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專訪孟憲明:詳解新能源汽車輕量化材料鋁合金的特性

時間:2018-10-25 11:11來源:中國電池聯盟 作者:丘佳雯
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孟憲明,高級工程師、博士
        專家簡介
        孟憲明,博士,高級工程師,學科帶頭人,汽車輕量化與材料性能研究團隊負責人,主要從事汽車輕量化技術與車用新材料性能研究與應用技術工作,主持完成30余項企業項目,主持或參與完成多項科研項目,其中國家重點研發計劃項目2項、省部級項目1項。出版專著1部,發表論文45篇(SCI收錄16篇,EI收錄6篇),獲得多項國家發明專利,9項國家軟件著作權。國外多個SCI刊源期刊MMTA,JMSE等審稿人,國際會議CMSE等大會學術委員會委員等。 一直致力于整車輕量化集成技術與車用材料性能應用技術研究領域,為國內外多家企業提供輕量化及新材料應用相關技術解決方案。
 
        中國電池聯盟:新能源汽車輕量化是未來的發展趨勢,請問,新能源汽車輕量化的技術思路與途徑有哪些?
 
        孟憲明:近年來,以純電動汽車為代表的新能源汽車研發和產業化勢頭迅猛,與傳統汽車相比,由于受電池重量及續航里程因素的影響,對車重更加敏感。輕量化成為橫在電動汽車發展過程中需要解決的關鍵問題,更需要輕量化設計技術作為提高產品產業化成熟度的技術支撐。新型輕質材料應用以及多材料車身技術是深挖減重潛力的主要發展趨勢。當前電動汽車輕量化技術的發展,更加體現了將合適材料應用在合適位置,用合適工藝實現其性能設計的汽車輕量化開發思路與理念。電動汽車輕量化是一項集成多學科領域優勢的綜合性工程技術,它集材料性能開發與應用、結構優化設計、先進連接與成形技術等各方優勢于一體。
 
        新能源汽車輕量化途徑應從兩個重點方面入手:一方面是實現整車輕量化的技術途徑,首先是新型輕質材料的應用,比如超高強鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料以及纖維增強復合材料等;其次是車身結構多目標優化設計技術,這方面主要是通過CAD/CAE/CAM一體化分析技術進行車身結構多目標優化設計,在滿足整車各項性能指標基礎上,通過全尺寸參數優化,靈敏度分析、形狀拓撲優化以及截面優化等技術手段優化材料的合理匹配、減薄零部件壁厚、減少零部件數量等方面;最后通過先進制造與連接工藝的應用,如采用激光拼焊、輥沖成形、輥壓成形、熱成形、內高壓成形等先進制造技術以及膠粘、鉚接等先進連接技術來降低整車總質量;另外一方面是動力能源輕量化,其中包括提高現有新能源電池的比能量或開發新一代動力能源電池,使其單位體積的電源能量與自身重量的比值增大,續航能力增強。
 
        中國電池聯盟:目前來說,由于成本昂貴,在民用車領域,使用最多的輕量化材料無疑是鋁合金,請問鋁合金白車身的優缺點是什么?
 
        孟憲明:首先我們要定義一下什么是鋁合金白車身,在汽車設計中白車身的英文簡稱為BIW,指的是汽車的主框架結構,不包含四門兩蓋和底盤等零部件系統。因此,我們把汽車的主框架結構都是由鋁合金制成的車身稱為鋁合金白車身或者全鋁白車身。雖然鋁合金車身中的材料都是鋁合金,但是其不同部位應用的牌號以及后續固溶處理工藝是不一樣的,這是由于車身不同部位在各項性能中承擔的作用不同,因此需要不同強度性質的鋁合金及成型工藝與之對應。
 
        那么使用鋁合金車身的優勢是什么?首先最重要的一點就是輕量化。因為鋁合金的密度為2.7,而鋼的密度為7.8,這樣采用“全鋁車身”與傳統鋼制車身相比,一般可帶來100kg以上的輕量化效果,而車身質量的降低還會帶來整車動力性、燃油經濟性以及操控穩定性的提升,這也是“全鋁車身”最核心的優勢。
 
        其次,鋁合金部件吸能特性要優于鋼鐵材料,“全鋁車身”中的碰撞吸能區將給車輛帶來更好的碰撞安全性能,減少乘員在碰撞時受到的沖擊,使得車身變得更加安全。最后,由于鋁合金性質的原因,其在空氣中可以自動在表層形成一層致密的氧化膜,從而提高汽車表面抗腐蝕能力,因此“全鋁車身”在使用耐久性上會比傳統鋼制車身略勝一籌。
 
        但是全鋁車身也存在著一定的劣勢。首先鋁合金板材的成型難度較高、成本也較高,鋁合金板材成型性與局部拉延性不如鋼鐵材料好,拉延區域局部容易產生裂紋,且回彈難以控制,導致樣件尺寸精度不容易控制,鋁的焊接工藝技術難度和成本也較鋼鐵材料高。其次,鋁合金維修困難,維修費用較高。鋁的延展性很差,而且加工困難,一旦發生事故,“全鋁車身”的修復就比較復雜了,維修費用也比鋼制車身要高很多。
 
        最后,由于鋁硬度比鋼低,其耐摩損性能不如鋼,在生產和運輸中的碰撞和各種粉塵附著等原因使鋁制零部件表面容易產生碰傷、劃傷等缺陷,物流困難,不能象鋼板那樣搬運和傳遞。
 
        新能源汽車輕量化是大勢所趨,以輕著稱的鋁合金在汽車上使用量也將會越來越多,“全鋁車身”作為一些新能源車企輕量化的核心技術之一,也是這種趨勢的重要體現。對于未來輕量化車身的走勢,不管是“全鋁車身”,“鋼鋁混合車身”還是“多材料混合車身”,鋁合金在其中的應用都是大量的,也對車身輕量化的實現有著重要的現實意義。
 
        中國電池聯盟:像奧迪A8這樣的“全鋁車身愛好者”,在發展到第三代的時候發現了全鋁車身的一些問題。從第二代到第三代,奧迪的ASF車身就已經為了妥協側向安全性,從全鋁變成了含8%鋼的車身,而今發展到第四代A8,為了提高安全性和整車剛性,其鋼的含量占到了40%左右。為何全鋁車身會“慘遭嫌棄”,這是否暴露了全鋁車身安全性能比較差?
 
        孟憲明:  “慘遭嫌棄”這個詞說的有些嚴重了,這里我先講解一下車身結構耐撞性設計的原理性問題,車身結構耐撞性設計核心目的是為了保護乘員安全,對于車身整體結構來說可以分為幾個不同功能領域,分別為前艙,成員艙和后艙,前艙和后艙在碰撞中主要起吸能作用(對應前碰和后碰工況),盡量把車身碰撞的動能吸收掉,減少乘員在碰撞時受到的沖擊,而成員艙就像一個堅實的防護框架來保護乘員不受侵害,保證其完整的生存空間,特別是針對側面碰撞工況(移動壁障以及側面柱碰),對乘員艙的剛度要求是非常高的。概括的說就是前后艙設計吸能性好,成員艙設計剛度高來保護乘員生存空間;谏鲜隼碚摲治霾浑y發現,全鋁車身要做好耐撞性設計也要遵循上述原則。雖然鋁合金零部件的吸能特性是非常好的,但是其強度不高,因此如果將其用在乘員艙位置,就要求通過增加厚度或應用高強度鋁合金來保證成員艙的剛度要求,以滿足側面碰撞(移動壁障以及側面柱碰)的安全性要求。
 
        但是隨著全球安全體系的要求一年比一年嚴格,如果要達到全球安全體系的標準,就要求其成員艙鋁合金厚度和合金強度要不斷的提升以應對車身耐撞性指標的提升,這樣一方面導致了鋁合金制造成本和難度的增加,另一方面也增加了鋁合金車身的質量,原來由于其密度低而呈現的輕量化優勢被厚度增加給掩蓋了,導致其輕量化優勢降低。因此,在乘員艙位置應用熱成型鋼(超高強度鋼)來增加剛度保護乘員艙完整性,這種方案變得更加合理,得到的輕量化效果也更為顯著。當然,雖然鋁合金強度不及熱成型鋼,但這不代表鋁合金材料完全沒有優勢,其在吸能方面的優勢是顯而易見不可取代的,因此鋁合金材料就被設計在具備比較充足緩沖區的前艙和后艙部位。
 
        至于說未來鋼鋁混合車身一定是車身設計的趨勢嗎?短期內來看,不管是成本角度還是性能開發方面這種車身優勢很大,但要放眼未來,也許還有更多更優秀的材料可以替換其中,但不變的是本文開頭提出的輕量化開發理念,“將合適材料應用在合適位置,用合適工藝實現其性能設計的汽車輕量化開發思路與理念”。未來的輕量化車身結構將是一個多材料混合車身結構,多種材料各盡其能,用先進的工藝實現其結構特性,由于汽車是一個綜合類較強的民用商品,因此成本,性能以及感官之間的關系也比較密切,在未來,只有在合適的地方用合適的材料與結構,才是最理想的車身。
 
        中國電池聯盟:鋁合金零部件強度雖然不及熱成型鋼的,但是它的吸能性是它的一個優勢,能給我們簡單介紹一下這個特性嗎?
 
        孟憲明:雖然鋁合金材料的屈服強度,抗拉強度以及流變應力與熱成型鋼比差距很大。但是,由于鋁合金微觀結構為面心立方結構,其變形滑移系較多,塑性比馬氏體熱成型鋼好很多。另外,鋁合金零部件成型方法較多,如擠壓成型,沖壓成型,鑄造成型等。這幾種成型工藝可以制造出多種形狀的零部件,滿足車身不同部位的需求,而最常被應用于吸能部件成型方法為擠壓成型,擠壓成型方法可以制造出多種截面形狀的吸能部件,如口子型,日字型,目字型,菱形以及多胞型截面形狀,而且制造出的吸能結構不存在傳統鋼制部件的焊接連接邊,這使吸能構件結構完整性更好,所以擠壓成型鋁合金部件的吸能壓潰性會更均勻,吸能特性更好。國內外的高校和研究機構也公開發表了關于鋁合金梁吸能的研究結果,研究結果都說明鋁合金部件具有優異的吸能特性,其壓潰穩定性也比鋼制部件好很多。例如特斯拉的models車身的前部吸能區應用的就是擠壓成型的鋁合金吸能盒和前縱梁,其在碰撞過程中表現出了優秀的吸能特性。如今,不單是全鋁車身,包括現上市的一些鋼鋁混合車身,以及鋼制車身,很多車身前艙吸能結構中都應用了擠壓成型鋁制部件作為主要吸能結構,從中可以看出鋁制部件在車身結構吸能應用中的重要性。
 
        中國電池聯盟:固態電池于近年被視為可以繼承鋰離子電池地位的電池,因其具有體積小與密度高的優勢,成為車廠發展車體輕量化的重要考量,它對于新能源汽車輕量化起到什么樣的作用?
 
        孟憲明:首先從原理上講,固態電池與電解液鋰電池并無明顯區別,他的主要優勢是:1.能量密度更高2.運行更安全。
 
        其次,由于其自身結構特點,固態電池可以讓更多帶電離子聚集在一端,能夠傳導更大的電流,電池容量隨之提升。由于固態鋰電池正負極之間的距離大幅縮減,甚至只有幾到十幾個微米,使得整個電池系統的能量密度得到提升,這種改變給新能源電動車帶來的優勢就是電池系統質量更輕,續航能力更強。
 
        隨著電池技術的不斷進步,無論是液態還是固態電池都會在單位體積的能量密度上面得到提升,帶來的新能源輕量化效果也主要集中在本文前面提到的“動力能源輕量化”這部分,不僅可以帶來續航里程的提升,也會給用戶帶來更多良好的體驗?梢哉f,電池技術與新能源汽車輕量化技術是相鋪相成的關系,兩者的相互進步與促進都是使新能源汽車能夠更好的為用戶服務。另一方面,隨著電池單體能量密度的提升,需要在電池包安全防護設計上面更為重視,一些新型的輕量化結構安全設計方法以及新型高強輕量化材料也會被大量的應用,確保電池包高能量體安全可靠性。
 
        中國電池聯盟:中汽中心工程院汽車輕量化團隊在為行業共性技術服務上面都取得了那些成果?
 
        孟憲明:中汽中心汽車工程院輕量化與材料性能研究團隊在解決行業共性關鍵技術中碩果累累,中汽中心汽車工程研究院汽車輕量化與材料性能研究團隊一直致力于整車輕量化與材料應用性能等關鍵共性技術研究工作,完成多項國家及省部委科研課題,其中包含國家重點研發計劃等關鍵共性技術研發項目,并與國內高校、企業以及科研單位形成聯合實驗室共同突破材料與輕量化關鍵共性技術。
 
        同時,團隊基于工程開發以及科研類項目,建立了車用多材料與接頭的精準建模方法,材料與接頭的斷裂失效行為模擬仿真技術,形成了材料-工藝-性能一體化的輕量化設計開發方法,構建了覆蓋國內車用材料種類的,可直接應用于CAE仿真分析的材料性能數據庫及接頭性能數據庫兩大數據庫平臺,構建了應用于新能源汽車安全設計的電池單體動態力學仿真模型以及電池包碰撞安全仿真方法。為多家企業提供了基于多目標的車身結構輕量化解決方案,對整車進行有效減重的同時也提升了相關性能指標。團隊已為國內數十家自主品牌汽車企業和材料零部件企業提供了輕量化與材料等相關一體化解決方案與數據庫支持,取得了顯著的經濟和社會效益,提升了國內汽車行業輕量化技術水平,促進了國內汽車行業輕量化共性技術的進步。
 
(責任編輯:弦吟雪)
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