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《汽车行业洞察》 IABC 2019 美国大会的5个要点
Docol® - 汽车用钢

IABC 2019 美国大会的5个要点

国际汽车车身大会主题报告 (IABC 2019 底特律大会)

1) 电池包外壳的概念在 IABC 议程中占主导地位
2) 更大 EV 电池和更便宜材料规划
3) 混合材料将继续存在
4) 预计到2024年以下两种车价格将持平: 纯电动汽车 (BEV) & 内燃机汽车 (ICE)
5) 创新型材的 3D 辊压成型和 3D 打印

2020款雪佛兰克尔维特白车身
2020款雪佛兰克尔维特白车身

电池包外壳概念主导了 IABC 议程 

迄今为止,在 IABC 2019 美国大会上,最热门的话题是纯电动汽车的电池包外壳。 为了满足纯电动车增加续航里程的需要,电池单元越来越重 (Wh / kg),能量密度越来越大 (Wh / L) 。 由于种种原因,对于汽车制造商 (OEM) 来说,现在在其纯电动汽车中增加更多的电池单元/模块具有重要的商业意义。

但是,电池越来越重,就越需要采用更具创新性的白车身 (BIW) 设计来安全地保护电池免受碰撞时的任何侵害。 对于纯电动汽车电池而言,最具有挑战性的是侧面柱碰测试。

幸运的是,从设计人员角度看,电池包外壳也具有多功能性:与白车身地板结构结合一起时,可以增加刚度和扭转刚性,与内燃机汽车 (ICE) 相比,其刚度和扭转刚性提高了30%以上(来源: Caresoft Global Inc.)。

多种电池包外壳概念已被提出,其中包括 Docol EV 设计概念及其节省空间的3D 辊轧成型梁。

 

更大 EV 电池包和更便宜材料的规划

密歇根大学和彭博新能源财经的 Don Malen 表示,到2020年以后,采用铝材的轻量化方式将比添加更多的电池模块更加昂贵。 消费者肯定希望使用更大的电池来延长续航里程,减少 “ 续航焦虑 ”。

更大的电池将需要使用超高强度钢 (UHSS) 的白车身吸收增重质量所带来的额外能量。

铝电池外壳与由 AHSS 和 UHSS 钢制成的外壳相比,成本已处于劣势。 Improvalue 表明,相比于铝制外壳,使用 AHSS / UHSS 电池外壳,每辆车成本节省88至110美元。 (假设:理想的工厂,每年产200,000辆车,5年的生命周期,并考虑到材料成本、成型工艺、装配和涂装。)

IABC 演讲者指出,随着 EV 电池包外壳尺寸的增加,以及 AHSS / UHSS 解决方案的设计人员变得更具创新性,这种价格差异未来可能会更大。 他们的建议:不要将铝制外壳设计套用到钢制外壳设计中。 而应该利用 AHSS 钢的特定优势和借助现有制造工艺进行重新设计,并考虑一些新的钢成型工艺,例如 3D 辊轧成形。

即使使用更大、更强 (更重) 的 EV 电池,轻量化仍然至关重要。 首先,汽车制造商希望部分抵消较大电池的额外增重。 而且,通过 AHSS / UHSS 钢进行轻量化比温室气体密集型铝与碳纤维增强塑料更具经济(和环保)意义。 希望在几年内我们将开始看到更高 (能量) 密度的固态电池:它们将比锂离子电池更轻,但也可能更昂贵,因此设计人员将在可预见的未来继续使用经济的 AHSS / UHSS 钢。

 

混合材料仍将继续存在

目前,一些高档车型 (如 Tesla X、S 和 3、BMW i3 和 Jaguar I-Pace) 在其白车身中使用了大量的铝,而更具成本意识的车型 (Renault Zoe、Nissan Leaf、Chevy Bolt) 则采用以钢为主兼用混合材料的方式。

虽然某些高档车可能会继续在其白车身中使用大量的铝,但未来趋势似乎相反:汽车中的材料混合比例似乎在增加,并且使用特定的材料优化解决特定的挑战.

例如,2020年全新平台的福特探索者车型白车身材料清单具有指导意义:
普通钢 24.2%
高强度钢 21.4%
先进高强度钢 13.1%
超高强度钢 9.2%
硬化钢 25.2%
冲压铝 0.1%
挤压铝 3.7%
铸造铝 2.1%
铸造镁 0.5%

福特展示了其白车身拓扑优化方法,包括为其主载荷路径、上部载荷路径、受拉梁和受压梁进行的 “骨架结构解析” 的拓扑分析。 2020款福特 Escape / Kuga 的“仿生”尾部结构可将冲击载荷分解为拉伸与压缩 — 且弯曲最小。

对于 2020 Escape / Kuga,关键构件 — 包括前部结构、支柱、车顶纵梁和下背部结构 — 是为全球各个主要区域市场单独设计的。 尽管这些构件是专门为满足区域性能要求而量身定制的,但它们整体上都达到了最佳的质量效率。

2020 Escape / Kuga 比其前代车型更轻。 其设计:

  • 通过 AHSS 和 UHSS 钢的应用,重量减轻了90 kg,而白车身重量减轻了5 kg。
  • 通过有效的腔体和连接设计,提供了更好的乘员空间,具有更大的载货能力。
  • 与上代车型相比,混合动力车 (HEV) 静态弯曲性好12%,扭转性能好10%。
  • 通过在白车身中使用较薄的 AHSS 和 UHSS 钢来保持其成本可控。

 

到2024年以下两种车价格将持平: 纯电动汽车 (BEV) & 内燃机汽车 (ICE)

预计到2024年(在没有政府税收抵免的情况下),由于锂离子电池成本的下降,纯电动汽车所有车型的价格均将与内燃机汽车持平。 潜在的电动汽车购买者一直在等待着这些重大变化:电动汽车更便宜、续航里程更长、稳定的电费。

  • ICE 和 BEV 之间的价格持平已经体现在一些中档车上(例如,2019年的Tesla Model 3 价格在 $ 36,600 至 $ 61,100 之间,而 2019 BMW 330i xDrive 则在 $ 41,245 至 $ 61,945 之间)。
  • 到2024年,电池组价格将为 $ 94 / kWh,到2030年将降至 $ 62 / kWh(Bloomberg NEF)。
  • 到2030年,欧洲要求汽车平均每加仑汽油行驶92英里。
  • 现在,在许多地方,太阳能发电的成本与天然气发电的成本相同或更低。
  • 即将在基础设施电气化方面进行的重大投资(例如充电站、道路和停车场的嵌入式充电器等) 。 美国正在迎头赶上:拥有6万个电动汽车充电站,而中国(法律要求有电动汽车)有90万个。

 

从另一种角度来看,到2022年,电池的价格将降至$100/kWh左右,这使得价格有吸引力的380英里以上(610+ km)续航里程的纯电动汽车变得更加普遍。

 

3D 辊压成型和 3D 打印用于创新型型材

2020 Ford Explorer 展示了 Shape Corporation 公司的 3D 辊弯成形技术,该技术可以在多个平面和方向上进行辊弯,所有这些都基于辊压工艺。 进给速度取决于生产线中感应焊机的最小进给速度。 在一条 3D 辊压成型线上,马氏体钢被制成形为具有三维方向弯曲的封闭轮廓的结构管材,以满足 2020 Explorer 的优化需求。

Shape 3D 辊弯技术可以使辊弯的最小弯曲半径达 R 400mm ,并且只需一个100 mm的过渡区来使弯曲模改变辊弯半径。 弯曲工艺与 3D 辊压成型线分离,以最大限度地提高辊压成型效率并利用弯曲模的灵活性。

SSAB 也在其Docol EV 设计概念 中着重展示用于电池外壳加工的 3D 辊压成型工艺。 3D 辊压成型采用一部分截面形状不变而一部分截面形状可变的梁来构建电池外壳的承重底部结构。 也就是,将一根梁垂直放置到具有相似轮廓的另一根梁上,并且上下颠倒呈成网格状放置,这样在 Z 轴方向上就不会使高度加倍,从而节省了乘客舱的空间。

3D 打印 (又名增材制造) 以高度复杂和创新性的白车身构件使与会者赞叹不已。 一个例子是转向节,经过优化,用熔丝打印时重量减轻58%。 目前,增材制造仍只适合单件小批量的模型,这些模型在模具成本 (25万美元及以上) 和构件重量方面的节省都超过了 3D 打印的成本。 尽管对于大多数构件而言,熔丝打印加工速度缓慢得令人无法接受,但其沉积率正在以一定的速度提高,有望逐步打破许多白车身构件的传统制造工艺。

2019 国际汽车车身大会

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