新能源汽車輕量化的鋼材解決方案

趙素蘭日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染及能源緊缺問題，使全球新能源汽車的研發(fā)和推廣前所未有地受到各國(guó)政府的關(guān)注與重視，美國(guó)和日本等國(guó)已經(jīng)把新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提高到國(guó)家戰(zhàn)略高度，采取多種扶持政策大力推進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。中國(guó)在2012年出臺(tái)了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》，為中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的總體發(fā)展指明了方向。新能源汽車發(fā)展對(duì)鋼材的影響截至2013年底，全球新能源汽車保有量已超過40萬(wàn)輛。保有量排名前3名的國(guó)家分別為美國(guó)、日本和中國(guó)，分別為17.4、6.8、4.5萬(wàn)輛。到2020年，在歐、美、日、韓及中國(guó)新能源汽車年產(chǎn)量預(yù)計(jì)占乘用車總量的9%—20%，將達(dá)120—240萬(wàn)輛。新能源汽車的興起，無(wú)論在鋼材需求或是質(zhì)量方面都提出了更高的要求。出于對(duì)汽車的安全和節(jié)能等性能的高要求，新能源汽車更加看重車身的輕量化。輕型車身要平衡電池引起的質(zhì)量增加，沒有一定輕量化水平的電動(dòng)汽車是沒有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的。相比于傳統(tǒng)汽車，新能源汽車對(duì)于輕量化技術(shù)的要求更為迫切。歐美等地區(qū)和國(guó)家的汽車制造商都在汽車輕量化項(xiàng)目上投入了大量的資源。鋼鐵企業(yè)要想在新能源汽車市場(chǎng)抓住機(jī)遇，就必須有針對(duì)性地研發(fā)和生產(chǎn)，以滿足新能源汽車對(duì)輕量化鋼材的要求。鋼鐵企業(yè)新能源汽車輕量化的鋼鐵解決方案汽車輕量化是在滿足汽車使用要求、安全性和成本控制的條件下，將結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與輕量化材料、輕量化制造技術(shù)集成應(yīng)用所實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品減重。先進(jìn)鋼鐵企業(yè)不僅提供材料、而且致力于提供包括模型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用技術(shù)和評(píng)價(jià)技術(shù)等一體化的解決方案，通過整合鋼鐵企業(yè)在材料、成形、焊接等應(yīng)用技術(shù)以及評(píng)價(jià)等領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)，積極和汽車企業(yè)開展EVI（EarlyVendorInvolevment，先期介入）合作，提供用戶需求的解決方案。FSV項(xiàng)目。FSV（FutureSteelVehicle，未來(lái)鋼質(zhì)汽車）項(xiàng)目是2007年國(guó)際鋼協(xié)汽車用鋼聯(lián)盟開展的針對(duì)2015—2020年比較成熟的先進(jìn)鋼鐵材料和制造技術(shù)的研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目目標(biāo)是為緊湊型純電動(dòng)汽車提出一個(gè)能制造出完全不同的鋼制車身結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)構(gòu)思，也確認(rèn)了為適應(yīng)大的插電式混合動(dòng)力車（PHEV）或燃料電池車（FCEV）車身結(jié)構(gòu)的改變。FSV項(xiàng)目主要涉及到4種不同的汽車型號(hào)，純電動(dòng)汽車（BEV）和插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV—20）屬于A/B級(jí)汽車；插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV—40）和燃料電池汽車（FCEV）屬于C/D級(jí)汽車。FSV項(xiàng)目設(shè)定的方案目標(biāo)參數(shù)有車身質(zhì)量、制造成本及全生命周期的CO2等效排放量。車身質(zhì)量的目標(biāo)是190kg。與先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，F(xiàn)SV的用鋼方案采用了比以前其他項(xiàng)目更先進(jìn)的高強(qiáng)鋼及其成形技術(shù)，以求達(dá)到車身輕量化和在整個(gè)汽車生命周期溫室氣體排放的大幅降低。它使用了20多個(gè)最新的先進(jìn)高強(qiáng)鋼種，這些鋼材預(yù)計(jì)2015到2020年將會(huì)批量生產(chǎn)。FSV項(xiàng)目表達(dá)了超高強(qiáng)鋼的發(fā)展以滿足車身性能和進(jìn)一步輕量化的需求，F(xiàn)SV使用了平均0.98mm的厚度、平均789MPa抗拉強(qiáng)度的材料方案，而1999年啟動(dòng)的ULSAB項(xiàng)目（UltraLightSteelAutoBody,超輕鋼車身）的用鋼為平均厚度1.16mm和平均抗拉強(qiáng)度413MPa，ULSAB—AVC（超輕鋼車身先進(jìn)車概念）項(xiàng)目為平均厚度1.00mm和平均抗拉強(qiáng)度758MPa。FSV項(xiàng)目高強(qiáng)度鋼板占整體車身用鋼的97.4%，其中一半在1000MPa以上。與ULSAB—AVC相比，340MPa鋼與1500MPa鋼的比例大幅增加，800MPa鋼驟減，其他級(jí)別鋼種則小幅減少。此次選擇鋼板的大方針是：碰撞后可被壓扁的骨架類采用1000MPa級(jí)產(chǎn)品，不能壓扁的骨架類采用1500MPa級(jí)產(chǎn)品。另外，不需要承受很大應(yīng)力的地板及頂棚等均采用了目前所能采購(gòu)到的最薄產(chǎn)品一一.5mm鋼板。其中DP鋼約占30%；TRIP鋼約10%；HF鋼約占10%；CP鋼約占10%。整個(gè)高強(qiáng)度鋼用鋼比重超過65%。如果算上超高強(qiáng)鋼，整個(gè)汽車車身高強(qiáng)鋼的比重將達(dá)到97.4%，軟鋼的比重將顯著減少。此外，隨著高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼的應(yīng)用比重增加，相應(yīng)的成形技術(shù)要求也在提高。針對(duì)高強(qiáng)度汽車用鋼在汽車上的應(yīng)用，國(guó)際鋼協(xié)在FVS項(xiàng)目中廣泛采用了激光拼焊板、熱沖壓成形、液壓成形、變截面板的液壓成形、激光拼焊制管、激光拼焊和變截面板的輥壓成形及一般輥壓成形等技術(shù)手段，使高強(qiáng)度鋼板得以應(yīng)用，有效地降低汽車車身重量，汽車的車身剛度和安全性能也得以提高。在制造成本的評(píng)估上，F(xiàn)SV使用了技術(shù)成本模型，并且用改進(jìn)的溫室效應(yīng)排放模型進(jìn)行全生命周期（LCA）的CO2排放評(píng)估，與對(duì)標(biāo)車型比較，減少了56%的CO2排放量。用生命周期評(píng)估的方法來(lái)幫助汽車制造商為其生產(chǎn)過程評(píng)估與降低總能耗和在整個(gè)生命周期內(nèi)溫室氣體的排放量。只考慮在車輛使用階段從排氣管排放的溫室氣體的法規(guī)，將會(huì)鼓勵(lì)低密度、溫室氣體密集材料的使用，在某些應(yīng)用中這些材料可使零部件的重量更輕以提高燃油的經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣的排放量，但是這在汽車的整個(gè)生命周期內(nèi)對(duì)于溫室氣體排放的增加會(huì)有意想不到的后果。浦項(xiàng)PBC—EV。為了提供低成本的鋼鐵解決方案，韓國(guó)浦項(xiàng)開發(fā)了名為PBC—EV的輕量化鋼制車身。據(jù)了解，浦項(xiàng)從2010年開始研發(fā)這類鋼種，于2012年初研發(fā)成功并通過了國(guó)際安全碰撞試驗(yàn)，有望于2015年用在電動(dòng)汽車上。PBC—EV的開發(fā)過程不僅僅是普通汽車的模型開發(fā)，而是關(guān)注于汽車車身輕量化的優(yōu)化過程。車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包含了先進(jìn)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用、制造技術(shù)、設(shè)計(jì)優(yōu)化以及CAE分析。在PBC—EV上先進(jìn)高強(qiáng)鋼是主要的輕量化材料，具有高延伸率的先進(jìn)高強(qiáng)鋼，如DP780.TRIP980和TWIP980等，主要用在吸收碰撞能量的部件；而超高強(qiáng)度鋼，如DP980、HPF2000和Duplex980等，主要用在減少對(duì)乘客和電池區(qū)域的撞擊。PBC—EV主要采用了超過65%的先進(jìn)高強(qiáng)鋼。因此，通過使用先進(jìn)高強(qiáng)鋼，車身重量達(dá)到218kg，車身重量減小了26.4%，約78kg。此外，鎂板由于其重量輕和NVH等優(yōu)點(diǎn)也被作為PBC—EV的可用材料之一。浦項(xiàng)的研究成果與國(guó)際鋼協(xié)的研究成果大部分相同，區(qū)別在于浦項(xiàng)在TWIP鋼的研制和生產(chǎn)方面處于領(lǐng)先地位，TWIP鋼使用比例占了大約10%（PBC—EV用鋼分布如圖1所示）。為增加其強(qiáng)度和韌性，浦項(xiàng)還采用了兩種新的方法，即熱壓成型和多向軋制成型。與普通汽車相比，由該鋼種制造的汽車，溫室氣體排放可降低50%。鎂板采用溫成形的方式，同時(shí)傳統(tǒng)的沖壓、激光拼焊等加工方式也毫無(wú)疑問被用在PBC—EV的制造過程中。浦項(xiàng)的PBC—EV項(xiàng)目在設(shè)計(jì)評(píng)估中也考慮到加工成本，針對(duì)在白車身和零部件加工成本中使用成本分析，加工成本是估算使用不同加工工藝的所有車身結(jié)構(gòu)部件成本。成本分析結(jié)果為白車身加工成本$1018。由于使用先進(jìn)高強(qiáng)鋼而實(shí)現(xiàn)汽車減重，減少了材料的成本，這將平衡由于加工費(fèi)用帶來(lái)的總成本的增加。浦項(xiàng)的PBC—EV項(xiàng)目也使用了生命周期評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，由于先進(jìn)高強(qiáng)鋼車身的使用使PBC—EV減重，CO2排放量顯著減少，與對(duì)標(biāo)燃料車和鋁制電動(dòng)車相比，分別減少48.9%、9.0%。安賽樂米塔爾電動(dòng)汽車版S—inmotion。安賽樂米塔爾自2010年起開展了S—inmotion項(xiàng)目，旨在開發(fā)一系列汽車用鋼解決方案，使汽車在不降低安全性的前提下更輕、排放量更小。S—inmotion包含steel（鋼鐵）、Savingweight（重量減輕）、Savingcosts（成本節(jié)約）、Sustainability（可持續(xù)性）、Safety（安全性）、Service（服務(wù)）、Strength（強(qiáng)度）和Solutions（解決方案）等8種含義。該項(xiàng)目是北美和歐洲聯(lián)合開展的研發(fā)項(xiàng)目，有6家研究中心、600多名技術(shù)人員和工程師參與了該項(xiàng)目。先進(jìn)高強(qiáng)鋼在電動(dòng)汽車上證明了其輕量化方案新的價(jià)值。安賽樂米塔爾的原S—inmotion項(xiàng)目在傳統(tǒng)燃油汽車身上具有減輕車身重量和底盤的巨大潛力。因此為滿足電動(dòng)汽車系列新的挑戰(zhàn)，安賽樂米塔爾開發(fā)了電動(dòng)汽車S—inmotion選擇方案。該項(xiàng)目對(duì)車身重新設(shè)計(jì)，滿足了電動(dòng)汽車更大的動(dòng)力系統(tǒng)以及電池保護(hù)需求。先進(jìn)高強(qiáng)鋼在電動(dòng)汽車上得到了廣泛使用，其占車身重量比從原傳統(tǒng)燃油汽車的35%提高到了58%，車身減重30kg。安米的S—inmotion項(xiàng)目的主要優(yōu)勢(shì)為:為車企提供電動(dòng)車方案;適應(yīng)完全不同的動(dòng)力系統(tǒng)；在不增加重量的情況下對(duì)電池提供額外保護(hù)；保持沖撞性能；廣泛使用先進(jìn)高強(qiáng)鋼達(dá)到減重目的。通過該項(xiàng)目和已經(jīng)驗(yàn)證的選擇方案證明，先進(jìn)高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度和輕量化滿足了汽車的未來(lái)發(fā)展。該項(xiàng)目使用典型的奔馳C級(jí)轎車作為基準(zhǔn)車，設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過使用已經(jīng)確定的原S—inmomion方案來(lái)改善基準(zhǔn)車，創(chuàng)造新的電動(dòng)汽車解決方案。項(xiàng)目特別針對(duì)那些希望把原先傳統(tǒng)燃油汽車升級(jí)到電動(dòng)版的車企。針對(duì)電動(dòng)汽車白車身使用了35%—58%（占車身重量）的先進(jìn)高強(qiáng)鋼，車身減重了30kg，減重比例達(dá)到11%。在電動(dòng)汽車S—inmotion設(shè)計(jì)方案中，為維護(hù)沖撞性能，有29個(gè)部件可以使用熱成型Usibor1500鋼，24個(gè)部件可以使用激光拼焊。安米在轎車輕量化研究過程中充分利用了其自身生產(chǎn)的超高強(qiáng)度鋼，如DP鋼、馬氏體鋼及其他高品質(zhì)線材，尤其是其最具競(jìng)爭(zhēng)的熱成形鋼Usiborl500P。在減輕車身重量并增加汽車安全性的同時(shí)還考慮到不增加汽車生產(chǎn)商的成本，因此對(duì)每項(xiàng)解決方案都進(jìn)行了成本分析。分析結(jié)果新能源汽車的輕量化是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比于傳統(tǒng)汽車，新能源汽車對(duì)于輕量化技術(shù)的要求更為迫切。歐美等地區(qū)和國(guó)家的汽車制造商都在汽車輕量化項(xiàng)目上投入了大量的資源。國(guó)際先進(jìn)鋼鐵企業(yè)也積極致力為新能源汽車提供低成本的輕量化鋼鐵解決方案，浦項(xiàng)PBC—EV和安米S—inmotion，都是為新能源汽車設(shè)計(jì)開發(fā)的項(xiàng)目，這些項(xiàng)目關(guān)注于汽車車身輕量化的優(yōu)化過程，車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包含了先進(jìn)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用、制造技術(shù)、設(shè)計(jì)優(yōu)化、以及相關(guān)技術(shù)評(píng)估分析、成本和生命周期等分析。從研究結(jié)果來(lái)看，一是顯示了鋼鐵材料在未來(lái)汽車尤其是電動(dòng)汽車上仍是首選材料；二是從具體鋼鐵材料來(lái)看，高強(qiáng)鋼，尤其是先進(jìn)高強(qiáng)鋼將是未來(lái)汽車車身的主要用材。從國(guó)際鋼協(xié)、安米、浦項(xiàng)對(duì)未來(lái)電動(dòng)汽車用鋼研究來(lái)看，三者結(jié)果幾乎一致。具體來(lái)看國(guó)際鋼協(xié)對(duì)用鋼的級(jí)別更加具體，其超高強(qiáng)度鋼主要是DP鋼，占總用鋼量的1/3,TRIP鋼、HF鋼、CP鋼各占10%。浦項(xiàng)的研究結(jié)果也顯示：600MP級(jí)別以上超高強(qiáng)度汽車板的用材比重將占車身用材份額的50%，其中DP、TWIP、CP、HP四大類鋼種的比重相差不大，都在10%上下。安賽樂米塔爾的研究結(jié)果雖然沒有用鋼比重，但表明了高強(qiáng)度汽車板、超高強(qiáng)度汽車板的使用依然是車身輕量化的主要材料。同時(shí)，國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)、浦項(xiàng)以及安賽樂米塔爾也都分別對(duì)新能源汽車加工成本和生命周期評(píng)價(jià)進(jìn)行了評(píng)估對(duì)比。綜上所述，新能源汽車發(fā)展已成為汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的突破口，將帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展。這些無(wú)疑將加大鋼企在新能源汽車方面的研發(fā)力度。先進(jìn)鋼鐵企業(yè)都加速在新能源汽車用鋼方面的研發(fā)。由17家國(guó)際先進(jìn)鋼鐵企業(yè)參加的國(guó)際鋼協(xié)的FSV項(xiàng)目，研究水平代表了新能源汽車用鋼在安全性、輕量化、成本、材料全生命周期以及綠色制造方面的技術(shù)進(jìn)步，其中大量高強(qiáng)鋼和超高強(qiáng)鋼廣泛使用，高強(qiáng)度鋼板占整體的97.4%，一半在1000MPa以上，并結(jié)合了先進(jìn)的成形