PBC—EV的开发过程不仅仅是普通汽车的模型开发,而是关注于汽车车身轻量化的优化过程。车身结构的设计包含了先进高强钢的应用、制造技术、设计优化以及CAE分析。在PBC—EV上先进高强钢是主要的轻量化材料,具有高延伸率的先进高强钢,如DP780、TRIP980和TWIP980等,主要用在吸收碰撞能量的部件;而超高强度钢,如DP980、HPF2000和Duplex980等,主要用在减少对乘客和电池区域的撞击。PBC—EV主要采用了超过65%的先进高强钢。因此,通过使用先进高强钢,车身重量达到218kg,车身重量减小了26.4%,约78kg。此外,镁板由于其重量轻和NVH等优点也被作为PBC—EV的可用材料之一。浦项的研究成果与国际钢协的研究成果大部分相同,区别在于浦项在TWIP钢的研制和生产方面处于领先地位,TWIP钢使用比例占了大约10%(PBC—EV用钢分布如图1所示)。
为增加其强度和韧性,浦项还采用了两种新的方法,即热压成型和多向轧制成型。与普通汽车相比,由该钢种制造的汽车,温室气体排放可降低50%。镁板采用温成形的方式,同时传统的冲压、激光拼焊等加工方式也毫无疑问被用在PBC—EV的制造过程中。
浦项的PBC—EV项目在设计评估中也考虑到加工成本,针对在白车身和零部件加工成本中使用成本分析,加工成本是估算使用不同加工工艺的所有车身结构部件成本。成本分析结果为白车身加工成本$1018。由于使用先进高强钢而实现汽车减重,减少了材料的成本,这将平衡由于加工费用带来的总成本的增加。
浦项的PBC—EV项目也使用了生命周期评价。评价结果显示,由于先进高强钢车身的使用使PBC—EV减重,CO2排放量显著减少,与对标燃料车和铝制电动车相比,分别减少48.9%、9.0%。
安赛乐米塔尔电动汽车版S—inmotion。
安赛乐米塔尔自2010年起开展了S—inmotion项目,旨在开发一系列汽车用钢解决方案,使汽车在不降低安全性的前提下更轻、排放量更小。S—inmotion包含steel(钢铁)、Savingweight(重量减轻)、Savingcosts(成本节约)、Sustainability(可持续性)、Safety(安全性)、Service(服务)、Strength(强度)和Solutions(解决方案)等8种含义。该项目是北美和欧洲联合开展的研发项目,有6家研究中心、600多名技术人员和工程师参与了该项目。先进高强钢在电动汽车上证明了其轻量化方案新的价值。
安赛乐米塔尔的原S—inmotion项目在传统燃油汽车身上具有减轻车身重量和底盘的巨大潜力。因此为满足电动汽车系列新的挑战,安赛乐米塔尔开发了电动汽车S—inmotion选择方案。该项目对车身重新设计,满足了电动汽车更大的动力系统以及电池保护需求。先进高强钢在电动汽车上得到了广泛使用,其占车身重量比从原传统燃油汽车的35%提高到了58%,车身减重30kg。
安米的S—inmotion项目的主要优势为:为车企提供电动车方案;适应完全不同的动力系统;在不增加重量的情况下对电池提供额外保护;保持冲撞性能;广泛使用先进高强钢达到减重目的。
通过该项目和已经验证的选择方案证明,先进高强钢的强度和轻量化满足了汽车的未来发展。该项目使用典型的奔驰C级轿车作为基准车,设计目标是通过使用已经确定的原S—inmomion方案来改善基准车,创造新的电动汽车解决方案。项目特别针对那些希望把原先传统燃油汽车升级到电动版的车企。
针对电动汽车白车身使用了35%—58%(占车身重量)的先进高强钢,车身减重了30kg,减重比例达到11%。在电动汽车S—inmotion设计方案中,为维护冲撞性能,有29个部件可以使用热成型Usibor1500钢,24个部件可以使用激光拼焊。
安米在轿车轻量化研究过程中充分利用了其自身生产的超高强度钢,如DP钢、马氏体钢及其他高品质线材,尤其是其最具竞争的热成形钢Usiborl500P。在减轻车身重量并增加汽车安全性的同时还考虑到不增加汽车生产商的成本,因此对每项解决方案都进行了成本分析。
分析结果
新能源汽车的轻量化是实现产业化的关键技术之一。相比于传统汽车,新能源汽车对于轻量化技术的要求更为迫切。欧美等地区和国家的汽车制造商都在汽车轻量化项目上投入了大量的资源。国际先进钢铁企业也积极致力为新能源汽车提供低成本的轻量化钢铁解决方案,浦项PBC—EV和安米S—inmotion,都是为新能源汽车设计开发的项目,这些项目关注于汽车车身轻量化的优化过程,车身结构的设计包含了先进高强钢的应用、制造技术、设计优化、以及相关技术评估分析、成本和生命周期等分析。
从研究结果来看,一是显示了钢铁材料在未来汽车尤其是电动汽车上仍是首选材料;二是从具体钢铁材料来看,高强钢,尤其是先进高强钢将是未来汽车车身的主要用材。从国际钢协、安米、浦项对未来电动汽车用钢研究来看,三者结果几乎一致。具体来看国际钢协对用钢的级别更加具体,其超高强度钢主要是DP钢,占总用钢量的l/3,TRIP钢、HF钢、CP钢各占10%。浦项的研究结果也显示:600MP级别以上超高强度汽车板的用材比重将占车身用材份额的50%,其中DP、TWIP、CP、HP四大类钢种的比重相差不大,都在10%上下。安赛乐米塔尔的研究结果虽然没有用钢比重,但表明了高强度汽车板、超高强度汽车板的使用依然是车身轻量化的主要材料。同时,国际钢铁协会、浦项以及安赛乐米塔尔也都分别对新能源汽车加工成本和生命周期评价进行了评估对比。
综上所述,新能源汽车发展已成为汽车产业转型升级的突破口,将带动整个产业的技术创新,也是实现节能减排的可持续发展。这些无疑将加大钢企在新能源汽车方面的研发力度。先进钢铁企业都加速在新能源汽车用钢方面的研发。由17家国际先进钢铁企业参加的国际钢协的FSV项目,研究水平代表了新能源汽车用钢在安全性、轻量化、成本、材料全生命周期以及绿色制造方面的技术进步,其中大量高强钢和超高强钢广泛使用,高强度钢板占整体的97.4%,一半在1000MPa以上,并结合了先进的成形加工技术。浦项和安米针对新能源汽车的轻量化项目,通过综合运用现代冶金学、材料科学与工程和计算机模拟技术等手段,在强度、刚度、抗冲撞和可成型等综合性能方面的研究来满足汽车轻量化的要求。并从设计上考虑对整车结构优化,与先进成型制造技术相结合,创新的提供解决方案。
钢铁企业未来在新能源汽车用钢方面,应用现代计算设计技术,使部件和整体结构更加优化,通过在安全性、轻量化、成本、材料全生命周期以及绿色制造方面的技术进步,为汽车企业提供整体解决方案,才能实现发展并不断提高竞争力。