中國電動汽車主導(dǎo)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年成為全世界最大的電動汽車市場。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(dān)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)處于世界領(lǐng)先地位。為了更好、更快地實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，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，我們必須走出國門?！蹦壳埃袊€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(xué)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(dāng)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(zhǔn)備。杜登霍夫說：“在軟件解決方案方面，中國人處于全球領(lǐng)先地位，未來，中國人會變得越來越重要。”
中國領(lǐng)跑全球電動公交革命
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；而歐洲的電動革命卻踟躕不前，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(biāo)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(biāo)，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(biāo)，還制定了到2020年打造若干世界知名汽車品牌的目標(biāo)。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)品性價比最高的頂級結(jié)構(gòu)材料。用鋁合金制造汽車部件有如下幾個優(yōu)勢。第一，減重效果卓著。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；采用高效、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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(zhǔn)則，焊接工藝連接的部件最輕，其次是鉚接工藝連接的部件，而螺栓連接的部件最重。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最佳，其次是焊接工藝連接的部件。按生產(chǎn)成本核算來說，螺栓連接工藝最貴。
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%。

圖1 汽車防撞梁

鋁合金材料的前防撞梁總成

圖2 A356鋁合金的顯微組織

除鐵前

除鐵后

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(fēng)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(xué)化學(xué)學(xué)院的科學(xué)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(xué)的科學(xué)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(dāng)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(xué)、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)最大、最先進、全流程的汽車輕量化研發(fā)、試驗、制造基地。蘇州大學(xué)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(zé)整車設(shè)計與總成產(chǎn)品制備，航橋科技有限公司負責(zé)鍛件制造與部件集成，廣州和德有限公司負責(zé)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?？偖a(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、A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)外的頂級輕量化專家，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，鉆研出幾十個核心專利，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(fēng)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)頂尖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(fēng)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(fù)雜截面型材。HSW-1合金用于擠壓車身框架、電池托盤等的復(fù)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。
高效再生鋁除鐵技術(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(xué)性能，特別是韌性。
中國發(fā)展輕量化汽車技術(shù)目標(biāo)
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(xué)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(biāo)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(biāo)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(biāo)到2025年實現(xiàn)4L，到2035年實現(xiàn)3.2L?？傮w思路是，2016年-2020年為第一階段，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(fù)合材料技術(shù)，解決鎂合金及復(fù)合材料循環(huán)利用問題，實現(xiàn)碳纖維復(fù)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(fù)雜零件成型技術(shù)和異種零件連接技術(shù)。