,因此在考虑到成本和安全这个角度,在非常长的一个时期内,高强钢还是一汽应用中最重要的一个车身轻量化材料。在我们近两三年开发的车型当中,高强钢仍然是我们车型开发的主体材料,那么是不是就不用其他材料了呢?答案肯定不是,我们还在做其他材料研究工作,但是我们要考虑的重点是怎么样把先进的材料和高价的材料应用到更合适的部位上。
这是我们一汽在铝合金方面的应用过程,从2008年开始我们也在做很多的铝材应用,尤其是在这个底盘件上实现了很多零件的量产化应用,同时也取得了比较好的一些效果。2014年开始我们做的冲压铝,我们已经完成白漆发罩的实验验证,但是目前还没有用在我们的量产车型上,也是因为考虑到产线布置生产能力和后期的尺寸控制还是存在比较多的问题。在量产方面,我们觉得这个技术还没有完全的把控,因此在量产车型上我们应用的角度能会稍微缓慢。
大家都知道铝合金的在汽车上的应用,主要是铸造铝合金,在我们车型上应用最多的也是铸造铝合金,包括副车架、控制臂制动钳、转向机以及电池包等在我们目前车型上,都已经实现了量产。电池包,我们现在已经应用在最新车型上,采用的都是铝型材加上铝板材的方式。
在整个过程当中,我觉得铝合金的应用还有很多的关键技术,包括材料设计,优化性能评价等等,在这些方面,我们会不断地和零部件供应商一起共同攻关解决相关性问题。目前铝板应用在国内和国外产品的性能上存在一些差距,我们在做实验的时候,发现再应用国外品牌的产品时,成型性比较好,但是成本确实比较高,限制了国内的机器应用和推广,所以我们非常需要国内的行业突破材料批量生产的性能瓶颈。
我们国家是最大的镁合金生产国,资源是非常丰富的,但是受制于这个产品的强度低、易腐蚀、高温蠕变等缺点限制了它的拓展应用,但是它的低密度减重潜力非常高,因此我们一直也是把镁合金作为后期非常重要的汽车轻量化材料。一汽在量产车型上主要采用镁合金,在方向盘骨架,座椅骨架,车轮等部件上也进行相关的研究开发,但是目前还没有应用到我们的量产车型上。
成本因素也是我们认为制约镁应用的一个非常重要的因素。它的生产污染较大,另外目前中国在汽车用镁的量产上离发达国家还有差距。另一方面来说我们的应用前景是广阔的。
其次就是非金属材料,拓展非金属材料一直是汽车轻量化的重要手段之一。我们在汽车轻量化非金属材料方面的开发,也一直在做相关的工作。在树脂方面,我们在提升强度降低密度还有很多工作可做,从树脂方面可以做一些相关薄壁化,高性能的研究。从纤维方面,我们可以做一些纤维增强的研究,在低密度方面呢,我们做一些纳米材料,泡沫化和天然填料填充方面研究,这就是我们在高性能工程塑料方面开发。本身高性能塑料是有很多的优点,但是在实际的推广应用当中,也还是受制于它的价格因素,比如说我们应用最多的尼龙材料代替钢它可以实现40%的减重,但是成本大概要提升200%,如果代替铝合金,可以减重20%左右,但也会带来50%的成本提升。如何把成本的限制因素解除,我们就要考虑通过很多的集成化设计,发挥一些铸造零件生产工艺的优势,最大程度的发挥它的耐腐蚀、绝缘等方面优势,通过减少材料用量来实现最优的轻量化效果。
提到轻量化,大家都会比较关注发泡技术,这一技术分为物理发泡,化学发泡。我们在最新款的车型上会推出发动机的装饰罩采用的就是化学发泡技术,化学发泡更容易获得好的表面效果,在这个验证方面比较简单,目前也是我们在轻量化材料开发的重点。
材料的泡沫化,是汽车轻量化的一个重要的手段,在未来新型的高强度泡沫材料会逐渐应用于更多汽车的零部件。目前在汽车上用的比较多的是相类似保险杠内支撑,起到行人保护的作用。在HS5车型上,我们现在已经开发了DBP的后排座椅靠背的量产。其次蜂窝材料,蜂窝增强材料是很优秀的一种仿真材料,它拉伸强度大,在汽车平台上还是能很好实现汽车轻量化的方式。
从环保角度和轻量化角度两个方面,我们也对天然纤维材料非常感兴趣,目前我们有一款门板材料正在开发木纤板,它的这个可再生降解以及抗冲击方面的优势非常明显,另外可以实现10%到20%左右的减重。
最后,纤维增强复合材料也是轻量化的非常重要的部分,目前有两种的这个方案:热塑成型和热固成型,我们觉得它能在汽车上更好的应用,后续对这种材料的应用,我们会作为一个平台化的应用一直连续下去。在热固性材料方面,从2002年开始到现在,我们也开发了很多的产品,包括碳纤维的传动轴,发动机罩以及在2017年我们做了一个玄武岩纤维增强的备胎仓,后来呢我们还尝试做了整个碳纤维的乘员舱。但是在开发这些产品过程当中,我们发现复合材料的技术开发和探索还是需要很多方面共同补全的,包括材料数据库、工艺匹配、一体化设计方案,连接技术以及涂装技术,对量产来讲,有些企业在达到实际的要求还是有一定难度。另外有些复合材料有零部件它会对整个生产线的布置带来一些变化,这些变化可能会非常限制这些复合材料的应用。
接下来我简单给大家介绍一下一汽的轻量化产品布局规划。
目前我们主要是三个平台:豪华轿车平台、SUV平台,红旗平台。我们把整个轻量化的技术归类为两大方面:一类是自行开发,一类是联合开发。自行开发我们就需要在顶层规划上做好这个整个白车身的轻量化和模块化。联合开发需要我们和供应商一起共同开发一些新的轻量化技术,在我们产品开发中,作为轻量化技术构架。
我们整车轻量化的一个简单的技术路线,是从覆盖件,车身件,电池包和底盘方面,从不同车型上我们的应用材料有不同的侧重点。一汽在材料方面的应用规划,在高强钢方面的应用比例,在2021年的要达到65%。在非金属材料方面,持续的跟踪高性能塑料、低密度材料以及复合材料的发展,最终实现合适的材料应用到合适的部位。
最后简单跟大家说一下,一汽比较关注的一些新技术。首先就是泡沫铝材料,我们将在泡沫铝材料方面开展其相关的研究,我们觉得这种材料,它有比较好的这个吸能和减震效果,在电池盒盖板等方面做一些探索。另外,多材料连接技术也是我们一直非常关注的重点,除了铝、钢,还有复合材料和金属这些方面的一些研究。其次,3D技术对于一些一体化性能结构和一些小批量车型有无可替代的优势,也是目前我们部门在开发的地方。另外我们也比较关注一些新型泡沫材料,包括这些碳纤三明治结构,塑料三明治结构等,我们会关注它们应用在汽车上哪些部位,可以更好地实现轻量化的效果。
在碳纤维复合材料方面,基于成本,碳纤维材料在量产车型上的应用是非常受限的,在未来的应用规划里面呢,在强度和外观件上我们主要还是以热塑性体系为主,在兼顾强度和刚度的部件上,我们会关注热固性体系和热塑性体系两个不同的工艺路径,在一些特殊结构部件上包括三维编织,缠绕夹芯结构等。针对连续纤维增强复合材料,我们现在也在做一些先期的研发工作。
简单做个总结,从目前来看,汽车轻量化还是以多种材料的复合和多种工艺的结合为发展趋势,而且异种材料连接是未来多材料应用的一个关键技术。在未来的轻量化设计里面,除了我们开始提到的这些基础的技术创新和材料技术开发以外,其实我们更需要的是顶层的轻量化规划和技术路线的制定,只有顶层轻量化规划做的到位,后期才能实现成本的节约,才能实现新技术的落地。
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