在材料大作戰(zhàn)的過程中，汽車行業(yè)的生產(chǎn)模式、供應(yīng)商模式和組織結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化。
11月26日，中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)召開第七次電動(dòng)汽車熱點(diǎn)問題研討會(huì)，議題為“電動(dòng)汽車的輕量化”。來(lái)自政府、行業(yè)學(xué)會(huì)、高校和企業(yè)的100余名嘉賓參與了討論，中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)理事長(zhǎng)陳清泰對(duì)研討會(huì)進(jìn)行了總結(jié)發(fā)言。車云菌將會(huì)議核心信息整理如下。
汽車輕量化的意義
從市場(chǎng)、汽車設(shè)計(jì)的角度，也許需要的是一個(gè)大車，一個(gè)豪華車，但是清華大學(xué)教授周青表示，從技術(shù)和汽車工程的角度，小型化和輕量化才有意義。輕量化不僅可以幫助節(jié)能減排，而且能提升車輛使用效率和行車安全。
△清華大學(xué)教授周青
汽車輕量化與節(jié)能減排存在直接關(guān)聯(lián)。根據(jù)相關(guān)政策，到2020年，車企平均油耗必須降低到每百公里5升。工業(yè)和信息部原材料工業(yè)司副司長(zhǎng)潘愛華介紹，統(tǒng)計(jì)估測(cè)，汽車整車重量減少10%，就能節(jié)油6%到8%，油耗能夠下降每百公里0.3到0.6升，氧化碳排放降低5~8克。
而對(duì)于新能源汽車而言，因?yàn)閮粼鲭姵刂亓窟_(dá)到了300Kg以上，因此輕量化更是必不可少的課題。周青表示，目前電動(dòng)車電池能量密度提高困難，直到電池或者儲(chǔ)能裝置可以達(dá)到今天汽油，氫燃料的能量密度，才可能比較任意地按照今天的原理設(shè)計(jì)汽車。所以我們必須在現(xiàn)有電池能量密度的情況下，把車設(shè)計(jì)得更小更輕，從而增加電動(dòng)車的續(xù)航里程，提升它的能量利用率。
一個(gè)明顯的現(xiàn)象是，目前路上家用汽車的空間利用率仍然很低。行車時(shí)只有一名乘員，大部分時(shí)間車輛被閑置在停車場(chǎng)，從這個(gè)角度來(lái)看，更小更輕的車更加能滿足使用效率。
從安全角度來(lái)看，輕量化和小型化可以令車更加安全。2000年前后美國(guó)聯(lián)邦政府交通部研究的一個(gè)結(jié)論顯示，如果能夠降低道路車輛的平均重量，能減少道路凈傷亡。并且隨著主動(dòng)安全越來(lái)越發(fā)達(dá)，又小又輕的車更容易控制，在與行人和自行車碰撞時(shí)，造成的傷害也會(huì)降低。
汽車輕量化的三個(gè)途徑
汽車輕量化有三個(gè)途徑，一個(gè)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，一個(gè)是使用輕量化材料，還有一個(gè)是輕量化材料的成型技術(shù)。
1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化
在電動(dòng)車輕量化的談?wù)撝校绾螄@電池減重是一個(gè)被多次提到的話題。電池組在車?yán)锵喈?dāng)大的部件，空間和重量都很大，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)一定會(huì)關(guān)注電池的排布。同時(shí)根據(jù)碰撞時(shí)受到什么樣的工況，以此評(píng)估電池風(fēng)險(xiǎn)。安全和減重是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要平衡的天平兩端。
周青提出，電動(dòng)車電池的安全設(shè)計(jì)目標(biāo)是不著火，而不是不變形。為了不讓電池變形，只能增加很多結(jié)構(gòu)和材料。電池本身可以承受一定的沖擊和變形，設(shè)計(jì)時(shí)主要應(yīng)該考慮電池的碰撞失效和內(nèi)部短路會(huì)存在起火風(fēng)險(xiǎn)。
這個(gè)思路與人體碰撞保護(hù)類似，任何法規(guī)在設(shè)計(jì)車的人體碰撞保護(hù)時(shí)，都不是要滿足給定的工況下不許受傷，而是再給定工況下產(chǎn)生一個(gè)可接受的受傷，盡量不要產(chǎn)生終身殘疾。因此，研究需要找出電池的碰撞損傷準(zhǔn)則和容限，在起火前能承受的最大變形和最大沖擊。
拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種，不同于車輛構(gòu)件的尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，是對(duì)布局和節(jié)點(diǎn)聯(lián)接關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)的某種性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化。
汽車廠在新車開發(fā)時(shí)，公司決策層會(huì)給出一個(gè)整車定義，包括車多大多重，涉及到成本控制，同時(shí)希望車達(dá)到什么性能。拓?fù)鋬?yōu)化能夠在給定設(shè)計(jì)空間，給定設(shè)計(jì)重量，給定設(shè)計(jì)性能的約束下，迅速得到一個(gè)布局和節(jié)點(diǎn)聯(lián)接基本判斷，為設(shè)計(jì)人員提供結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕、性能最優(yōu)的力學(xué)傳遞路徑方案。
據(jù)湖南大學(xué)教授成艾國(guó)介紹，湖南大學(xué)已經(jīng)用拓?fù)鋬?yōu)化的辦法對(duì)電動(dòng)汽車的骨架進(jìn)行優(yōu)化。基于拓?fù)鋬?yōu)化方法的輕量化策略相比常規(guī)輕量化方法可節(jié)約30天開發(fā)時(shí)間、多減重22.4kg，同時(shí)還可以不同程度的提升整車性能。
2.輕量化材料
目前輕量化材料主要有復(fù)合材料、鋁鎂合金、高強(qiáng)鋼和陶瓷材料。
鋼鐵材料是汽車生產(chǎn)的主要材質(zhì)，在同等的強(qiáng)度條件下，如果采用高強(qiáng)度鋼就可以最大限度的減輕鋼板的厚度，達(dá)到減輕車身自重的目的。目前高強(qiáng)鋼主要應(yīng)用在汽車的安全件、底盤和車身等方面。
鋁合金減重效果多于鋼鐵，汽車使用一公斤鋁合金等于2.25公斤的鋼鐵，鋁合金和鋼鐵材料相比，熱導(dǎo)率高、耐腐蝕性好、加工性能等優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，但強(qiáng)度不如高強(qiáng)鋼。
工程塑料和復(fù)合材料是汽車輕量化的首選用材。
一般塑料的比重0.9-1.5%。在復(fù)合材料中，碳纖維材料具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫等特性被寄予厚望。發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)把汽車用塑料量的多少作為衡量汽車設(shè)計(jì)和制造水平的一個(gè)重要標(biāo)志。
汽車復(fù)合材料的發(fā)展結(jié)合了化工、機(jī)械制造和汽車復(fù)合材料設(shè)計(jì)等多學(xué)科的技術(shù)，它主要集中應(yīng)用在汽車底盤、車身覆蓋件和次結(jié)構(gòu)部件三個(gè)領(lǐng)域。許多企業(yè)的T700、T800和T1000碳纖維產(chǎn)品達(dá)到了一千噸以上的產(chǎn)能，并且將碳纖維材料在汽車上的應(yīng)用作為主攻方向。
3.輕量化材料的成型技術(shù)
采用新工藝可大大減少零部件使用數(shù)量，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。意大利APS技術(shù)有限公司總裁王嘉介紹，鋁型材的三維彎曲、鋼鋁焊接以及碳纖維零件的成型是目前面臨的全新工藝。
其中，碳纖維總成的方式已取得突破性進(jìn)展，在蘭博基尼Sesto Elemento的項(xiàng)目中，將前圍、地板、后圍集成為一個(gè)整體式座艙，取代了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的48個(gè)零件，而是把零件分為4—6大片，成型之后直接粘接，工藝簡(jiǎn)單，但減重效果突出。整備質(zhì)量在加注燃料和其它液體前只有960 公斤。王嘉認(rèn)為，2020年之后，熱塑成型碳纖維將越來(lái)越普及，鋼板被大量替代。
國(guó)內(nèi)外汽車輕量化發(fā)展情況
在汽車輕量化方面，國(guó)內(nèi)與國(guó)外企業(yè)相比，還存有不少差距。
德國(guó)在汽車輕量化方面處于領(lǐng)先低位，主要受益于工業(yè)結(jié)構(gòu)。德國(guó)第一大工業(yè)是汽車，第二是機(jī)械制造，第三是化工，化工和機(jī)械制造比重相仿，這樣的工業(yè)結(jié)構(gòu)使得他們?cè)谄囕p量化應(yīng)用方面，能夠從材料加工技術(shù)和整車方面能夠有很好的融合。
工業(yè)和信息化部原材料工業(yè)司副司長(zhǎng)潘愛華指出，我國(guó)在輕量化研究上與發(fā)達(dá)國(guó)家存在5個(gè)方面的差距：
第一，材料行業(yè)本身。我國(guó)材料品種、數(shù)量、性能與國(guó)外還有很大差距。
第二，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)。特別是合資品牌有自成體系的供應(yīng)商鏈，國(guó)產(chǎn)材料企業(yè)進(jìn)入非常困難，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)材料企業(yè)明顯滯后于汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
第三，材料和加工成本控制難度大。碳纖維這樣的復(fù)合材料，本身成本可能不是貴得多么離譜，但是由于加工效率低，導(dǎo)致了對(duì)汽車部件和汽車廠來(lái)說(shuō)成本增加很大。
第四，標(biāo)準(zhǔn)缺失。我國(guó)還沒有完整的汽車塑料零部件技術(shù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，包括技術(shù)方面的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，還存在缺失。
第五，國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)和材料企業(yè)的融合不夠。
汽車輕量化帶來(lái)哪些變化？
一種生產(chǎn)模式的變化。奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司副總經(jīng)理、研究院院長(zhǎng)倪紹勇在分享時(shí)介紹，公司在做輕量化產(chǎn)品時(shí)，認(rèn)為不是局限在做一個(gè)車，而是一個(gè)全新的架構(gòu)，從根本上把傳統(tǒng)車的對(duì)于新能源來(lái)說(shuō)不好的地方去除掉，充分體現(xiàn)電動(dòng)化、新材料和新技術(shù)的特點(diǎn)。
奇瑞的S51車型是首個(gè)大批量生產(chǎn)的全鋁車身架構(gòu)汽車產(chǎn)品，重量比傳統(tǒng)車減重30%到40%。采用共享的技術(shù)平臺(tái)，采用首款全鋁車身，改變了整體布置，采用技術(shù)創(chuàng)新，如斷面設(shè)計(jì)，3D的彎曲，激光焊接等，和傳統(tǒng)的車身制造、設(shè)計(jì)制造有很大不同。
一種供應(yīng)模式的變化。汽車工程學(xué)會(huì)副秘書長(zhǎng)張寧指出，在輕量化技術(shù)的逐漸發(fā)展中，原材料供應(yīng)商變成了部件供應(yīng)商。
例如碳纖維在汽車上的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)汽車的設(shè)計(jì)，開發(fā)流程、設(shè)計(jì)思想以及制造工藝，其根本原因在于碳纖維材料是可設(shè)計(jì)的，比如用長(zhǎng)纖維還是短纖維等等。未來(lái)碳纖維應(yīng)用于汽車沒有標(biāo)準(zhǔn)化的材料，整個(gè)車和零部件的開發(fā)過程就是材料開發(fā)過程。
一種組織結(jié)構(gòu)的變化。單從車企來(lái)看，輕量化帶來(lái)了生產(chǎn)平臺(tái)和開發(fā)模式的調(diào)整，汽車廠不可能把所有的資源都變成自己的員工，一定要利用國(guó)際資源，利用廣泛社會(huì)資源來(lái)實(shí)現(xiàn)目的。
輕量化的問題很復(fù)雜，因此需要跨產(chǎn)業(yè)協(xié)同及產(chǎn)學(xué)研合作方面。目前這方面仍然存在不足。例如，現(xiàn)在理論上已經(jīng)找到大幅提高碳纖維性能，使原有成本降低三分之一的方法，但是由于缺乏交叉學(xué)科人才，廠商與科研團(tuán)隊(duì)之間溝通不暢，嚴(yán)重阻礙了輕量化進(jìn)程。
如何推動(dòng)汽車輕量化發(fā)展？
潘愛華在總結(jié)推動(dòng)汽車輕量化發(fā)展時(shí)提到了四點(diǎn)：
第一，組織行業(yè)協(xié)會(huì)、企業(yè)和專家盡快建立中國(guó)汽車工業(yè)塑料材料的標(biāo)準(zhǔn)體系，并建立材料自身的材料論證體系，進(jìn)行材料的性能檢測(cè)、應(yīng)用驗(yàn)證、技術(shù)穩(wěn)定性、安全可靠性評(píng)價(jià)等等。
第二，鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，支持汽車工業(yè)與國(guó)內(nèi)塑料行業(yè)之間深入交流，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，突破國(guó)產(chǎn)改性塑料進(jìn)入汽車整車及關(guān)鍵零部件市場(chǎng)瓶頸，讓一部分性能穩(wěn)定、品質(zhì)過硬的國(guó)產(chǎn)材料優(yōu)先進(jìn)入汽車產(chǎn)業(yè)鏈。
第三，通過強(qiáng)基工程、智能制造工程、綠色制造工程等專項(xiàng)支持建立汽車材料應(yīng)用評(píng)價(jià)公共服務(wù)平臺(tái)，以及汽車材料生產(chǎn)制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。
第四，推動(dòng)電動(dòng)汽車行業(yè)和化工行業(yè)的骨干企業(yè)，聯(lián)合成立一個(gè)輕量化新材料的產(chǎn)業(yè)基金，聚集更多的社會(huì)力量來(lái)推動(dòng)汽車輕量化。
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