鋁與電動汽車一路前行，鋁未來在電動汽車領(lǐng)域的發(fā)展以及高端材料技術(shù)的研究
發(fā)布時間：2022-01-05點擊：2962
中國電動汽車主導國際市場
通過向電動汽車制造公司和購買者提供約300億元的補貼，中國已經(jīng)于2016年成為全世界***大的電動汽車市場。從2018年起，中國政府逐步減少了這種支持，并通過銷售配額把財政負擔轉(zhuǎn)移給汽車制造公司，推動新能源汽車的研發(fā)。2016年，中國電動汽車銷量占全球的25%，高于美國；美國電動轎車保有量為56.4萬輛，比中國少8萬多輛；中國電動汽車號牌占小型汽車號牌發(fā)放總量的1.37%，而美國的這一比例僅為0.91%。中國電動汽車發(fā)展勢頭強勁，普及速度已經(jīng)處于世界***地位。為了更好、更快地實現(xiàn)節(jié)能減排目標，2016年，工信部頒布的一個法規(guī)草案要求，在華汽車制造公司在2018年需將公司8%的產(chǎn)能轉(zhuǎn)移至電動和混合動力汽車領(lǐng)域，2019年這一比例宜提升至10%，而2020年這一比例應(yīng)進一步提升至18%。
中國汽車制造揚帆挺進世界
中國吉利汽車公司欲在世界范圍內(nèi)翱翔。公司董事長李書福曾在2018年對彭博新聞網(wǎng)記者說：“吉利的夢想是成為全球化公司。要做到這一點，我們必須走出***。”目前，中國還有3家汽車公司在這樣做，分別是SF汽車公司、蔚來汽車公司、拜騰公司。
在過去的兩三年時間里，中國從全球電動汽車市場上的小角色迅速成長為占2017年全球銷售量半壁江山的大市場。中國汽車工業(yè)協(xié)會稱，中國2018年一季度電動汽車和油動混合動力汽車銷量同比上升154%，達14.3萬輛。
中國許多新能源汽車品牌正在進入歐洲市場，包括初創(chuàng)企業(yè)和一些老牌汽車制造公司，這些公司正在以創(chuàng)新技術(shù)和設(shè)計與外國車展開競爭。德國汽車經(jīng)濟學家F·杜登霍夫表示，電動汽車的核心是電池，而電池的未來在中國，這是中國汽車制造公司發(fā)展的良好先決條件。當前，中國車企的品質(zhì)與歐洲品牌在產(chǎn)品品質(zhì)方面不相上下，可站在同一平臺上一較高下。而且中國汽車人才為未來做了更好的準備。杜登霍夫說：“在軟件解決方案方面，中國人處于全球***地位，未來，中國人會變得越來越重要。”
中國領(lǐng)跑全球電動公交***
據(jù)彭博新能源財經(jīng)提供的資料，2018年4月，全球約有38.5萬輛電動公交車上路，其中99%在中國，中國已經(jīng)有1/5的公交車淘汰了內(nèi)燃機；而歐洲的電動***卻踟躕不前，倫敦也打算把公交車電動化，但到2018年6月，僅有4條公交線換上了電動車；美國紐約甚至邁著更慢的小步子，把實現(xiàn)無排放公交車目標的日子定在2040年；德國的情況更不妙，在2016年許可上路的78345輛公交車中，僅有458輛是全部或部分由電力驅(qū)動的。
中國正在加速駛向未來，深圳更是在2017年就已經(jīng)宣布完成公交電動化，所有公交車都是純電動的，共有16359輛。彭博新能源財經(jīng)的一份報告稱，在中國的一些大城市，電動公交車每公里運行成本已經(jīng)低于柴油車。到2030年，電動公交車可以將全球每日石油需求減少約42萬桶。就全球需求而言，這個量很小，但彭博新能源的分析師說，到2030年，在全球節(jié)約的石油中，有90%都將是中國貢獻的，中國政府找到了一個減少石油依賴的辦法。
中國在“十三五”規(guī)劃中提出了到2020年普及500萬輛電動汽車的目標，中國的電動汽車產(chǎn)業(yè)從此發(fā)展良好。更可喜的是，這個雄心勃勃的計劃已經(jīng)超額完成。而中國加速向電動汽車產(chǎn)業(yè)傾斜，是為了成為汽車強國。中國在2017年發(fā)表《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，提出了到2020年在部分關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域具備較強的國際競爭優(yōu)勢的目標，還制定了到2020年打造若干世界知名汽車品牌的目標。未來，中國汽車制造企業(yè)將與福特汽車公司、通用汽車公司、豐田汽車公司、大眾汽車公司、寶馬汽車公司、奔馳汽車公司等同臺唱戲。
沒有鋁哪有全鋁電動汽車
鋁是制造電動汽車、轎跑等產(chǎn)品性價比***高的***結(jié)構(gòu)材料。用鋁合金制造汽車部件有如下幾個優(yōu)勢。***，減重效果***。一個典型的鋼零件若用鋁合金取代，質(zhì)量可減輕30%-50%，而汽車質(zhì)量每下降10%，可節(jié)油7%-8.5%，一輛載重40t的重卡若減重3t，每行駛100km可節(jié)油2.4L。第二，能夠使溫室氣體排放大幅下降。汽車質(zhì)量下降，用油量減少，溫室氣體排放隨之減少。國外的數(shù)據(jù)顯示，轎車每使用1kg鋁，在生命周期內(nèi)可減少排放20kg溫室氣體。第三，回收性強。汽車報廢后，大部分鋁合金零部件，如覆蓋件、電池箱體、發(fā)動機中的鋁件、傳動軸等在破碎后幾乎可以被全部回收。汽車廢鋁在熔煉中的損耗僅為約3.5%，加上1.5%的機械損失，汽車報廢后，其所含的鋁在再生過程中的損耗＜5%，比任何其它常用結(jié)構(gòu)材料的損耗都小。第四，節(jié)能效果顯著。
若采用鋼板制造卡車油箱，油箱質(zhì)量能達到57kg，而鋁合金板制卡車油箱的質(zhì)量僅為19.3kg，減輕60%。制動氣罐原質(zhì)量為35kg，而采用鋁板制造，該氣罐質(zhì)量僅為14kg，減輕40%。中汽中心北京工作部對一種新能源汽車車型建模仿真的分析表明，整備質(zhì)量每減輕100kg，在無制動能量回收的情況下，百公里耗電量就可下降5.5%，續(xù)航里程可增加5.5%。因此，輕量化是提高新能源汽車續(xù)駛里程的重要措施之一。
輕量化還可以降低新能源汽車的動力電池成本。中汽中心北京工作部對一種新能源汽車（電動車）車型建模仿真的分析表明，整備質(zhì)量每減輕100kg，電池電量約下降1.1kWh，按1500元/kWh計算，成本將下降1650元。因此，對于電動汽車來說，在保持相等續(xù)駛里程的情況下，應(yīng)用輕量化技術(shù)可以降低車輛裝載動力電池的成本。輕量化途徑包括三種，分別為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少零件數(shù)量；采用輕量化材料，即低密度或高強度材料；采用***、可靠的成形技術(shù)、連接技術(shù)與表面處理技術(shù)。
新能源汽車應(yīng)是全鋁的
所謂全鋁新能源汽車是指在目前的技術(shù)條件下，在確保各項技術(shù)性能都符合標準規(guī)定、且乘坐安全舒適的前提下，盡可能多地采用鋁合金和其它輕質(zhì)材料制造。具體來說，就是所有車身覆蓋件都是用鋁ABS沖制的，車身框架、底盤、電池箱（托盤）、防撞梁等也是清一色的鋁質(zhì)件。
鋁合金車身骨架
全鋁車身骨架是用鋁合金擠壓型材制造的，全世界首件鋁合金汽車骨架是2011年面世的奧迪A8。一般的車身框架總成約使用70種不同截面的擠壓型材，型材制件質(zhì)量占骨架總質(zhì)量的80%以上，板材件占16.5%，鑄件占2.8%，此外，還有少量沖壓件。擠壓材與沖擠件分別采用6005A-T6與5005A合金制造，鑄件采用ZL301合金鑄造。
車身連接工藝
車身由成百個零部件組成，把這些零部件連接起來并形成一個堅固耐久的車身是一件甚為復雜的技術(shù)工作。車身各部件的連接是指骨架與骨架、蒙皮與骨架、鋼件與鋁件、車門與骨架、內(nèi)飾與骨架等各零部件之間的有效連接。對于全鋁車身結(jié)構(gòu)來說，關(guān)鍵工作是骨架與骨架、蒙皮與骨架之間的連接。按汽車輕量化的輕量準則，焊接工藝連接的部件***輕，其次是鉚接工藝連接的部件，而螺栓連接的部件***重。按疲勞強度可靠性來說，螺栓工藝連接和鉚釘工藝連接的部件***佳，其次是焊接工藝連接的部件。按生產(chǎn)成本核算來說，螺栓連接工藝***貴。
自沖鉚接是從航空航天器制造中移植過來的一種工藝，通過電機提供的動力將鉚釘直接壓入待鉚接板材，鉚接板材在鉚釘?shù)膲毫ο潞豌T釘發(fā)生塑性變形并成型，充盈于鉚模中，將板鈑件連接起來。鉚接件具有更高的抗疲勞強度和靜態(tài)緊固力。因此，通過此技術(shù)打造的車型具有更強的車身剛性，在撞擊條件下，鉚接技術(shù)打造的車型能承受更劇烈的撞擊，確保車內(nèi)人員安全。
然而，鋁合金材料對熱較為敏感，若用傳統(tǒng)焊接工藝連接車身部件，材料強度會有所下降，而且焊接時會發(fā)生變形，無法保證全鋁車身拼合尺寸精度。因此，全鋁車身宜用鉚接代替點焊，并且輔以膠接，從而確保部件的連接強度。同時，膠接工藝還能提升車體的密封性。連接鋁件與不同材料時，還可以采用粘接連接技術(shù)。
鋁合金底盤
在全鋁汽車中，底盤也是一個大部件。鋁合金底盤必須強度高，耐腐蝕和沖擊，并具有優(yōu)異的抗疲勞性能。底盤用鍛件是由6082-T6鋁合金鍛造的，可以采用傳統(tǒng)的鑄造—擠壓—輥鍛—模鍛—固溶粹火—人工時效制造，也可以采用擠壓鍛造—模鍛—固溶粹火—人工時效制造。6082合金是一種Al-Mg-Si-Mn系合金，是歐洲鋁業(yè)協(xié)會研發(fā)的，于1972年在美國鋁業(yè)協(xié)會公司注冊。底盤的后轉(zhuǎn)向架是由ZL101-T6鋁合金鑄造的，可以采用擠壓鑄造或真空壓鑄—固溶粹火—人工時效制造。該合金是一種AI-Mg-Si系鑄造鋁合金。
前防撞梁
與鋼板前防撞梁總成相比，采用6063及6016鋁合金制造前防撞梁總成，不但質(zhì)量大幅度下降，防撞效果也有所改善。6063與6016合金是兩種常用的變形鋁合金。鋁合金防撞梁制造成本比鋼梁的制造成本約高18.5%。
電池系統(tǒng)至關(guān)重要
新型電池亟待開發(fā)
對電動汽車來說，電池系統(tǒng)至關(guān)重要。目前的鋰離子電池使用電解質(zhì)—鋰鹽，這是一種六氟磷酸鋰，不僅具有毒性，還可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等，電池的功率也不高。在小型便攜式裝備中，這種鋰電池的風險不大，可以安全使用。然而，在大型電池組，如電動汽車和戶外電網(wǎng)規(guī)模的儲能系統(tǒng)中，這種鋰電池潛在的危險大大加劇。國外正在設(shè)計更高電壓、高功率的電池，在這種大電池系統(tǒng)的電池中，不能使用六氟磷酸鹽。
據(jù)2021年英國《先進能源材料》一篇文章，澳大利亞墨爾本莫納什大學化學學院的科學家正在研究以氟硼酸鹽取代六氟磷酸鹽的有關(guān)事宜，采用氟硼酸鹽作為電解質(zhì)的鋰電池安全性高。不過，研發(fā)面臨著如何制備電池級高純度氟硼酸鹽的挑戰(zhàn)。
莫納什大學的科學家采用重結(jié)晶法解決了這一難題，他們將提取的氟硼酸鹽置于含有鋰錳氧化物陰極的鋰電池中。即使電池暴露于大氣中，也能循環(huán)1000次以上，這是六氟磷酸鹽電池望塵莫及的。當氟硼酸鹽與一種新型陰極材料在高壓鋰電池中結(jié)合時，該電解質(zhì)的性能遠遠超過傳統(tǒng)的鹽。更可貴的是，此種鹽在高電壓下的鋁集器上極為穩(wěn)定，而這是下一代電池所必需的性能之一。
建設(shè)中的魏橋輕量化基地
汽車輕量化已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。自2018年以來，山東魏橋集團致力于建設(shè)以生產(chǎn)汽車鋁合金零部件為主的輕量化基地，形成從鋁熔體到總成件再回收利用的綠色生態(tài)循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈。魏橋輕量化基地由4個公司組成，分別是山東宏奧汽車輕量化科技有限公司、魏橋新材料科技有限公司、山東魏橋輕量化材料有限公司、山東宏和輕量化科技有限公司。山東魏橋輕量化基地聯(lián)合蘇州大學、航橋科技有限公司、廣州和德有限公司等聯(lián)手打造國內(nèi)***大、***先進、全流程的汽車輕量化研發(fā)、試驗、制造基地。蘇州大學主要研發(fā)系列高性能鋁合金與材料加工工藝，蘇州奧杰汽車有限公司負責整車設(shè)計與總成產(chǎn)品制備，航橋科技有限公司負責鍛件制造與部件集成，廣州和德有限公司負責鋁合金結(jié)構(gòu)件的液態(tài)模鍛。魏橋輕量化材料有限公司扛大旗。
魏橋輕量化基地的生產(chǎn)能力
魏橋輕量化基地共有4個分基地，分別是鄒平中心基地、濱州基地、華東基地、華中基地。總產(chǎn)能為鑄件1700萬件/年，沖壓件50萬套/年，鍛件300萬件/年，板材5萬t/年，型材20萬t/年，車身及總成件100萬臺件/年。
擠壓鑄造主要產(chǎn)品包括懸掛系統(tǒng)零件，如氣囊座、轉(zhuǎn)向節(jié)、控制壁、減震支架；動力系統(tǒng)零件，如驅(qū)動電機支架、離合器齒轂、電池端板、發(fā)電機懸置支架；以及差數(shù)器殼體、渦旋盤組件、摩托車車把關(guān)、尾氣處理系統(tǒng)支架等其他零件。
鍛造主要產(chǎn)品是由鍛生產(chǎn)能力為單件≤1t的工件，所用合金為所有變形鋁合金，模鍛件為所有變形鋁合金件，單件的投影面積應(yīng)≤0.6m2，單件質(zhì)量≤150kg。具體零件為直桿頭、彎桿頭、V型接頭、球銷、控制臂、萬向接叉、花鍵軸叉、發(fā)動機支架、右懸置鋁托臂、活塞裙。
總成件產(chǎn)品包括乘用車與商用車鋁合金防撞梁，電動車電池托盤（電池框），輕卡、中卡和重卡輕量化貨箱，中卡和重卡輕量化掛車，AOO級、AO級、***車型的框架式鋁車身，B級、C級車型的全鋁車身，6m-12m的各型客車全鋁車身。
全鋁轎車車身比鋼車輕40%，電池框比鋼框輕25%，全鋁物流車車身比鋼車身輕38%，6m-18m的公交車和客車車身比鋼車輕40%。同時，全鋁貨箱與鋼箱相比具有更強的抗腐蝕性能和保溫性能。
魏橋輕量化基地已經(jīng)與多家汽車制造公司達成了廣泛的合作協(xié)議。
強大的研發(fā)隊伍和研發(fā)能力
魏橋輕量化基地已經(jīng)建立了完整的研發(fā)體系和研發(fā)團隊。2020年，擁有以張海等為首的1200多名來自海內(nèi)外的***輕量化專家，涵蓋了材料研發(fā)、工藝研究、零部件與整車設(shè)計等所有領(lǐng)域，鉆研出幾十個核心***，并在多個輕量化技術(shù)及產(chǎn)品領(lǐng)域形成了有國際影響力的重大創(chuàng)新與突破。
魏橋輕量化（蘇州）科技有限公司與魏橋蘇大材料研究院專注于汽車高性能鋁合金研發(fā)，并已經(jīng)開發(fā)出系列汽車用高性能合金。山東宏奧科技有限公司擁有850名工程師與技術(shù)人員，整本輕量化設(shè)計經(jīng)驗豐富，已經(jīng)開發(fā)出多款市場熱銷的輕量化車型。航橋新材有限公司是一家鋁合金鍛造廠，有1臺500MN的自由鍛造機和36MN、25MN、16MN的模鍛機各1臺，成功研發(fā)的鋁合金傳動軸已經(jīng)向東風商用車批量供貨，為一汽開發(fā)的鋁合金推力桿零部件也進入了批量供應(yīng)階段。山東宏和科技有限公司擁有以業(yè)內(nèi)***專家為首的擠壓鑄造團隊，從事擠壓鑄造合金、產(chǎn)品、工藝、模具開發(fā)，已經(jīng)為特斯拉汽車公司、東風汽車制造公司、馬自達汽車公司、福田戴姆勒汽車公司等成功開發(fā)并量產(chǎn)幾十款高強韌擠壓鑄造結(jié)構(gòu)件。
突破性的新合金研究
魏橋輕量化基地材料研發(fā)團隊在鋁合金研發(fā)領(lǐng)域取得了一些突破性的成就，他們采用多強化相設(shè)計、多級均勻化處理、均屈擠壓工藝和基于服役性能的熱處理工藝，推出車用高強、高韌的6XXX系合金，其屈服強度為385MPa，伸長率＞10%，疲勞強度＞140MPa。
HSW-4合金用于鍛造控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、萬向節(jié)、推力桿等。HSW-3合金用于鍛造控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、方向節(jié)等，擠壓型材用車架、保險杠、車身框架、電池托盤等。HSW-2合金用于擠壓車身框架、電池托盤等復雜截面型材。HSW-1合金用于擠壓車身框架、電池托盤等的復雜截面型材。
新近研發(fā)的WZL系列高強高韌鑄造鋁合金有3種。WZL-1和WZL-2合金用于鑄造壓鑄件，如車身-節(jié)點、橫梁、縱梁、B柱等，底熱-副車架、減震塔等。WZL-3合金用于擠壓鑄造底盤-控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)等。
HSW-2合金貨箱的減重效果
HSW-2合金是一種高強、高韌的變形鋁合金，屈服強度≥350MPa，伸長率＞10%，用其板材制造4340mmx2135mmx2320mm貨廂，減重效果顯著。例如，鋼板貨廂質(zhì)量為904kg，傳統(tǒng)鋁合金板貨廂質(zhì)量為452kg，而新合金HSW-2板貨箱質(zhì)量只有406kg，比鋼板箱的輕55.1%，比傳統(tǒng)鋁板箱的輕10.2%，對節(jié)能減排具有重要意義。
***再生鋁除鐵技術(shù)，確保廢鋁循環(huán)利用
魏橋輕量化基地創(chuàng)造的全新“載體”滿流碰撞控制除鐵技術(shù)可以將回收廢鋁中的雜質(zhì)除到優(yōu)質(zhì)A356合金的水平，從而保證再生鋁的保級使用，形成鋁合金的良性閉路循環(huán)。新法除鐵的A356合金具有均勻的顯微組織，顯著改善了力學性能，特別是韌性。
中國發(fā)展輕量化汽車技術(shù)目標
2017年，受國家制造強國建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會、工信部委托，由中國汽車工程學會牽頭、500位專家歷時一年完成的大型聯(lián)合研究項目——節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖在上海發(fā)布。該項技術(shù)路線圖描繪了我國汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)15年發(fā)展藍圖。其中，節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖的未來發(fā)展總體目標之一是新能源汽車逐漸成為主流產(chǎn)品，汽車產(chǎn)業(yè)初步實現(xiàn)電動化轉(zhuǎn)型。
路線圖總體目標是，到2020年、2025年、2030年，我國新能源汽車年銷量預(yù)計將分別達到10萬輛、500萬輛和1500萬輛。節(jié)能乘用車百公里平均油耗目標到2025年實現(xiàn)4L，到2035年實現(xiàn)3.2L。總體思路是，2016年-2020年為***階段，重點發(fā)展超高強度鋼和先進高強度鋼技術(shù)，實現(xiàn)高強度鋼在汽車應(yīng)用比例達到50%以上；2021年-2025年為第二階段，以第三代汽車鋼和鋁合金技術(shù)為主線，實現(xiàn)鋼、鋁等多種材料混合車身、全身車身的大范圍應(yīng)用，實現(xiàn)鋁合金覆蓋件和鋁合金零件的批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，第三代汽車鋼應(yīng)用比例達到車身質(zhì)量的30%；2026-2030年為第三階段，重點發(fā)展鎂合金和碳纖維復合材料技術(shù)，解決鎂合金及復合材料循環(huán)利用問題，實現(xiàn)碳纖維復合材料的混合車身及碳纖維零部件的大范圍應(yīng)用，突破復雜零件成型技術(shù)和異種零件連接技術(shù)。
來源：中國有色金屬報 作者：王祝堂
