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专访孟宪明:详解新能源汽车轻量化材料铝合金的特性

时间:2018-10-25 11:11来源:中国电池联盟 作者:丘佳雯
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孟宪明,高级工程师、博士
        专家简介
        孟宪明,博士,高级工程师,学科带头人,汽车轻量化与材料性能研究团队负责人,主要从事汽车轻量化技术与车用新材料性能研究与应用技术工作,主持完成30余项企业项目,主持或参与完成多项科研项目,其中国家重点研发计划项目2项、省部级项目1项。出版专著1部,发表论文45篇(SCI收录16篇,EI收录6篇),获得多项国家发明专利,9项国家软件著作权。国外多个SCI刊源期刊MMTA,JMSE等审稿人,国际会议CMSE等大会学术委员会委员等。 一直致力于整车轻量化集成技术与车用材料性能应用技术研究领域,为国内外多家企业提供轻量化及新材料应用相关技术解决方案。
 
        中国电池联盟:新能源汽车轻量化是未来的发展趋势,请问,新能源汽车轻量化的技术思路与途径有哪些?
 
        孟宪明:近年来,以纯电动汽车为代表的新能源汽车研发和产业化势头迅猛,与传统汽车相比,由于受电池重量及续航里程因素的影响,对车重更加敏感。轻量化成为横在电动汽车发展过程中需要解决的关键问题,更需要轻量化设计技术作为提高产品产业化成熟度的技术支撑。新型轻质材料应用以及多材料车身技术是深挖减重潜力的主要发展趋势。当前电动汽车轻量化技术的发展,更加体现了将合适材料应用在合适位置,用合适工艺实现其性能设计的汽车轻量化开发思路与理念。电动汽车轻量化是一项集成多学科领域优势的综合性工程技术,它集材料性能开发与应用、结构优化设计、先进连接与成形技术等各方优势于一体。
 
        新能源汽车轻量化途径应从两个重点方面入手:一方面是实现整车轻量化的技术途径,首先是新型轻质材料的应用,比如超高强钢、铝合金、镁合金、工程塑料以及纤维增强复合材料等;其次是车身结构多目标优化设计技术,这方面主要是通过CAD/CAE/CAM一体化分析技术进行车身结构多目标优化设计,在满足整车各项性能指标基础上,通过全尺寸参数优化,灵敏度分析、形状拓扑优化以及截面优化等技术手段优化材料的合理匹配、减薄零部件壁厚、减少零部件数量等方面;最后通过先进制造与连接工艺的应用,如采用激光拼焊、辊冲成形、辊压成形、热成形、内高压成形等先进制造技术以及胶粘、铆接等先进连接技术来降低整车总质量;另外一方面是动力能源轻量化,其中包括提高现有新能源电池的比能量或开发新一代动力能源电池,使其单位体积的电源能量与自身重量的比值增大,续航能力增强。
 
        中国电池联盟:目前来说,由于成本昂贵,在民用车领域,使用最多的轻量化材料无疑是铝合金,请问铝合金白车身的优缺点是什么?
 
        孟宪明:首先我们要定义一下什么是铝合金白车身,在汽车设计中白车身的英文简称为BIW,指的是汽车的主框架结构,不包含四门两盖和底盘等零部件系统。因此,我们把汽车的主框架结构都是由铝合金制成的车身称为铝合金白车身或者全铝白车身。虽然铝合金车身中的材料都是铝合金,但是其不同部位应用的牌号以及后续固溶处理工艺是不一样的,这是由于车身不同部位在各项性能中承担的作用不同,因此需要不同强度性质的铝合金及成型工艺与之对应。
 
        那么使用铝合金车身的优势是什么?首先最重要的一点就是轻量化。因为铝合金的密度为2.7,而钢的密度为7.8,这样采用“全铝车身”与传统钢制车身相比,一般可带来100kg以上的轻量化效果,而车身质量的降低还会带来整车动力性、燃油经济性以及操控稳定性的提升,这也是“全铝车身”最核心的优势。
 
        其次,铝合金部件吸能特性要优于钢铁材料,“全铝车身”中的碰撞吸能区将给车辆带来更好的碰撞安全性能,减少乘员在碰撞时受到的冲击,使得车身变得更加安全。最后,由于铝合金性质的原因,其在空气中可以自动在表层形成一层致密的氧化膜,从而提高汽车表面抗腐蚀能力,因此“全铝车身”在使用耐久性上会比传统钢制车身略胜一筹。
 
        但是全铝车身也存在着一定的劣势。首先铝合金板材的成型难度较高、成本也较高,铝合金板材成型性与局部拉延性不如钢铁材料好,拉延区域局部容易产生裂纹,且回弹难以控制,导致样件尺寸精度不容易控制,铝的焊接工艺技术难度和成本也较钢铁材料高。其次,铝合金维修困难,维修费用较高。铝的延展性很差,而且加工困难,一旦发生事故,“全铝车身”的修复就比较复杂了,维修费用也比钢制车身要高很多。
 
        最后,由于铝硬度比钢低,其耐摩损性能不如钢,在生产和运输中的碰撞和各种粉尘附着等原因使铝制零部件表面容易产生碰伤、划伤等缺陷,物流困难,不能象钢板那样搬运和传递。
 
        新能源汽车轻量化是大势所趋,以轻著称的铝合金在汽车上使用量也将会越来越多,“全铝车身”作为一些新能源车企轻量化的核心技术之一,也是这种趋势的重要体现。对于未来轻量化车身的走势,不管是“全铝车身”,“钢铝混合车身”还是“多材料混合车身”,铝合金在其中的应用都是大量的,也对车身轻量化的实现有着重要的现实意义。
 
        中国电池联盟:像奥迪A8这样的“全铝车身爱好者”,在发展到第三代的时候发现了全铝车身的一些问题。从第二代到第三代,奥迪的ASF车身就已经为了妥协侧向安全性,从全铝变成了含8%钢的车身,而今发展到第四代A8,为了提高安全性和整车刚性,其钢的含量占到了40%左右。为何全铝车身会“惨遭嫌弃”,这是否暴露了全铝车身安全性能比较差?
 
        孟宪明:  “惨遭嫌弃”这个词说的有些严重了,这里我先讲解一下车身结构耐撞性设计的原理性问题,车身结构耐撞性设计核心目的是为了保护乘员安全,对于车身整体结构来说可以分为几个不同功能领域,分别为前舱,成员舱和后舱,前舱和后舱在碰撞中主要起吸能作用(对应前碰和后碰工况),尽量把车身碰撞的动能吸收掉,减少乘员在碰撞时受到的冲击,而成员舱就像一个坚实的防护框架来保护乘员不受侵害,保证其完整的生存空间,特别是针对侧面碰撞工况(移动壁障以及侧面柱碰),对乘员舱的刚度要求是非常高的。概括的说就是前后舱设计吸能性好,成员舱设计刚度高来保护乘员生存空间。基于上述理论分析不难发现,全铝车身要做好耐撞性设计也要遵循上述原则。虽然铝合金零部件的吸能特性是非常好的,但是其强度不高,因此如果将其用在乘员舱位置,就要求通过增加厚度或应用高强度铝合金来保证成员舱的刚度要求,以满足侧面碰撞(移动壁障以及侧面柱碰)的安全性要求。
 
        但是随着全球安全体系的要求一年比一年严格,如果要达到全球安全体系的标准,就要求其成员舱铝合金厚度和合金强度要不断的提升以应对车身耐撞性指标的提升,这样一方面导致了铝合金制造成本和难度的增加,另一方面也增加了铝合金车身的质量,原来由于其密度低而呈现的轻量化优势被厚度增加给掩盖了,导致其轻量化优势降低。因此,在乘员舱位置应用热成型钢(超高强度钢)来增加刚度保护乘员舱完整性,这种方案变得更加合理,得到的轻量化效果也更为显著。当然,虽然铝合金强度不及热成型钢,但这不代表铝合金材料完全没有优势,其在吸能方面的优势是显而易见不可取代的,因此铝合金材料就被设计在具备比较充足缓冲区的前舱和后舱部位。
 
        至于说未来钢铝混合车身一定是车身设计的趋势吗?短期内来看,不管是成本角度还是性能开发方面这种车身优势很大,但要放眼未来,也许还有更多更优秀的材料可以替换其中,但不变的是本文开头提出的轻量化开发理念,“将合适材料应用在合适位置,用合适工艺实现其性能设计的汽车轻量化开发思路与理念”。未来的轻量化车身结构将是一个多材料混合车身结构,多种材料各尽其能,用先进的工艺实现其结构特性,由于汽车是一个综合类较强的民用商品,因此成本,性能以及感官之间的关系也比较密切,在未来,只有在合适的地方用合适的材料与结构,才是最理想的车身。
 
        中国电池联盟:铝合金零部件强度虽然不及热成型钢的,但是它的吸能性是它的一个优势,能给我们简单介绍一下这个特性吗?
 
        孟宪明:虽然铝合金材料的屈服强度,抗拉强度以及流变应力与热成型钢比差距很大。但是,由于铝合金微观结构为面心立方结构,其变形滑移系较多,塑性比马氏体热成型钢好很多。另外,铝合金零部件成型方法较多,如挤压成型,冲压成型,铸造成型等。这几种成型工艺可以制造出多种形状的零部件,满足车身不同部位的需求,而最常被应用于吸能部件成型方法为挤压成型,挤压成型方法可以制造出多种截面形状的吸能部件,如口子型,日字型,目字型,菱形以及多胞型截面形状,而且制造出的吸能结构不存在传统钢制部件的焊接连接边,这使吸能构件结构完整性更好,所以挤压成型铝合金部件的吸能压溃性会更均匀,吸能特性更好。国内外的高校和研究机构也公开发表了关于铝合金梁吸能的研究结果,研究结果都说明铝合金部件具有优异的吸能特性,其压溃稳定性也比钢制部件好很多。例如特斯拉的models车身的前部吸能区应用的就是挤压成型的铝合金吸能盒和前纵梁,其在碰撞过程中表现出了优秀的吸能特性。如今,不单是全铝车身,包括现上市的一些钢铝混合车身,以及钢制车身,很多车身前舱吸能结构中都应用了挤压成型铝制部件作为主要吸能结构,从中可以看出铝制部件在车身结构吸能应用中的重要性。
 
        中国电池联盟:固态电池于近年被视为可以继承锂离子电池地位的电池,因其具有体积小与密度高的优势,成为车厂发展车体轻量化的重要考量,它对于新能源汽车轻量化起到什么样的作用?
 
        孟宪明:首先从原理上讲,固态电池与电解液锂电池并无明显区别,他的主要优势是:1.能量密度更高2.运行更安全。
 
        其次,由于其自身结构特点,固态电池可以让更多带电离子聚集在一端,能够传导更大的电流,电池容量随之提升。由于固态锂电池正负极之间的距离大幅缩减,甚至只有几到十几个微米,使得整个电池系统的能量密度得到提升,这种改变给新能源电动车带来的优势就是电池系统质量更轻,续航能力更强。
 
        随着电池技术的不断进步,无论是液态还是固态电池都会在单位体积的能量密度上面得到提升,带来的新能源轻量化效果也主要集中在本文前面提到的“动力能源轻量化”这部分,不仅可以带来续航里程的提升,也会给用户带来更多良好的体验。可以说,电池技术与新能源汽车轻量化技术是相铺相成的关系,两者的相互进步与促进都是使新能源汽车能够更好的为用户服务。另一方面,随着电池单体能量密度的提升,需要在电池包安全防护设计上面更为重视,一些新型的轻量化结构安全设计方法以及新型高强轻量化材料也会被大量的应用,确保电池包高能量体安全可靠性。
 
        中国电池联盟:中汽中心工程院汽车轻量化团队在为行业共性技术服务上面都取得了那些成果?
 
        孟宪明:中汽中心汽车工程院轻量化与材料性能研究团队在解决行业共性关键技术中硕果累累,中汽中心汽车工程研究院汽车轻量化与材料性能研究团队一直致力于整车轻量化与材料应用性能等关键共性技术研究工作,完成多项国家及省部委科研课题,其中包含国家重点研发计划等关键共性技术研发项目,并与国内高校、企业以及科研单位形成联合实验室共同突破材料与轻量化关键共性技术。
 
        同时,团队基于工程开发以及科研类项目,建立了车用多材料与接头的精准建模方法,材料与接头的断裂失效行为模拟仿真技术,形成了材料-工艺-性能一体化的轻量化设计开发方法,构建了覆盖国内车用材料种类的,可直接应用于CAE仿真分析的材料性能数据库及接头性能数据库两大数据库平台,构建了应用于新能源汽车安全设计的电池单体动态力学仿真模型以及电池包碰撞安全仿真方法。为多家企业提供了基于多目标的车身结构轻量化解决方案,对整车进行有效减重的同时也提升了相关性能指标。团队已为国内数十家自主品牌汽车企业和材料零部件企业提供了轻量化与材料等相关一体化解决方案与数据库支持,取得了显著的经济和社会效益,提升了国内汽车行业轻量化技术水平,促进了国内汽车行业轻量化共性技术的进步。
 
(责任编辑:弦吟雪)
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