【前沿】电动汽车轻量化的价值主张

从消费者的角度来看，电动化的价值可以通过其成本、续航里程和充电速度来快速概括。目前，电动汽车无法达到内燃机（ICE）车辆的续航里程，并且充电时间长，这限制了其对消费者的价值。对此，在考虑如何提升电动汽车的内在价值时，非直接从业者的反应自然是谈论减重以扩大续航里程。然而，在业内人士看来，由于政府对电动汽车的要求与对内燃机的要求不同，情况要复杂得多。与传统OEMs相比，新创企业往往会做出不同的轻量化决策。

一般来说，电动汽车电池技术需要巨额投资来开发和实施到车辆中。此外，由于电池系统非常重，电动汽车也很重。随着电池和车辆重量的增加，承载部件需要更坚固，同时还要经济，以补偿动力总成投资。轻质材料的价值主张需要适应新的电动汽车商业模式。

一、电动车重量

电动汽车为何如此重的问题源于其动力源。汽油发动机的能量密度为45MJ/kg（与柴油发动机相当），而锂离子电池的能量密度约为0.3MJ/kg。换言之，汽油每单位重量的能量是大多数电动汽车电池的100倍以上，因此OEM很自然地需要将大量电池装入电动汽车中，以满足消费者对性能和续航里程的期望。例如，电动汽车行业的领导者特斯拉在ModelS Plaid 上安装了7,920个电池。

对于同时配备ICE和EV动力系统选项的轻型车辆，EV的重量通常重约1,000磅（500千克），如下面的示例所示。

• 根据Edmunds的说法，Rivian R1T电动皮卡（如上图所示）包括一个135千瓦时的电池组，这有助于其7,148磅的整备重量——使其比福特F-150 SuperCab重一吨，比任何其他中型车或全尺寸卡车要重。其他一些电动汽车甚至比Rivian R1T更重，例如雪佛兰Silverado EV，据报道它的重量略高于9,000 磅（4,082 千克）。

• 另一个例子是福特Mustang Mach E，它配备454马力的电机，比配备2.3升涡轮发动机的汽油动力野马重1,278磅（580千克）。该公司似乎没有看到削减更多重量的商业案例。相反，当务之急是满足消费者对300英里的续航里程、性能和价格点的期望，以保持销售旺盛。到目前为止，福特的战略正在奏效，因为Mach E是第一款为特斯拉带来激烈竞争的电动轿车。Mach E击败了特斯拉Model 3，获得了《消费者报告》的首选评级。

商业卡车运输在平衡车辆重量与行驶里程方面面临着类似的挑战，另外还需要保持较大的有效载荷（货物容量）。在供区域使用的Class8 商用卡车中，EV版本可能比ICE车型重3,000–6,000磅（1,361–2,722千克）。例如，配备柴油发动机的MackLR 商用卡车总重量为43,000–72,000磅（19,504–32,659千克），而配备376 kWh电池的电动版重66,000磅（29,937千克），仅100英里的非载货行驶里程。值得注意的是，车辆总重量包括空载车辆的重量加上它可以运输的最大有效载荷的重量。

二、电动汽车铝使用及轻量化的影响因素

铝在汽车工业中被广泛用作轻量化材料，主要是由于其强度重量比。许多电动汽车在各种组件中使用铝。例如，福特LightningEV是基于F-150车型设计打造的，该车型的车身和封盖中已经使用了大量的铝材。Lightning的一个显着补充是使用大型铸铝摆臂，主要是后下控制臂，以支撑增加的重量。

大多数车辆使用混合材料的设计。在这种情况下，铝通常用作封闭件，可以很容易地连接到钢结构上。RivianR1T皮卡的大部分车身框架都使用了钢材。然而，封盖由铝板冲压件制成，摇臂和横梁由铝挤压件制成，转向节和控制臂由铝铸件和锻件制成。与之前使用低成本焊接钢制前副车架的特斯拉Model3相比，高价的特斯拉SPlaid将其前副车架转向混合设计，在拐角节点上采用铸铝，通过铝挤压件通过焊接（图1）。

图1. Tesla S Plaid 的前副车架采用混合设计，将铸铝角节点焊接到挤压件上。

值得注意的是，许多汽车制造商在其EV车型中使用较重的钢材——甚至用于封闭件。例如，当通用汽车宣布其新的电动雪佛兰Silverado将在其引擎盖和车门中使用钢时，令人惊讶，尽管该公司已经在其Silverado的燃气动力版本上使用了铝制封盖。

从轻质铝到重钢的转变是反直觉的，因为众所周知，在给定的电池电量下，更轻的车辆会走得更远，从而增加行驶里程。然而，这些决定是多方面的。轻量化可能不是OEM优先考虑的其他考虑因素，例如材料成本、制造便利性、新设备和工具的资本成本、最终产品成本、估计利润等。如前所述，电动汽车电池技术的高成本和重量仍然是一个主要问题。该行业一直在预测电池成本和重量会降低。然而，在2021年第四季度，我们看到原材料成本显着增加，每辆车高达7,000美元。俄乌冲突加剧了当前的供应链问题。

在LinkedIn9（LinkedInPost & Discussion, February2022.）上的一次讨论中，关于在EV中使用铝制封盖实现轻量化的问题从行业中获得了一些有趣的答案，即为什么一些OEM可能对轻量化不太感兴趣。原因之一是成本与重量节省的比率。“这些车辆的整备质量约为9,000磅，”3M公司技术经理EricLaBelle说。“通过材料选择可以节省的重量几乎不会改变指针（needle），也不能证明成本是合理的。”

提出的另一个重要问题涉及政府在轻量化方面的作用。AtlisMotor Vehicles车辆工程副总裁Roger Townsend 指出：“电动汽车重量的商业运作比ICE车辆更糟糕。”“由于电动汽车的轻量化不受排放法规的补贴，它对续航里程的贡献不如在其他方面，例如电机、传动系统、电池和控制效率方面。”

三、政府法规对车辆重量的影响

在北美，美国政府通过企业平均燃油经济性(CAFE)标准来规范ICE车辆的车辆燃油经济性，该标准衡量OEM在给定车型年的整个车队（包括乘用车）的燃油经济性（英里/加仑）、SUV和客车。由于重量较轻的车辆燃油经济性较低，因此整个行业的汽车制造商都转向轻量化，以达到CAFE燃油经济性标准并避免处罚和罚款。这是汽车铝材使用的主要驱动因素，尤其是在大型SUV和卡车中，它们从轻量化中获益更多，因为小型汽车通常重量更轻，并且从一开始就具有较低的燃油经济性。

然而，由于电动汽车使用电动传动系统，它们是零排放车辆。因此，燃油经济性不是问题，CAFE规定也不适用。车辆总重量不是优先事项。相反，电动汽车的设计受到其他因素的驱动——成本、续航里程、性能以及添加销售汽车的酷炫功能的能力。对于那些销售轻质材料的人来说，已经发生了变化，尤其是对于低成本电动汽车。

同样，Class8商用卡车因使用环保动力系统而获得美国政府的补偿，无论重量如何。天然气和电动商用卡车都能够获得交通部的豁免，在州际公路上以82,000磅的重量运行，而柴油车则限制在80,000磅。商用卡车OEMs正在进一步推动重量问题，因为他们目前正在寻求政府豁免总计6,000磅的重量，这将与BEV动力系统增加的重量相匹配。说服立法者允许动力总成技术运行比从商用卡车上卸下数千磅或说服对重量敏感的车队减少有效载荷要容易得多。

四、从一体化压铸谈确保电动汽车中铝的价值

随着CAFE法规对电动化的影响退居二线，轻量化材料供应基地需要重新设计，才能为电动汽车市场创造新价值。与其专注于减轻重量，还需要发挥铝的其他好处。例如，特斯拉为其ModelY汽车引入了一种新的一体化大型铸件，称为巨型铸件或千兆铸件。该组件是一个单件铝铸件，它取代了许多必须由许多大型机器人焊接的钢冲压件。相比之下，这种铝铸件只需几分钟即可通过真空高压压铸(HPDC)工艺使用一种无需热处理即可获得合适性能的合金制成。该公司强调大型铸造的价值在于它提供的制造效率，包括减少件数、更少的机器人和更少的占地面积。

一般来说，兆铸件或千兆铸件的重量更轻吗？根据Alumobility执行董事、捷豹路虎汽车结构工程师的长期执行董事MarkWhite的说法，答案是“不”。他指出，现有数据显示，特斯拉的一体式铸件比更换的板材部件重20%（8公斤）。铸件非常适合刚度驱动的设计，但其局限性在于其壁厚只能降至2-3毫米，而板材的壁厚为0.7毫米。White建议最好的车辆解决方案结合了铸件和板材或挤压件的混合物。

慕尼黑工业大学成型技术和铸造系主任WolframVolk教授提供了另一种观点，他指出了OEM选择大型铸件与钣金之间做出决定的许多因素。Volk解释说，大型铸件更有可能用于新建制造工厂的公司，而不是那些已经投资于钣金加工的公司。总体而言，大型铸件不太可能广泛用于小批量车辆制造，因为设备的资本成本很高，或者用于真正的大批量生产，因为这些铸件的工具寿命比冲压低20-30倍。铸造模具寿命部分取决于合金，因为与常用于变速箱和电机外壳的高度回收的380铝合金相比，未经热处理的结构铝合金会导致模具寿命缩短。

抛开大型铝铸件的长期实施不谈，它们说明了铝工业需要展示轻量化之外的材料价值。这一价值可以简单地通过重新排序材料的优先级来证明，从解决低密度到确保其高性能优势，例如耐腐蚀性（这可以最大限度地减少成品车的保修索赔）。确保电动汽车增长的另一种方法是在铝合金和加工方面进行创新，以及以更低的成本推出轻量化解决方案。对于碰撞管理和电池保护，铝材生产商应该促进当前的成功，其中挤压件已用于车辆安全。

参考文章：

1. Schlachter,Fred, “Has the Battery Bubble Burst?”APS News, Vol. 21, No. 8, August/September 2012.

2. Kane,Mark, “Watch Tesla Model S Plaid’sBattery Get Opened And Described,”Inside EVs, October 13, 2021.

3. Elfalan,Jonathan, “World Exclusive: We Testedthe 2022 Rivian R1T and It’s theQuickest and Best-Handling Truck Ever,”Edmunds, November 9, 2021.

4. Bartlett,Jeff S., “Ford Mustang Mach-E ReplacesTesla Model 3 as Consumer Reports’Electric Vehicle Top Pick,” ConsumerReports, February 17, 2022.

5. “LR®Model Specs,” Mack Trucks.

6. “LRElectric Specs,” Mack Trucks.

7. “FrontCradle and Suspension | Tesla Model S Plaid Teardown (video),”Munroe Live.

8. Murphy,Tom, “Chevy Silverado Charges into BEVWorld,” Wards Auto, January 5, 2022.

9. Halonen,Andrew, LinkedIn Post & Discussion, February 2022.

10. “ElonMusk explains how Giga casting works for the Model Y (video),”Financial Literacy.

11. Halonen,Andrew, LinkedIn Post & Discussion, March 2022.

12. Fuchslocher,Götz, “Megacasting: a chance to rethinkbody manufacturing,” AutomotiveManufacturing Solutions, February 9, 2022.

作者：Andrew Halonen，Mayflower Consulting LLC 中国汽车材料网编译