半岛综合体育【技术帖】铝合金在新能源汽车工业的应用现状及展望摘要：汽车轻量化是全世界汽车工业的发展方向，而汽车轻量化的首选材料是铝合金。铝合金材料在汽车上的应用对解决我国能源短缺、环境污染、运输效率低下具有很重要的意义。分析了铝合金材料在新能源汽车轻量化中的应用，介绍了新能源汽车的快速发展将给铝合金材料的发展带来巨大的市场前景，指出铝合金等轻质材料的应用及新型结构设计是新能源汽车安全、节能、环保等核心的技术优势和主要的轻量化措施。

　　近20年来，世界性能源及环境问题变得越来越严重，这使得减轻汽车自重、降低油耗成了各大汽车生产企业提高竞争能力的关键。在各行业的石油消耗中，汽车工业是耗油大户。由此引起的交通运输的温室气体排放量仅次于电力工业。因此，汽车工业节能减排对于一个国家的能源供应、环境保护乃至于都具有重要的意义。

　　新能源汽车的发展是低碳经济重要组成部分，对缓解能源供需矛盾、改善环境、促进经济可持续发展有着重要的推动作用。发展新能源汽车已经成为世界各国的共识，中国为实现“到2020年单位国内生产总值C02排放比2005年下降40％-45％”的目标和汽车产业“弯道超车”的历史使命，将新能源汽车列入七大战略性新兴产业之中。2012年国务院正式发布了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》，将电动汽车作为新能源汽车的主攻方向。到2020年，我国纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力将达200万辆、累计产销量超过500万辆，燃料电池汽车、车用氢能源产业与国际同步发展。

　　2013年，我国汽车销量超过2000万辆，同比增长超过13％，其增速远高于经济和人口增长的速度。汽车产业的发展在给人民生活带来便利的同时，也产生了资源、安全和环保三大问题，给可持续发展带来严峻的挑战。对汽车工业来说，降低油耗的主要方法有：减轻重量占50％。提高发动机效率占20％，降低行驶阻力占30％，其中最有效的方法是汽车轻量化。轻量化材料对汽车的发展起着重要的作用，同时也使新能源汽车朝更高性能的方向发展。目前汽车轻量化主要可通过采用形状轻量化(如采用发泡材料型芯的三明治结构)、材料轻量化(如纤维复合材料和铝、镁合金材料)、制造轻量化(如内高压成形和整体构造成形)、设计轻量化(如结构虚拟仿真模拟分析)、功能轻量化(如功能集成和优化)综合运用来实现。新能源汽车产业的发展主要涉及两个方面：一是新能源领域中的动力电池；二是新材料领域中的汽车轻量化材料。新能源汽车通过使用全铝车身可以使汽车通过减重增加续航能力，而且减少电池成本，使得整体的制造成本更低，获得更好的经济效益。研究表明，约75％的油耗与整车重量有关，降低汽车重量就可有效降低油耗及排放。表1列出了汽车轻量化后对降低燃油及排放的作用。从表1可以看出，汽车重量每下降10％，油耗下降8％，排放降低4％。

　　世界范围内铝材应用分布见图1。从图1可以看出铝材在交通运输领域用量最大。铝合金自进入汽车工业领域后发展迅速，用量逐年增加。目前，美国、日本、德国是汽车采用铝合金最多的国家，如德国大众AudiA8、A2，日本的NXS等车身用铝合金量达80％。新能源汽车与传统汽车不同，是采用新能源作为动力来驱动汽车运行，其受动力电池重量、动力电池续航里程的制约以及汽车节能减排政策的限制，在车辆设计和材料应用上，其车体轻量化成为车企首先要考虑的问题半岛综合体育，在一些部件采用铝材成为新能源汽车制造企业的首要选择。奥迪A8LHybird采用的混合动力系统的电池组、电机等组件增加了额外的130kg的负重，不过由于其使用了全铝车身框架结构车身，该车整车质量只有2035kg；而东风全铝车身混合动力公交车，与国内同类钢制车身相比，铝合金车身减重40％，使该车的整车质量较同类客车减少15.2％。特斯拉ModelS为了较长的续航能力，搭载了500kg电池组，因此必须通过减轻车身降低整车质量，ModelS的车身95％以上采用铝材。北美的单车用铝量2014年已达到约158kg／辆；2015年欧洲小车的用铝量达到300kg／辆；而目前中国每辆汽车平均用铝仅约为115kg／辆。一般家庭用车用材构成为：钢为54％，铸铁为10％，塑料为8％，铝合金为8％，镁合金为1％，橡胶、玻璃为7％，其他为12％。铝合金在新能源汽车市场上还有极大的提升空间。

　　选取中国知网(CNKI)数据库，采用“新能源汽车+铝”的组合为检索词对2017年之前我国专利及论文产出进行了检索，结果如图2所示。从检索结果可以看出，关于铝合金在新能源汽车轻量化方面的研究在逐年增多。

　　铝合金密度小、耐蚀性好、塑性优良，从生产成本、零件质量、材料利用、制造技术、机械性能、可持续发展等方面具有其他轻量化材料无可比拟的优越性，因此铝合金将成为汽车工业中的首选轻量化材料。

　　1) 减重效果明显。铝的力学性能好，密度小，具有良好的导热性，表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性，成为实现汽车轻量化最理想的首选材料。而且，铝合金带来的轻量化又允许制动器等零部件减重，即实现二次轻量化。据美国铝业公司的数据，汽车中典型的铝质零件的-次减重效果可达30％～40％，二次减重可提高到50％。

　　2) 吸收冲击能力强。铝的吸冲击能力是钢的2倍，在碰撞安全性方面有明显的优势。另外，铝合金汽车是在不降低汽车容量的情况下减轻汽车自重，车身重心减低，汽车行驶更稳定、舒适。

　　3) 易于回收。在使用过程中仅发生轻微的腐蚀，且铝合金熔点低，便于重熔回收，回收率高于80％。60％以上的汽车用铝合金材料为再生铝，回收生产1t铝合金要比重新生产1t铝合金少耗能95％，铝的损耗也仅5％左右，采用铝所节省的能量是生产该零件所用原铝耗能的6～12倍。

　　4) 装配效率高。铝合金汽车整体构架，焊点少，减少了加工工序，铝合金整体车身比钢铁焊接车身约轻35％，且无须防锈处理，只有25％～35％的部件需点焊，因而可大幅度提高汽车的装配效率。

　　汽车用铝合金主要包括轧制材、挤压材、锻造材、铸造铝合金。目前各类铝合金在汽车上使用比例大致为：铸铝77％，轧制材10％，挤压材10％，锻压材3％。新能源汽车用铝合金的部件主要有车身、车轮、底盘、防撞梁、地板、动力电池和座椅。车身包括用高性能铝型材制作的车身骨架和用高精铝板制作的蒙皮及车门，铝合金车轮、底盘包括高强度大截面铝型材结构件和铝合金锻件，用铝型材制作的防撞梁保险杠、新能源客车地板、锂离子电池、铝离子电池(包括电池正极铝箔、电池铝壳和电池铝托盘)、新能源客车座椅系统等。铝合金材料在新能源汽车上的应用，因不同的车企理念，不同的车型设计而有所不同，全铝车身新能源车的用铝量很大。

　　铸造铝合金主要用于制造新能源汽车发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件，如轿车发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等几十种零件。轧制材、锻造材、挤压材等变形铝合金主要用于汽车车身，如发动机罩、车顶棚、车门、翼子板、行李箱盖、地板、车身骨架及覆盖件。新能源汽车所用铝合金主要为2×××系、3×××系、5×××系、6×××系和7×××系铝合金。其中2×××系铝合金主要是车身，3×××系铝合金主要应用于热交换器和动力电池壳体，5×××系铝合金主要应用车身板，6×××系铝合金主要应用于挤压型材和各种动力、悬挂部件等。散热器用材料主要由3×××系、4×××系、7×××系或6××x系铝合金复合而成。3×××系铝合金因冲压性能好、屈服比低、硬化指数高、塑性指标大、变形抗力小、厚向异性指数低等优点，通常作为动力电池的外壳。电池外壳用板料要求铝合金具有更优良的加工成形性。图3为新能源汽车结构件可用铝合金部位。表2列出了新能源汽车结构件中常用铝合金材料牌号及主要性能要求。

　　汽车车身约占总质量的30％以上，减轻车身的重量对轻量化非常重要。铝制车身比钢结构车身质量性能提高23％，扭曲刚性提高74％半岛综合体育，抗弯性能提高62％。铝合金汽车车身板除了满足标准与规范要求的力学性能和抗腐蚀性能外，还要具有良好的成形性、可焊性、抗时效稳定性、油漆光鲜均匀性、抗凹性、表面平整性和优良的烘烤硬化性等。

　　奥迪公司于1994年和1999年分别推出A8和A2全铝轿车，使这两款车的车身质量比传统钢制车身减轻43和50％，使平均油耗降至每百公里3升的水平。美国铝业公司、加拿大铝业公司及神户钢铁公司都开发了5×××系和6×××系变形铝合金汽车板，并已批量生产和应用。我国西南铝业公司、东北轻合金公司、南山铝业公司等企业也积极进行汽车板的研究和生产半岛综合体育。目前车身板主要以5×××系和6×××系铝合金为主。汽车内板材料要求主要是深冲成形性和接合性(焊接和连接)，以使用5×××系合金和部分6×××系的合金为主。外板要求强度较高，因而目前汽车外板主要采用可热处理强化6×××系铝合金。国内外汽车板采用较多的铝合金牌号有:AA6016、AA6022、AA6111、AA6005、AA6009、AA6010、AA5182、AA5754、AA5052等。如：PlymouthProwler采用6022铝合金作车身板，AudiA8采用6016铝合金作车身板，AcuraNSX使用5052铝合金作为车身以及6×××系铝合金作为外部面板，JaguarXJ220和GMEV1采用5754铝合金作为车身覆盖件材料，国内变形铝合金的物理和力学性能与国外的有差距，尤其是冲压性能。

　　发动机-般约占整车重的18％，发动机气缸体占整个发动机重量的25％左右。美国通用汽车公司采用全铝缸套，法国汽车的铝气缸套普及率已达100％，铝气缸体达45％。通用公司在悬挂系统使用了铝合金部件，还加大子悬挂系统转向节的制造中以铝替代铸铁的规模。发动机的活塞、散热器、油底壳、气缸体和气缸盖、曲轴箱、连杆、滤清器等部件上都可采用铝合金材料。5×××系铝合金具有高强度、高成形性、高耐腐蚀性和高表面处理性以及焊接性能好等优点，因此广泛被用于汽车油箱、结构件及发动机内盖板。在汽车上被采用的5×××系铝合金板材-般是以5052、5182铝合金以及各铝业公司自主开发的5×××系铝合金高成形性材料为主。汽车悬架零部件所使用的合金以6061-T6铝合金为主。6A02-T6、6060-T4、6082-T6铝合金可以作为汽车防撞梁用型材，铝保险杠可以达到轻量化的目的。

　　美铝公司对锻造铝合金进行大量研究实验表明：锻造铝合金车轮具有强度高、抗冲击性能高、导热性好、抗腐蚀性好、尺寸精度高、使用安全、可减少纵向和横向的振动、维护费少、高回收等优点，是新能源汽车车轮今后的发展方向。铝合金车轮的温度可以比钢制车轮低10℃～15℃，从而可降低轮胎偏差和温度，使轮胎寿命延长10％·13％，增加了行车的安全性。轻型车使用铝合金车轮比传统钢制车轮轻30％～40％，中型汽车可轻30％左右。随着汽车采用ABS普及率的提高，为了减轻非悬挂件重量和减轻刹车系统的负荷，铝合金车轮的使用正变得越来越普及。因此，在车轮制造业中，已有越来越多的厂家采用铝制车轮。据统计，目前铝合金车轮的安装达到45％左右，有的国家已经超过60％。轿车用铝合金车轮适用的铝合金有A3562、AC4C、H5052、5054、5052和6063铝合金等。美国、加拿大、欧洲、南非、澳大利亚等国家商用车大都配装了锻造铝合金车轮。我国秦皇岛戴卡轮毂股份有限公司试制了商用车的锻铝合金车轮，并通过了部分使用试验；取得了轻量化和节能减排的效果。

　　新能源汽车的燃料电池车热负荷非常大。在燃料电池系统中，大约有50％的能量转换成热量被散发到大气中去，与传统内燃机33％左右的热负荷相比，对散热器的散热能力提出了更高的要求。这些都需要高性能散热器来辅助。散热性能的好坏对发动机的动力性、经济性和可靠性都有很大的影响。目前，欧洲国家汽车上铝合金散热器的普及率已达到了100％，美国达到65％-75％，日本达到30％-40％。由于低速电动汽车基本可以实现自冷，电机、和电池的热量也可以自己散掉，所以就不需要水箱散热装置，但是对于高速行驶的大功率密度的电动汽车，就必须进行水冷散热，需要配套相应的电动汽车热交换器。图4为新能源汽车常用的散热器的结构。

　　风冷型散热器的基板通常用6063铝合金通过挤压成形，随后将1050铝合金做成的翅片插入镶嵌而成。水冷型散热器是由冷却管和翅片均是由4×××系／3×××系铝合金复合板加工成形后钎焊而成。铝合金复合材是制造汽车散热器等钎焊式热交换器的关键原材料，主要是由2-3种合金经叠合轧制后制成的多层复合材，包覆层(皮材)多为高硅合金或低电位合金，如4004、4045、4047、4343、7072铝合金等，基体(芯材)主要是3003、3003+zn和3004铝合金等。该类复合材料可以通过载气钎焊和真空钎焊，连接散热管及散热翅片，从而实现热交换作用。复合钎焊铝箔制汽车散热器重量比铜箔的约轻37％～45％，比铜制散热器轻20％-30％，热交换效率高12％。表3为新能源汽车散热器所用材料的对比。

　　用铝及铝合金制造的新能源汽车充电设施等装备的零部件有锂电池壳(薄板)，挤压材制的有电子驱动装置、变速器、变流器、发生器、压缩机壳(铸造及挤压材)、储氢装置、电池充电器、超级电容器壳(挤压材)。为了增加续行里程，新能源电动汽车需要大量的锂电池组合模块，每个模块都是由若干个电池盒组合而成，这样，每个电池盒的质量大小对整个电池模块的质量影响很大。因此，采用密度低、强度高、拉伸成形性和焊接性能好的3003铝合金材料来制作电池壳体成为动力电池封装的必然选择。3003铝合金材料具有易加工成形、良好的高温耐腐蚀性、传热性和导电性而被选为汽车动力电池铝壳。相对于不锈钢壳，可以省去盒底焊接工艺。此外，由于铝和锰的沸点温度相差不大，在进行焊接时就不会出现因为金属元素烧损而导致焊缝质量下降等问题。图5为方形和圆形动力锂电池铝壳。

　　铝和铝合金已经广泛用于新能源汽车，特别是汽车动力和悬挂部件、汽车车身、热交换器部件、动力电池外壳、电池盖帽等方面，被汽车工业看好，用量会在短时间内迅速增长。预计到2020年，中国新能源汽车的保有量将达到500万辆。随着原料成本的降低、成形技术的进步、防腐工艺的提高，铝合金在新能源汽车中也将扮演越来越重的角色。高强度汽车用铝合金、铝基复合材料、超塑性铝合金、粉末冶金铝合金、固体泡沫铝合金等新型铝合金材料的开发和应用，势必进一步扩大铝合金材料在汽车工业用材中的使用份额。在汽车中扩大铝合金的应用将会产生巨大的经济效益和社会效益，但在制造技术及应用方面，铝材料还面临一些问题。

　　1) 加工性能。铝合金的加工难度目前比钢材要大，成形性还需继续改善，铝合金板材的性能尚需提高。

　　2) 材料成本。铝材价格大致是钢材的3.5倍左右，铝合金应用虽然提高了汽车综合性能，但同时也提高了整车成本。西方国家已大批量生产的6011、6016铝合金汽车覆盖件板材的市场价格为38000元/t，而汽车钢板的市场价格仅为8000元/t，扣除密度的差异，铝合金覆盖件的材料成本仍然比钢覆盖件的材料成本高出许多。

　　3) 研发风险。使用铝合金板代替原来的钢板，必须投入相当的实验费用研究新的生产工艺和流程，而新产品在批量投人使用前还需进行大量的实验以满足使用要求，必要时还需更换其现有的生产设备、模具等，这些都会增加企业的成本和风险。

　　4) 运输及维修。因为铝比钢软，在生产和运输中的碰撞和各种粉尘附着等原因都可能使铝制零件表面产生碰伤、划伤等缺陷。维修市场对经碰撞后的铝合金结构件和覆盖件的复原、恢复原则以及开裂后的补焊等均缺乏经验和方法。

　　5) 标准体系。目前新能源汽车国家标准不完善，很多车型在示范推广时需车的用户与车辆生产企业对产品技术标准进行协商，缺乏相关基础，不利于行业健康有序发展。

　　新能源汽车用铝材今后的发展将集中在两方面。是新工艺，改善现有加工技术，不断改进熔铸工艺及热处理工艺，进一步完善铝型材、铝板材的加工、成形、连接工艺，提高车用铝材的安全可靠性和实用性。二是新品种，目前已开发出了快速凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、纤维增强型铝合金、泡沫铝材等，另外高强度高韧性铸造铝合金、铝基复合材料等也在研究之中。因此改进现有铝合金的成分和生产工艺，提高其各项性能与研发新的铝合金今后的主要研发方向。

　　1) 设计方法。研发铝合金零部件的设计方法、结构计算方法以及焊接工艺方法，开发先进的计算机模拟设计软件。用整体型材无框架式结构车身替代板梁框架式结构车身，并建立完整的汽车用铝合金的数据库。作好汽车轻量化应用研究，建立轻量化材料的扩大应用和产业发展的改性发展平台和数据库。

　　2) 新合金开发。轻量化、高性能、长寿命是铝合金材料的发展趋势。开发具有优良的耐蚀性及较高疲劳强度，同时成本较低的新型铝合金挤压型材、压铸材料；开发承压能力高，转向机构及制动器零部件等用的具有良好耐腐蚀性和强度的特种铸造铝合金。考虑到制动器耐热的影响，开发具有良好铸造性能的Al·cu系铸造合金。同时应加强锻铝半固态成形以及高性能的铝合金板材的开发和应用，以满足汽车轻量化和特殊功能要求的-些构件的需求。

　　3) 连接技术。轿车车身大部分的工件都是用焊接组装，而铝的焊接要比钢材难度大得多。铝合金汽车板在汽车覆盖件上应用时的焊接技术，铝合金板材的可焊性通常比钢板要差，如何改进铝合金板汽车覆盖件的焊接性能，提高焊接质量是近年来扩大铝合金在汽车覆盖件上的应用要解决的难题。英国焊接研究所开发了搅拌摩擦焊接技术(FSW)，并和日本Mazda公司共同研制了铝合金的点焊技术(FST)，这种技术具有节能、清洁、质量高、设备简单等诸多优点，已在汽车上扩大应用。今后发展的多材料结构乘用车要求连接两种不同类型的材料(如铸铁-铝、钢-铝、铝-镁等)、对这些连接技术以及对材料和零件防腐蚀的表面处理技术也是今后扩大铝合金在汽车上应用的重要课题。

　　4) 制造技术。如热成形技术、超塑性成形技术、电磁复合冲压成形技术、半固态形成技术、整体型材无框架式制造技术等。近年来半固态成形的工艺多采用触变铸造，目前这类铸造已广泛应用于车轮、-些高压泵体，以提高性能，减轻质量和提高成品率等。

　　5) 评价检测。轻量化的表征、测试方法以及轻量化的设计、材料、先进加工工艺、使用性能之间的关系等诸多问题需要深入研究。另外研究铝合金材料的表面形态、油漆前的前处理、油漆后的防腐效果等问题也是今后新能源汽车的发展方向之-。

　　6) 回收技术。汽车轻量化的发展趋势给铝合金的应用带来了新的发展机遇，但铝合金的成本问题一直是个瓶颈，也阻碍了铝合金在乘用车上的大规模应用。为了促进铝合金在汽车工业的大量应用，开发新的回收再生技术可进一步降低铝合金的生产成本。

　　新能源汽车由于受到电池重量及电池续行里程的影响，车身减重要比传统汽车迫切，在汽车轻量化材料中，铝合金材料综合性价比要高于钢、镁、塑料和复合材料，无论应用技术还是运行安全性及循环再生利用都具有比较优势。新能源汽车用铝量要多于其他汽车，中国新能源汽车的高速发展，必将促进铝材在新能源汽车领域中的广泛应用，相关铝加工企业应关注我国新能源汽车产业的发展，抓住机遇，研发出高性能、适用性强的铝材或深加工铝部件，以满足新能源汽车轻量化的应用需求。从铝合金材料的研发、生产工艺的开发、直到最终实现大规模批量化生产，都要充分考虑产品的成本是否具备优势，性价比是否突出，只有其综合性能、使用成本最大限度地接近汽车钢板，性价比突出，才能充分发挥铝合金的减重优势。