新エネルギー車向け軽量アルミ合金開発の現状

 

新エネルギー車の軽量化への技術的アプローチ

 

現在、軽量新エネルギー車には主に3つの技術的アプローチがあります。
① 材質は軽量で、主に高強度鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、複合材料を使用しています。
②構造的に軽量化、主にサイズや形状、トポロジーなどを最適化します。
③ 油圧成形工程、レーザー接合成形工程などの先進的な製造工程を主に用いて軽量化を図ります。

 

新エネルギー車向け軽量アルミ合金材料の利点

 

現在の軽量化材料の中で、アルミニウム合金は高強度鋼に比べて強度が高く、車体の重量を最大限に軽減でき、軽量化効果も良好で、耐腐食性が強く、リサイクルの難度が低く、リサイクル率も高く、グリーン環境保護の利点があり、自動車産業チェーンにおけるアルミニウム資源のリサイクルと再利用を実現できます。アルミニウム合金はマグネシウム合金に比べて強度が高く、加工も容易で、現在のマグネシウム合金は主にMg-Al合金であり、アルミニウム合金を直接使用する新エネルギー車の価格は低くなっています。アルミニウム合金はチタン合金に比べて加工パラメータに対する感受性が比較的低いです。

 

そのため、アルミニウム合金の応用はコスト面でより大きな利点があります。プラスチックや炭素繊維などの複合材料と比較して、アルミニウム合金は、複合材料の実際の研究開発と応用のレベルが低く、大量生産できないため、大規模応用の見通しがより大きくなっています。そのため、アルミニウム合金は現在、新エネルギー車の軽量化材料として好まれており、新エネルギー車の品質、安全性、経済性を確保しながら、車両の重量を軽減し、車両の航続距離を延ばしています。

 

 

新エネルギー車用アルミニウム合金成形技術

 

新エネルギー車用アルミ合金の成形技術は、主に鋳造成形技術と半凝固成形技術に基づいています。このほか、押し出し成形、鍛造成形などがあります。鋳造成形技術は、新エネルギー用アルミ合金にとって最も重要な成形技術であり、圧力鋳造、押し出し鋳造、精密鋳造などが含まれます。その中でも、ダイカスト成形技術で成形されたアルミ製品は、スクラップ率が低く、成形寸法精度が高く、成形品質が良好で、最も広く使用されています。半凝固成形技術は新しい成形技術です。アルミ合金が固体と液体の間の半溶解状態にあるとき、より良い充填を得ることができます。それに応じて成形すると、成形精度が向上し、より良い成形効果が得られます。ただし、この技術はまだ成熟して適用されておらず、アルミ合金製品の量産には使用できません。

 

軽量新エネルギー車におけるアルミニウム合金の分類

 

新エネルギー車に使用されるアルミニウム合金は、主に鋳造アルミニウム合金、異形アルミニウム合金、発泡アルミニウム材料、アルミニウム系複合材料に分けられます。鋳造アルミニウム合金の成形品質は安定しており、大量生産に適しています。自動車のアルミニウム製品の77％は鋳造アルミニウム合金です。鋳造の形で成形されるため、ホイールやブレーキディスクなどの複雑な新エネルギー車の部品に広く使用されています。異形アルミニウム合金は、強度と可塑性が高く、構造が緊密で、組成が均一です。純アルミニウムまたはAI-Sシリーズ合金に代表される非熱処理異形アルミニウムと、AI-Mg-Siシリーズ合金に代表される熱処理異形アルミニウムの2種類に分けられます。

 

車のドア、バンパー、熱交換器などの新エネルギー車の部品に広く使用されています。多孔質材料である発泡アルミニウムは、金属マトリックス内に気泡が存在するため、優れた衝撃吸収性と減衰性を備えています。新エネルギー車の一部の支持部品に使用され、対応する部品の衝突安全性を向上させています。非強化金と比較して、アルミニウムベースの複合材料は軽量で耐摩耗性に優れています。過酷な作業条件に適しており、高電圧バッテリーシステムの部品に使用されています。

 

 

新エネルギー車は主に電気駆動システム、電源システム、補助システムの3つの部分で構成されています。新エネルギー車の車体、シャーシ、バッテリーボックスなどにアルミニウム合金が広く使用されています。

 

新エネルギー車体の軽量化応用

 

新エネルギー自動車では、車体重量が大きな割合を占めています。車体にアルミニウム合金材料を使用すると、車両の重量を軽減しながら走行距離を延ばすことができます。新エネルギー自動車の車体用アルミニウム合金板は、主に6014、6016などの6-シリーズのアルミニウム合金です。6-シリーズのアルミニウム合金は、成形性、ヘミング性能、塗装ブラッシング、ベーキング性能に優れており、車体表面に除去できない波紋が形成されにくいため、WeilaiやTeslaの全アルミニウム車体など、車体の外装カバーに広く使用されています。

 

5-シリーズのアルミ合金は成形性に優れ、複雑な部品の成形が容易で、ランドローバーディスカバリー4の5-シリーズのアルミ合金リアドアインナーパネル、メルセデスベンツSクラスの5-シリーズのアルミ合金ドアインナーパネル、グレートウォールVV7のボンネットアウターパネルなど、新エネルギー車の構造部品や内装材の優先素材です。しかし、5-シリーズの素材は成形工程で線ができやすいため、成形工程で制御する必要があります。また、新エネルギー車の車体のアルミニウム含有量が増えるにつれて、アルミ合金成形技術、メンテナンスなどの車体応用の研究を増やし、アルミ合金車体の製造コストを削減し、低価格の新エネルギー車にもアルミ合金車体を普及させる必要があります。

 

新エネルギー車シャーシの軽量化応用

 

自動車のシャシーは、主に伝動システム、駆動システム、操舵システム、制御システムの4つの部分で構成されています。従来の自動車と比較して、新エネルギー車の伝動システムは、元のエンジンベースの伝動から、シングルモーター伝動、メインモーター+ホイールハブモーター伝動、デュアルモーターデュアルシャフト伝動の3つの方式に変更されました。また、新エネルギー車の回転システムとブレーキシステムも変更されました。新エネルギー車はエンジンを取り消したため、元の油圧パワーステアリングは電動パワーステアリングに変更され、油圧真空ブースターポンプは電動真空ブースターポンプに変更されました。

 

そのため、新エネルギー車のシャシーの役割は、従来の自動車シャシーの役割と同じです。違いは、エンジンの支持と取り付けの位置が、主にバッテリーモジュールユニットで構成されるモーターパワートレインの支持と取り付けに変わったことです。現在、自動車シャシーの主な材料はTRIP鋼です。そのため、新エネルギー車のシャシーの設計プロセスでは、TRIP鋼材料の代わりにアルミニウム合金を選択して、軽量自動車の設計を実現できます。現在、アルミ合金鋳物YL118、ZL119、ZL120なども自動車シャシーによく使用されています。たとえば、米国のフォードモーターカンパニーは自動車のブレーキディスクにアルミ合金を使用し、キャデラック、ランドローバーなどは自動車のサスペンションシステムにアルミ合金を使用し、NIOは高真空ダイカスト技術を使用してアルミ合金ショックアブソーバータワーを製造しています。

 

新エネルギー車用バッテリートレイの軽量化

 

従来の燃料車と比較して、動力電池は新エネルギー車の独特な動力システム部品です。新エネルギー車において、動力電池は車両総質量の約30％を占め、そのうち電池ボックスの重量は動力電池の重量の約20％を占めています。そのため、動力電池ボックスの軽量化を実現するのが一般的な傾向です。アルミニウム合金材料は、密度が低く、放熱性が良く、化学的性質が安定しており、ダイカスト性に優れているなどの利点があり、電池ボックス材料の応用の主流となっています。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

現在、新エネルギー車のバッテリーパックのボックス構造は、主に上部ボックスカバー、バッテリートレイ、下部シェルで構成されています。バッテリーパックの耐荷重部品として、バッテリーパックの下部ボックスの構造とレイアウトが合理的であるかどうかは、バッテリーパックの寿命に直接関係しています。そのため、下部ボックスのアルミニウム合金プロファイル構造の設計では、スタンピングプロセス中に軽量化と適度な薄肉化を考慮するだけでなく、路面の複雑さと新エネルギー車の運転中に起こり得るさまざまな衝突形態を考慮し、対応する領域の構造を最適化し、補強リブを適切に増やし、ボックスの剛性を向上させ、衝撃による変形を効果的に回避する必要があります。たとえば、テスラ、BYD、CATL、Weilaiなどはすべて、対応する下部ボックスを生産しています。アルミ製バッテリーボックス軽量化と高強度化の目標を達成電池ボックス。

 

 

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