1) На повестке дня IABC доминировала тема концепций корпуса аккумуляторной батареи
2) План по увеличению размера аккумуляторной батареи электромобиля и применению материалов с меньшей стоимостью
3) Перспектива за использованием комбинации материалов
4) Выравнивание стоимости электромобилей и автомобилей с двигателем внутреннего сгорания к 2024 году
5) Производство инновационного профиля методом трёхмерного роликового профилирования и 3D-печати

Кузов Chevrolet Corvette 2020 года

На повестке дня конференции IABC доминировала тема концепций корпуса аккумуляторной батареи 

Концепция корпуса аккумуляторной батареи электромобиля стала наиболее обсуждаемой темой конгресса IABC 2019 года. Для обеспечения потребности в увеличении запаса хода электромобиля аккумуляторные батареи становятся более тяжёлыми (Вт-ч/кг) и энергоёмкими (Вт-ч/л). По многим причинам производители стремятся увеличить число батарейных модулей или элементов в электромобиле.

Однако, с увеличением и утяжелением батарей должно совершенствоваться конструирование кузова, чтобы защитить батарею от проникновения посторонних объектов при столкновении. Непростым испытанием для батарей электромобилей является тест с имитацией бокового удара о столб.

К счастью для автопроизводителей корпус аккумуляторной батареи может выполнять несколько функций: в сочетании с другими элементами пола кузова он обеспечивает дополнительную жёсткость и устойчивость к скручиванию, превосходя по этим параметрам кузов автомобиля с ДВС на 30% (источник: Caresoft Global Inc.).

Было представлено множество концепций для корпуса аккумуляторной батареи, в том числе Концепция дизайна электромобиля Docol, которая позволяет уменьшить высоту конструкции за счёт использования балок, изготовленных методом трёхмерного роликового профилирования.

План по увеличению аккумуляторной батареи электромобиля и использованию материалов с меньшей стоимостью

По мнению Дона Малена, сотрудника Мичиганского университета и компании Bloomberg New Energy Finance, после 2020 года затраты, связанные с применением алюминия с целью уменьшения веса конструкции, превзойдут стоимость дополнительных модулей аккумуляторной батареи. Пользователи заинтересованы в автомобилях с аккумуляторами большой ёмкости, которые имеют достаточный запас хода и вызывают меньше беспокойства по этому поводу».

С увеличением аккумуляторных батарей более острой становится потребность в использовании кузовных компонентов из сверхпрочной прогрессивной стали, способной поглощать дополнительную энергию автомобиля большей массы.

Алюминиевые корпуса проигрывают в стоимости версиям из прогрессивной высокопрочной или сверхпрочной стали с разницей в 88 – 110 долларов США для одного автомобиля. (Расчёт для показательного предприятия, которое на протяжении 5 лет производит 200 000 автомобилей в год, с учётом стоимости материала, затрат на формовку, сборку и нанесение электростатического покрытия.)

На конференции IABC докладчики предположили, что в будущем разница в цене увеличится, поскольку корпус аккумуляторной батареи электромобиля увеличится в размере, а инженеры находят новые решения для применения прогрессивной высокопрочной и сверхпрочной стали. При переходе на сталь, рекомендуется не повторять конструкцию алюминиевого корпуса, а вместо этого, опираясь на свои производственные возможности, в максимальной степени использовать преимущества прогрессивной высокопрочной стали, например, внедрив процесс трёхмерного роликового профилирования.

Обеспечение минимального веса конструкции имеет критически важное значение даже в случае больших, мощных и тяжёлых аккумуляторных батарей. Производители будут стремиться частично компенсировать дополнительный вес аккумулятора большой ёмкости. При этом оптимизация веса конструкции за счёт использования прогрессивной высокопрочной и сверхпрочной стали является более выгодным с экономической точки зрения решением по сравнению с алюминием и углепластиком, которые отличаются к тому же значительным количеством выбросов парниковых газов. Вероятно, через несколько лет мы будем чаще встречать энергоёмкие батареи с твёрдым электролитом. Они будут легче ионно-литиевых аккумуляторов, однако будут дороже них. Это означает, что в обозримом будущем конструкторы всё же будут отдавать предпочтение прогрессивной высокопрочной и сверхпрочной стали.

Перспектива за комбинированным использованием материалов

В настоящее время в конструкции кузова некоторых автомобилей премиум-класса (Tesla X, S и 3, BMW i3, Jaguar I-Pace и др.) используется большое количество алюминия, тогда как более экономичные модели (Renault Zoe, Nissan Leaf, Chevy Bolt) ориентированы на сочетание материалов с акцентом на применение стали.

В конструкции кузова автомобилей премиум-класса всё ещё используется большое количество алюминия, однако перспективным кажется совсем другой подход: наблюдается тенденция к использованию комбинации материалов, каждый из которых решает конкретные задачи.

Примером может быть спецификация материалов для кузова Ford Explorer 2020 года:
мягкая сталь – 24,2%,
высокопрочная сталь – 21,4%,
прогрессивная высокопрочная сталь – 13,1%,
сверхпрочная сталь – 9,2%,
сталь для закалки под прессом – 25,2%,
формованный алюминий – 0,1%,
экструдированный алюминий – 3,7%,
литой алюминий – 2,1%,
литой магниевый сплав – 0,5%

Компания Ford представила свой подход по оптимизации топологии кузова с анализом структуры основных и верхних путей нагружения, а также балок, работающих на сжатие и растяжение. В автомобилях Ford Escape/Kuga 2020 года используется конструкция с комбинированной основой, которая трансформирует ударную нагрузку в сжатие и растяжение, обеспечивая минимальный изгиб компонентов.

Передняя и задняя нижняя части кузова, стойки, продольный брус крыши и другие ключевые компоненты моделей Escape и Kuga 2020 года были индивидуально спроектированы для основных региональных рынков. В каждом случае комбинация выполненных в соответствии с местными требованиями компонентов имела оптимальный вес.

В итоге модели Escape и Kuga 2020 года стали легче своих предшественников. Особенности их конструкции:

• масса уменьшена на 90 кг, за счёт использования прогрессивной высокопрочной и сверхпрочной стали кузов стал легче на 5 кг;
• повышен уровень удобства для пассажиров, за счёт эффективного разделения и совмещения секций увеличена вместимость отделения для грузов;
• по сравнению с прежними моделями на 10% повышена устойчивость к скручиванию и на 12% улучшены характеристики статического изгиба гибридного автомобиля;
• невысокая стоимость конструкции обеспечена за счёт применения прогрессивной высокопрочной и сверхпрочной стали малой толщины.

Выравнивание стоимости электромобилей и автомобилей с двигателем внутреннего сгорания к 2024 году

Ожидается, что благодаря удешевлению ионно-литиевых аккумуляторных батарей стоимость электромобилей к 2024 году окажется на уровне стоимости автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, даже без государственных налоговых льгот. Перед нами изменения, которых ждали потенциальные покупатели электромобилей: недорогие автомобили, способные преодолеть значительное расстояние, работающие на дешёвой и экологичной энергии.

• Уже сегодня можно заметить выравнивание цен на рынке автомобилей среднего уровня, например, Tesla 3 (модель 2019 года) стоит от 36 600 до 61 100 долл. США, тогда как BMW 330i xDrive (модель 2019 года) – от 41 245 до 61 945 долл. США.
• Стоимость аккумуляторных батарей опустится до 94 долл. США за кВт-ч к 2024 году и до 62 долл. США за кВт-ч к 2030 году (данные Bloomberg NEF).
• В Европе поставлена цель к 2030 году получить аналог автомобилям с расходом 92 мили на галлон топлива.
• Сегодня во многих регионах электроэнергия, полученная от солнечных батарей, имеет эквивалентную или сниженную стоимость в сравнении с электроэнергией, полученной от сжигания природного газа.
• Планируются значительные инвестиции в электрификацию инфраструктуры (зарядные станции, встроенные системы зарядки на дорогах и стоянках и т.п.). США имеет 60 000 зарядных станций и пытается нагнать лидеров – в Китае, где пользование электромобилями предписано законом, действует 900 000 зарядных станций.

Другими словами, к 2022 году стоимость аккумуляторных батарей уменьшится до приблизительно 100 долл. США за кВт-ч, что сделает электромобили более привлекательными для покупки, при этом стандартные модели смогут преодолевать более 600 км.

Производство инновационного профиля методом трёхмерного роликового профилирования и 3D-печати

В автомобиле Ford Explorer 2020 года используется предложенная компанией Shape Corporation технология 3D Sweep Forming, которая за счёт роликового профилирования обеспечивает формование компонентов в различных плоскостях и направлениях. Скорость подачи в этом случае определяется минимальной скоростью используемой в производственной линии индукционной сварки. В процессе трёхмерного роликового профилирования, который применяется в производстве автомобиля Ford Explorer 2020 года, осуществляется формование мартенситной стали в составные конструкционные компоненты, сформированные из оптимизированного закрытого профиля с изгибами в различных плоскостях.

Технология Shape 3D Sweep предусматривает минимальный радиус гибки (от 400 мм), при этом минимальная переходная зона для смены радиуса составляет всего 100 мм. Чтобы повысить эффективность процесса и обеспечить гибкость оборудования в использовании, процессы гибки и роликового профилирования разделены.

Компания SSAB делает акцент на 3D-профилировании также при изготовлении корпуса аккумуляторной батареи на основе Концепции дизайна электромобиля Docol. За счёт трёхмерного роликового профилирования может быть изготовлено несущее основание из балок с фиксированной и свободной частями. При совмещении в сетку перпендикулярно расположенные и повёрнутые разными сторонами профили не создадут двукратное увеличение высоты, сохраняя свободное место в пассажирском салоне.

Посетители конференции были поражены возможностями, которые открывает технология послойного синтеза (3D-печать) в изготовлении сложных инновационных компонентов кузова. Одним из примеров служит поворотный кулак, вес которого с помощью 3D-печати был уменьшен на 58%. На данный момент послойный синтез является решением для моделей мелкосерийного производства, где затраты на производственную оснастку (от 250 000 долл. США) и оптимизацию веса превосходят стоимость 3D-печати. 3D-печать всё ещё слишком медленная для производства многих компонентов, однако развитие этой технологии происходит угрожающими для ряда производственных процессов темпами.