「深度」电动汽车发展对挤压铝合金市场需求的分析

2019年的前9个月,在美国售出了近175,000辆电动汽车(BEV)。其中80%是快速销售的Model 3。令人惊讶的是,除特斯拉外,目前在美国还有13款电动汽车在销售。雪佛兰Bolt是领先的非特斯拉产品,约占市场份额的7.5%。然后是日产(Leaf),奥迪(e-tron),宝马(i3),大众(e-Golf),捷豹(i-Pace)和多款起亚/现代汽车产品。

然而,随着各种不同级别和价格的新型BEV产品的推出,市场将变得更加活跃。在这个春季,我们将看到保时捷的Taycan 4门跑车在美国推出,以及梅赛德斯EQC跨界车。

然后在2020年晚些时候将有三款新跨界车再推出:特斯拉的Model Y,福特刚刚宣布的野马Mach-E和大众的ID.4,以及沃尔沃的XC40 BEV(图1)和Mini Cooper SE。

此外,我们预计在2020年末,皮卡浪潮将首先出现,Rivian的R1T,随后是特斯拉的Cybertruck,配备福特电池的F-150和到2021年由通用汽车电池供电的皮卡。

预计奥迪将在2021年推出另一款产品e-tron GT。计划在2022年投放来自Rivian(R1S),Lincoln(基于Rivian平台)和Cadillac的SUV。这些只是主要汽车制造商当前宣布的即将发布的产品。还有很多BEV产品还在准备中。

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Figure 1. Volvo launched the XC40 as the first vehicle in its electrified car line. The car implements an extruded aluminum battery tray.

据估计到2025年,由于产品种类增加,电池成本降低,续航里程增加以及充电网络扩大,北美BEV销量可能会增长到每年100万辆左右(约占市场的6%)。根据电池成本的历史性和预测性降低,预计到2024/26年,BEV和传统内燃机(ICE)车辆将首先实现成本平价(不包括补贴)。在成本均等的情况下,性能和运营节省将使平衡向BEV方向倾斜。

无论是在2025年是否售出100万辆电动汽车,从技术的发展和传统汽车制造商的承诺来看,很明显,在未来十年中,电动汽车将成为我们汽车未来越来越重要的一部分。那么这对于铝挤压意味着什么呢?(注意:本文只针对电动汽车,不涉及混合动力汽车,无论是否插电式。)

铝挤压对电动汽车的作用

铝型材应该在电动汽车中起至关重要的作用。首先,电池系统的重量使其他车辆系统的轻量化变得更加重要;其次,铝挤压材料的特点使其成为容纳和冷却电池系统以及电动机外壳的主要材料。

重量和里程

电动汽车很重,并且重量限制了行驶里程。Ducker Worldwide估计,大众的e-Golf(不久将被ID.4取代)比同一辆车的ICE版本重500磅以上。ICE车辆发动机、变速箱、排气系统和燃油系统重量达到500磅,但BEV中的电池、电动机、控制器和电缆重量达到1000磅以上。对于特斯拉S(85 kWh版本的电池为1,200磅(占汽车重量的27%))和雪佛兰螺栓(Chevy Bolt)的电池为960磅(66 kWh(占汽车重量的26%))而言,情况与此类似。

电池能量密度正在不断增加,但考虑到BEV购买者的"里程焦虑",我们很可能会看到,随着里程的增加而不是重量的减少,改进最终会结束。这并不是挑战汽车设计师的唯一重量增加途径。同时,我们看到高级驾驶员辅助系统(ADAS)硬件的重量增加。尽管真正的自动驾驶(5级)离还有很长的路要走,但许多关键要素已经被添加到汽车中。现在,许多新车辆(尤其是技术先进的车辆)都具有车道偏离警告系统(1.2磅)和前碰撞警告/自动制动系统(另外6.5磅)。麦肯锡公司(McKinsey&Company)估计,如果考虑完全实现5级自动驾驶的所有传感器、处理器和电缆等,将另外产生300-400磅的质量。

挤压件(和其他铝部件)已被证明可有效减轻重量。我们希望看到越来越多的挤压件用于诸如横梁/仪表板、车顶弓和车身底板横梁等位置。但是,仅用挤压型材替换可替代材料不一定是成功的策略。我们看到具有更薄壁的复杂空心结构越来越多地被使用,以进一步减轻轻质材料的重量,同时满足更苛刻的结构和抗压性能。

电池系统外壳

对电池系统的维护和处理是挤压的另一个重要应用方面。现在的电池系统需要:密封元件,防止碰撞和车身底部撞击,以及某种程度的热管理。此外,它们必须提供维护通道,满足易于组装、耐久性和成本效益的典型需求。通常情况下,要求更高,因为电池外壳成为车辆结构的一个组成部分,对底盘刚度和整体碰撞管理也有相应的贡献。

许多专门建造的BEV使用"skateboard"式平台,例如用于Rivian和大众MEB平台(图2-3)。通常,电池盒位于车轴之间,电机和控制系统安装在轮轴上方。

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Figure 2. Rivian skateboard battery enclosure and chassis. (Source: Rivian.)

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Figure 3. MEB modular battery enclosure and chassis. (Source: Volkswagen.)

外壳实际上消耗了车轮之间的所有可用空间,而用于SUV的外壳通常长78-85英寸,宽60英寸,高5-5.5英寸。作为参考,奥迪e-tron的轴距约长115英寸,宽76英寸,与Jaguar I-Pace相当,其轴长为117英寸,宽74.6英寸。

e-tron电池盒的示意图(图4)显示了一种非典型的方法,采用网格型(或蛋形纸盒)结构,以在框架和下盖(既提供保护又提供机箱完整性)内固定和保护电池模块。

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Figure 4. Audi e-tron battery housing. (Source: Audi.)

仔细查看大众MEB电池盒,可以很好地了解当今工程师正在努力权衡的问题。复杂的多孔空心结构似乎可以提供横向抗压性能,并为电池盒提供整体结构。该外壳由带有焊接角的线形构造而成。在替代设计中,我们看到了用焊接角代替浇铸角节点。特斯拉Model S的电池盒(也将电池盒用作底盘结构的组成部分)也是基于挤压成型制造的(图5),但拐角显然由弯曲的线条形成,辅助元件提供了侧面保护。

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Figure 5. Tesla Model S battery box. (Source: Tesla.)

但是,如何利用其他铝挤压应用中的方法呢?例如高端行李箱中使用的连续弯曲线形(图6)使用连续的直线可以消除电池周围的多个机械接头(可能会泄漏),尽管它可能需要较重的壁和凸缘以适应半径较小的弯曲。

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Figure 6. A continuous lineal as used in luggage framing. (Source: Almag.)

电池的热管理

最佳的电池性能要求电池组温度保持在设计窗口内(通常在20°C至40°C之间),并且电池组内的温度变化最小(<5°C)。尽管有多种可能的方法可以为电池包提供热管理,但如今的首选解决方案是间接液体冷却,通常是通过管网循环的乙二醇冷却剂进行。早期的Nissan Leafs利用空气冷却,但是国家可再生能源实验室(NREL)的一项研究得出的结论是,空气冷却需要的能量是液体系统的2-3倍。类似地,NREL发现有利于挤压的翅片冷却方法显著增加了重量。

尽管电池热管理的基本方法(使冷却液通过管子或管道循环)与ICE车辆所用的方法相似,但执行方式显然有很大不同。电动汽车之间的差异也很大,例如:保时捷将冷却系统保持在其新Taycan电池盒的外部,将冷却液管粘在电池盒的底部以进行热量传递。特斯拉采取了另一条路线,在电池组之间贴一条单条铝挤压线以提供热传递,同时最大程度地减少任何潜在的泄漏。宝马还将冷却系统放置在电池盒内部,但在底部,电池模块位于管道顶部,使传热液体循环。

无论冷却系统的体系结构如何,基本要求都是相同的,并且为冷却管以及某些应用场合(包括外围设备)的挤压创造了机会。诸如在替代能源应用中使用的挤压管(图7)占用的空间最小,并且包括外部锯齿以改善热传递。对于另一项与冷却有关的应用,特斯拉模型3使用了挤压式冷却剂冷凝器箱。储罐的中空部分在一侧挤压有宽法兰,随后将其冲压以消除多余的材料并形成安装点。

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Figure 7. Extruded tubing for alternative energy. (Source: Almag.)

除了特定于电池的应用以外,还可能在控制系统外壳中以及在电动机外壳中应用铝挤压。对于铝挤压,BEV交流电机的外壳似乎是有前景的应用部位。与电池组一样,热量管理是一个关键因素,带有圆周冷却孔的多空洞(例如用于重型卡车电驱动单元的这种设计(图8))可以很好地完成该任务。这个特殊的外壳包括20个冷却通道(除了单独的油孔外);通道又具有锯齿状的内部,类似于冷却管,可使有效冷却表面积增加12%。

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Figure 8. Example of an extruded motor housing (left) and a high pressure die cast motor housing (right). (Source: Almag.)

但是,电动机通常与控制机构、功率逆变器安装座等包装在一起,因此倾向于使用更复杂的高压压铸外壳。

选择何种材料加工形式?

虽然很明显铝可以在车辆电气化中发挥重要作用,但并不能确定挤压将是选择的形式。Novelis推出了具有铝片结构的电池外壳,如上所述,铸件可能对电动机外壳(可能还有电池外壳)起重要作用。但是,Novelis将其薄板设计定位为最适合"大容量"应用,而铸铁电池外壳解决方案似乎最有可能用于混合动力汽车中使用的较小外壳。

然而,目前,基于挤压的设计似乎是一个极具吸引力的解决方案,除了挤压的设计和加工灵活性之外,还需要考虑工具成本和交货期。最近对SUV或皮卡级电池外壳的评估显示,铸造模具成本超过75万美元,交货期接近一年。相比之下,一个基于挤压的设计,有8到10个不同的型材,需要的模具总投资不到75000美元,交货期约为6周。尤其是在设计发展如此迅速的情况下,开发速度和工具成本令人信服。

结论

尽管BEV在北美市场的渗透速度仍存在很多不确定性,但福特,通用汽车和其他公司对这项技术的承诺无疑表明机遇是真实的。尽管最终材料的选择仍然存在不确定性,但同样清楚的是-至少在短期内-挤压铝型材的应用空间很大。大型车辆的基于铝挤压的电池外壳重量在100-125磅之间,同时还需要持续轻量化其他组件,因此BEV市场无疑将使汽车对挤压的使用不断增长。

来源:作者:Lynn Brown, Consulting Collaborative, and , Almag Aluminum.汽车轻量化产业链翻译整理.

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