新能源汽車輕量化的鋼材解決方案(一)

  日益嚴峻的環境污染及能源緊缺問題,使全球新能源汽車的研發和推廣前所未有地受到各國政府的關注與重視,美國和日本等國已經把新能源汽車產業的發展提高到國家戰略高度,采取多種扶持政策大力推進新能源汽車產業化發展。中國在2012年出臺了《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012—2020年)》,為中國新能源汽車產業的總體發展指明了方向。

  新能源汽車發展對鋼材的影響

  截至2013年底,全球新能源汽車保有量已超過40萬輛。保有量排名前3名的國家分別為美國、日本和中國,分別為17.4、6.8、4.5萬輛。到2020年,在歐、美、日、韓及中國新能源汽車年產量預計占乘用車總量的9%—20%,將達120—240萬輛。

  新能源汽車的興起,無論在鋼材需求或是質量方面都提出了更高的要求。出于對汽車的安全和節能等性能的高要求,新能源汽車更加看重車身的輕量化。輕型車身要平衡電池引起的質量增加,沒有一定輕量化水平的電動汽車是沒有市場競爭力的。相比于傳統汽車,新能源汽車對于輕量化技術的要求更為迫切。歐美等地區和國家的汽車制造商都在汽車輕量化項目上投入了大量的資源。鋼鐵企業要想在新能源汽車市場抓住機遇,就必須有針對性地研發和生產,以滿足新能源汽車對輕量化鋼材的要求。

  鋼鐵企業新能源汽車輕量化的鋼鐵解決方案

  汽車輕量化是在滿足汽車使用要求、安全性和成本控制的條件下,將結構輕量化設計與輕量化材料、輕量化制造技術集成應用所實現的產品減重。先進鋼鐵企業不僅提供材料、而且致力于提供包括模型設計、結構設計、應用技術和評價技術等一體化的解決方案,通過整合鋼鐵企業在材料、成形、焊接等應用技術以及評價等領域的知識和技術,積極和汽車企業開展EVI(EarlyVendorInvolevment,先期介入)合作,提供用戶需求的解決方案。

  FSV項目。FSV(FutureSteelVehicle,未來鋼質汽車)項目是2007年國際鋼協汽車用鋼聯盟開展的針對2015—2020年比較成熟的先進鋼鐵材料和制造技術的研究項目。該項目目標是為緊湊型純電動汽車提出一個能制造出完全不同的鋼制車身結構的詳細設計構思,也確認了為適應大的插電式混合動力車(PHEV)或燃料電池車(FCEV)車身結構的改變。FSV項目主要涉及到4種不同的汽車型號,純電動汽車(BEV)和插電式混合動力汽車(PHEV—20)屬于A/B級汽車;插電式混合動力汽車(PHEV—40)和燃料電池汽車(FCEV)屬于C/D級汽車。

  FSV項目設定的方案目標參數有車身質量、制造成本及全生命周期的CO2等效排放量。車身質量的目標是190kg。與先進的設計技術相結合,FSV的用鋼方案采用了比以前其他項目更先進的高強鋼及其成形技術,以求達到車身輕量化和在整個汽車生命周期溫室氣體排放的大幅降低。它使用了20多個最新的先進高強鋼種,這些鋼材預計2015到2020年將會批量生產。

  FSV項目表達了超高強鋼的發展以滿足車身性能和進一步輕量化的需求,FSV使用了平均0.98mm的厚度、平均789MPa抗拉強度的材料方案,而1999年啟動的ULSAB項目(UltraLightSteelAutoBody,超輕鋼車身)的用鋼為平均厚度1.16mm和平均抗拉強度413MPa,ULSAB—AVC(超輕鋼車身先進車概念)項目為平均厚度1.00mm和平均抗拉強度758MPa。

  FSV項目高強度鋼板占整體車身用鋼的97.4%,其中一半在1000MPa以上。與ULSAB—AVC相比,340MPa鋼與1500MPa鋼的比例大幅增加,800MPa鋼驟減,其他級別鋼種則小幅減少。此次選擇鋼板的大方針是:碰撞后可被壓扁的骨架類采用1000MPa級產品,不能壓扁的骨架類采用1500MPa級產品。另外,不需要承受很大應力的地板及頂棚等均采用了目前所能采購到的最薄產品——0.5mm鋼板。其中DP鋼約占30%;TRIP鋼約10%;HF鋼約占10%;CP鋼約占10%。整個高強度鋼用鋼比重超過65%。如果算上超高強鋼,整個汽車車身高強鋼的比重將達到97.4%,軟鋼的比重將顯著減少。

  此外,隨著高強鋼和超高強鋼的應用比重增加,相應的成形技術要求也在提高。針對高強度汽車用鋼在汽車上的應用,國際鋼協在FVS項目中廣泛采用了激光拼焊板、熱沖壓成形、液壓成形、變截面板的液壓成形、激光拼焊制管、激光拼焊和變截面板的輥壓成形及一般輥壓成形等技術手段,使高強度鋼板得以應用,有效地降低汽車車身重量,汽車的車身剛度和安全性能也得以提高。

  在制造成本的評估上,FSV使用了技術成本模型,并且用改進的溫室效應排放模型進行全生命周期(LCA)的CO2排放評估,與對標車型比較,減少了56%的CO2排放量。用生命周期評估的方法來幫助汽車制造商為其生產過程評估與降低總能耗和在整個生命周期內溫室氣體的排放量。只考慮在車輛使用階段從排氣管排放的溫室氣體的法規,將會鼓勵低密度、溫室氣體密集材料的使用,在某些應用中這些材料可使零部件的重量更輕以提高燃油的經濟性和降低尾氣的排放量,但是這在汽車的整個生命周期內對于溫室氣體排放的增加會有意想不到的后果。

  浦項PBC—EV。為了提供低成本的鋼鐵解決方案,韓國浦項開發了名為PBC—EV的輕量化鋼制車身。據了解,浦項從2010年開始研發這類鋼種,于2012年初研發成功并通過了國際安全碰撞試驗,有望于2015年用在電動汽車上。

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