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  • 「深度」电动汽车发展对挤压铝合金市场需求的分析

    来源:www.bloodonthemotorway.com 发布时间:2020-02-22

    2019年前9个月,美国售出了近175,000辆电动汽车。其中,80%是畅销车型3。令人惊讶的是,除了特斯拉,还有13辆电动汽车在美国出售。雪佛兰博尔特是领先的非特斯拉产品,约占市场份额的7.5%。接下来是日产(Leaf)、奥迪(e-tron)、宝马(宝马i3)、大众(大众高尔夫)、捷豹(捷豹i-Pace)和许多起亚/现代汽车产品。

    然而,随着各种档次和价格的新型贝芙产品的推出,市场将变得更加活跃。今年春天,我们将看到保时捷的Taycan四门跑车和梅赛德斯EQC跨界车在美国上市。

    那么三款新的跨界车将于2020年晚些时候推出:特斯拉的Y型车,福特刚刚宣布的野马马赫-E和大众的ID4,以及沃尔沃的XC40 BEV(图1)和迷你库柏SE。

    此外,我们预计到2020年底,皮卡浪潮将首先出现,里维安的R1T,然后是特斯拉的赛博卡车,福特电池的F-150和通用电池驱动的皮卡,到2021年。

    奥迪有望在2021年推出另一款产品e-tron GT。里维安(R1S)、林肯(基于里维安平台)和凯迪拉克的SUV计划于2022年推出。这些只是主要汽车制造商目前宣布的即将推出的产品。仍有许多BEV产品在准备中。

    图1。沃尔沃推出XC40作为其电气化汽车系列的第一辆车。该车采用挤压铝电池托盘。

    据估计,到2025年,由于产品种类增加、电池成本降低、续航里程增加和充电网络扩大,北美的BEV销量可能会增长到每年约100万辆(约占市场的6%)。根据电池成本的历史和可预测的降低,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)。在成本相同的情况下,性能和运营成本的节省将使天平向BEV倾斜。

    无论2025年是否会有100万辆电动汽车售出,从技术发展和传统汽车制造商的承诺来看,很明显,在未来十年,电动汽车将成为我们汽车中日益重要的一部分。这对铝挤压来说意味着什么?(注:本文仅关注电动汽车,而非混合动力汽车,无论是否插入式。)

    铝挤压对电动汽车的影响

    铝型材应在电动汽车中发挥重要作用。首先,电池系统的重量使得其他车辆系统的重量更重要。其次,铝挤压材料的特性使其成为容纳和冷却电池系统和电机外壳的主要材料。

    重量和里程

    电动汽车非常重,它们的重量限制了它们的里程。Ducker Worldwide估计,大众的e-Golf(将很快被ID.4取代)比同一款车的ICE版重500多磅。内燃机车的发动机、传动装置、排气系统和燃料系统重达500磅,但BEV电池、马达、控制器和电缆的重量超过1000磅。特斯拉S的情况类似(85千瓦时的电池为1200磅(汽车重量的27%),雪佛兰波特的电池为960磅(汽车重量的66千瓦时(26%)。

    电池能量密度正在增加,但是考虑到BEV购买者的“里程焦虑”,我们可能会看到,随着里程的增加而不是重量的减少,这种改善最终会结束。这不是挑战汽车设计师增加重量的唯一方法。与此同时,我们看到高级驾驶员辅助系统(ADAS)硬件的重量增加了。尽管真正的自动驾驶(5级)还有很长的路要走,但许多关键元素已经被添加到汽车中。目前,许多新型车辆(尤其是技术先进的车辆)都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)。麦肯锡公司估计,如果所有的传感器、处理器、电缆等。考虑到在5级中完全自动驾驶,将产生额外的300-400磅质量。

    挤出机(和其他铝部件)已被证明能有效减轻重量。我们希望在横梁/仪表板、车顶弓架和车身底部横梁等位置使用越来越多的挤压件。然而,用挤压型材代替替代材料不一定是一个成功的策略。我们看到越来越多的复杂中空结构和薄壁结构被用于进一步减轻轻质材料的重量,同时满足更高的结构和压缩性能要求。

    电池系统外壳

    电池系统的维护和处理是挤压的另一个重要应用方面。当前的电池系统需要密封元件来防止碰撞和车身底部碰撞,以及一定程度的热管理。此外,它们必须提供维护途径,以满足组装简易性、耐用性和成本效益的典型要求。在正常情况下,要求更高,因为电池外壳成为车辆结构的一个组成部分,有助于底盘刚度和整体碰撞管理。

    许多特别建造的BEV使用“滑板”平台,例如里维安和大众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车轴上方。

    图2。里维安滑板电池外壳和底盘。(资料来源: Rivian。)

    图3 .模块化电池外壳和机箱。(来源:大众:)

    住房几乎消耗了所有车轮之间的可用空间,而越野车的住房通常长78-85英寸,宽60英寸,高5-5.5英寸。作为参考,奥迪e-tron的轴距为115英寸长,76英寸宽,相当于捷豹I-Pace。它的轴长为117英寸,宽为74.6英寸。e-tron电池盒的示意图(图4)显示了使用栅格型(或蛋形纸箱)结构在框架和下盖中固定和保护电池模块(两者都提供保护和底盘完整性)的非典型方法。

    figure 4 .音频e-tron电池外壳。

    仔细看看MEB电池盒,更好地理解工程师今天试图权衡的问题。复杂的多孔中空结构似乎为电池外壳提供了横向抗压能力和整体结构。壳体由具有焊接角度的线性结构形成。在替代设计中,我们看到的是焊接角度,而不是铸造角度节点。特斯拉S型电池盒(也使用电池盒作为底盘结构的一部分)也是基于挤压成型制造的(图5),但是拐角明显由曲线形成,辅助元件提供侧面保护。

    figure 5 . teslamodels batterybox .

    然而,如何在铝挤压应用中使用其他方法?例如,高端行李箱中使用的连续曲线(图6)使用连续直线来消除电池周围的多个机械接头(可能泄漏),尽管它可能需要较重的壁和凸缘来适应较小半径的弯曲。

    figure 6 .用于行李箱框架的连续线形。

    最佳电池性能要求电池组温度保持在设计范围内(通常在20℃到40℃之间),并且电池组内的温度变化最小(5℃)。尽管有许多可能的方法来为电池组提供热管理,但目前首选的解决方案是间接液体冷却,通常是通过乙二醇冷却剂在管网中循环。早期的尼桑Leafs使用空气冷却,但是国家可再生能源实验室(NREL)的一项研究得出结论,空气冷却需要的能量是液体系统的2-3倍。同样,NREL发现有利于挤压的散热片冷却方法显着增加了重量。

    最佳电池性能要求电池组温度保持在设计范围内(通常在20℃到40℃之间),并且电池组内的温度变化最小(5℃)。尽管有许多可能的方法来为电池组提供热管理,但目前首选的解决方案是间接液体冷却,通常是通过乙二醇冷却剂在管网中循环。早期的尼桑Leafs使用空气冷却,但是国家可再生能源实验室(NREL)的一项研究得出结论,空气冷却需要的能量是液体系统的2-3倍。同样,NREL发现有利于挤压的散热片冷却方法显着增加了重量。

    尽管电池热管理的基本方法(冷却剂通过管道或管道的循环)与内燃机车所用的方法相似,但执行方法明显不同。电动汽车之间也有很大的不同,例如,保时捷将冷却系统放在新的Taycan电池盒外面,并将冷却液管粘到电池盒底部进行热传递。特斯拉采取了另一条路线,在电池组之间连接一条铝挤压线,以提供热传递,同时最大限度地减少任何潜在的泄漏。宝马还将冷却系统放在电池盒内,但在底部,电池模块位于管道顶部,用于循环传热液体。

    不管冷却系统的结构如何,基本要求是相同的,并为冷却管的挤压和一些应用(包括外围设备)创造了机会。挤压管,例如那些用于替代能源应用的挤压管(图7)占据最小的空间,并且包括外部锯齿以改善热传递。对于另一个冷却相关的应用,特斯拉3型使用挤压冷却剂冷凝器箱。储罐的中空部分在一侧挤压出一个宽凸缘,然后冲压以消除多余的材料并形成一个安装点。

    图7。替代能源挤压管材。(来源:阿尔玛

    除了特定于电池的应用之外,铝挤压还可以应用于控制系统外壳和电机外壳。对于铝挤压,贝氏体交流电机的外壳似乎是一个有前途的应用场所。与电池一样,热量管理也是一个关键因素,带有周向冷却孔的多个空腔(例如重型卡车电动驱动装置的这种设计(图8))可以很好地完成这项任务。这种特殊的套管包括20个冷却通道(除了单独的油孔);通道也有锯齿状的内部,类似于冷却管,可以增加12%的有效冷却表面积。

    图8 .额外的电机外壳(左)和高压压铸电机外壳(右)的示例。(资料来源: almag。)

    但是,电机通常与控制机构、功率逆变器支架等一起包装。因此,他们倾向于使用更复杂的高压压铸外壳。

    你选择哪种材料加工形式?

    虽然很明显铝在汽车电气化中起着重要的作用,但不确定挤压成型是否会成为首选。Novelis推出了一款铝片结构的电池外壳。如上所述,铸件在电机外壳(以及可能的电池外壳)中可能发挥重要作用。然而,Novelis将其薄板设计定位为最适合“高容量”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有吸引力的解决方案。除了挤压设计和加工灵活性外,还应考虑工具成本和交付时间。最近对SUV或皮卡电池盒的评估显示,铸模成本超过75万美元,交货时间接近一年。相比之下,基于挤压的设计需要8到10种不同的型材,总投资不到美元,交付时间约为6周。特别是在如此快速开发设计的情况下,开发速度和工具成本是令人信服的。

    结论

    尽管BEV在北美市场的渗透速度仍有很多不确定性,但福特、通用汽车和其他公司对这一技术的承诺无疑表明机会是真实的。尽管最终材料的选择仍不确定,但同样清楚的是,至少在短期内,挤压铝型材有很大的应用空间。大型车辆铝挤压电池外壳的重量在100到125磅之间,而其他部件需要不断减轻。因此,BEV市场无疑将增加汽车挤出的使用。

    来源:作者:林恩布朗,咨询公司,阿尔马格铝业公司。翻译和整理汽车轻量化产业链。

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