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电气化盛宴下的轻量化布局之路是什么?

 ImageQnlp 2017-11-05

,油耗和性能。油耗降低本身既是经济和环保两方面受益的事,又是国家规定的2020年百公里5L的考核指标;而另一方面整车的减重也是对整车的加速耐久制动等性能带来增益,根据国际铝业协会的研究结果,整备质量减轻10%,制动距离减少5%,转向力减小6%,行驶稳定性更好。下图为各国CAFE指标走势图。

Source:EVMAN

而随着电气化时代的到来,由于电驱动本身的技术成熟度较燃油驱动低,“轻量化”的需求就来的更为迫切了,主要表现在两方面:

1. 电驱动系统能量密度低,导致同平台电动车比燃油车更重。

在中国电池系统的能量密度已成为补贴的考核因素之一,国家2016年底出台的补贴政策规定:

“纯电动乘用车动力电池系统的质量能量密度不低于90Wh/kg,对高于120Wh/kg的按1.1倍给予补贴。非快充类纯电动客车电池系统能量密度要高于85Wh/kg。专用车装载动力电池系统质量能量密度不低于90Wh/kg。”

虽然要求不高,但国家出台此项政策的目的是在鼓励电驱动系统提升自己的能量密度,而电驱动系统远低于燃油系统的能量密度的事实也导致了电动车的整体“超重”,如果对比上汽的RX系列我们可以发现一些端倪,

■ 传统的燃油车平台,发动机采用1.5TL4的涡轮增压,车重为1592kg;

■ 同样采用1.5TL4的PHEV车型车重达到了1730kg,增重138kg;

■ 同平台的纯电ERX5 EV400质量也达到了1710kg,增重118kg。

而类似的案例还有比亚迪唐PHEV也比同平台的S7重了约470kg,丰田卡罗拉HEV比同平台燃油车重100kg。增重的原因主要在于电池系统的能量密度远低于燃油系统的能量密度。即便采用了更加简化的设计,要保持相近的整车性能,只有采用更大重量的电池系统。

2. 电驱动技术仍未跨过续航门槛,提升续航的重要途径在于减重。

站在消费者角度,燃油车早已不用考虑续航的问题,因为燃油车的技术成熟度和配套设施建设使得消费者完全能够放心购买,而由于电驱动系统以及配套的成熟度,续航的基本要求还未得到满足,仍然影响着购买决策。

假设在车型所能携带的电池能量一定的情况下,在特定车速V下汽车质量m与耗电功率P是成正比的,又因为续航(S=Vt)与t成正比,耗电功率越大,电池消耗完的时间t越短。因此续航的提升本质是耗电功率的下降,而耗电功率的下降本质是整车质量的降低,百公里电耗有望成为油耗之后又一个耗电经济性的考核指标。

我们可以查到城市工况下宝马i3的百公里耗电量大约在15.5kwh,而同样公开下Model S的百公里耗电量在22kwh,比i3电耗高了50%。究其原因就在于宝马I3采用了碳纤维的车身,全车重量仅约1.3t,而特斯拉ModelS虽然也采用了高达97%的铝合金的车身,但由于仅电池重量就达到了近600kg,大约占了整车重量的28%,全车质量达到了2.1t,整车质量比I3高了60%以上,因此电耗居高不下。我们可以假设,如果两车质量不变,如果ModelS用了跟宝马i3一样的电池(2016年升级为33kwh),ModelS大约只能跑150km,而i3用了ModelS(85kwh)则可以跑出约550km。

因此,以上两方面的原因导致了在目前的“电气化”时代下,整车“轻量化”的需求比以往要来的更为迫切。

目前“轻量化”的方向与进程

“汽车未来将成为一个各种复合材料连接而成的主体,每一个部件都会有一款最适合他的材料”,诚然汽车轻量化的变革最大来自于材料,而汽车行业的大规模量产的特性也决定了材料能在汽车上应用还会有极高制造工艺壁垒的制约,而除了材料和工艺之外,结构的减重也是汽车“轻量化”的一大途径,这三者共同构成了“轻量化”的三条核心路径,而材料的更迭就是其中的主流方向。

如果我们以横坐标作为减重效果的增加,纵坐标作为减重成本的提升来做一张图:

图中可以看到从左到右依次为钢材-热成型钢-铝合金-镁合金-碳纤维树脂,这也是目前市场上较为主流的轻量化解决方案,目前主机厂商轻量化的具体方案大多还是将性价比考虑为首要因素,当然也有一些厂商出于品牌定位的宣传需要,更早的启用了碳纤维树脂等材料,作为车身覆盖件来达到提高起定位的商业目的。

但基本的产业化进程应该符合图中绿点的位置,这一点也可以从下列数据中得到印证,根据汽车材料网的数据,晓宇进行了整理,如下图所示:


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