

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
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.
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.
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:
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.
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.
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.