180
Automotive insights 5 kluczowych kwestii wynikających z konferencji IABC 2019 USA
Docol® - stal motoryzacyjna

5 kluczowych kwestii wynikających z konferencji IABC 2019 USA

Główne wątki z Międzynarodowego Kongresu Motoryzacyjnego (Detroit IABC 2019)

1) Koncepcje obudowy baterii zdominowały agendę kongresu IABC
2) Plany większych baterii EV i tańszych materiałów
3) Materiały mieszane są i pozostaną
4) Parytet cen do 2024 r.: Pojazdy BEV i ICE
5) Walcowanie 3D i drukowanie 3D dla uzyskiwania nowoczesnych profili

Konstrukcja modelu Chevy Corvette 2020
Konstrukcja modelu Chevy Corvette 2020

Koncepcje obudowy baterii zdominowały agendę konferencji IABC 

Najważniejszym tematem — jak dotąd — na kongresie IABC 2019 w USA były obudowy baterii do pojazdów BEV. Aby sprostać potrzebom rosnącej oferty pojazdów BEV, ogniwa baterii stają się coraz wydajniejsze (Wh/kg) oraz wykazują o wiele wyższą gęstość energii (Wh/litr). Z wielu powodów, znaczenie biznesowe dla producentów OEM ma teraz dodawanie kolejnych ogniw/modułów baterii do swoich pojazdów BEV.

Jednak im większe i cięższe baterie dostajemy, tym bardziej konieczna jest twórcza inżynieria konstrukcji (Body in White: BIW), aby bezpiecznie chronić ogniwa przed zgniotem w trakcie zderzenia. Szczególnym wyzwaniem dla baterii BEV jest test uderzenia bocznego.

Na szczęście dla projektantów, obudowy baterii spełniają również wiele innych funkcji: w powiązaniu z pozostałą konstrukcją podłogi BIW, zwiększają sztywność oraz sztywność skrętną, podwyższając ich wartości o 30% w porównaniu z samochodami spalinowymi (ICE) (źródło: Caresoft Global Inc.).

Zaprezentowano wiele koncepcji obudów baterii, w tym Koncepcję Projektową Docol EV dzięki funkcji oszczędzania wysokości, belek walcowanych w 3D.

 

Zaplanuj większe baterie EV i tańsze materiały

Po 2020 r, lekkość uzyskiwana dzięki aluminium stanie się droższa niż dodawanie większej liczby modułów baterii, tak twierdzi Don Malen z University of Michigan i Bloomberg New Energy Finance. Konsumenci zdecydowanie potrzebują większych akumulatorów dla zyskania większego zasięgu i obniżenia poziomu „lęku przed odległością”.

Większe baterie będą wymagały, żeby nadwozia BIW były konstruowane z wykorzystaniem stali o bardzo wysokiej wytrzymałości (UHSS), aby zaabsorbować zwiększoną energię ze względu na większą masę pojazdu.

Aluminiowe obudowy baterii pozostają już teraz w niekorzystnej cenie w porównaniu do obudów wykonanych ze stali AHSS i UHSS. Firma konsultingowa ImproValue wskazuje wzrost od 88 $ do 110 $ aktualnej przewagi cenowej przypadającej na pojazd, na korzyść obudowy baterii AHSS/UHSS w stosunku do obudowy aluminiowej. (Założenia: idealny zakład produkcyjny, 200 000 pojazdów/rok; 5 lat produkcji; oraz biorąc pod uwagę koszty materiałowe, procesy formowania, montaż i e-powlekanie).

Prowadzący Kongresu IABC zauważyli, że różnica cenowa prawdopodobnie w przyszłości stanie się większa, ponieważ rosną rozmiary obudów baterii EV, a efekty pracy projektantów stają się coraz bardziej innowacyjne dzięki stosowaniu rozwiązań AHSS/UHSS. Ich zalecenia: nie przestawiaj tak po prostu konstrukcji obudowy z aluminium na stal. Zamiast tego wykorzystaj szczególne zalety stali AHSS w nowych projektach, które wykorzystują twoje istniejące procesy produkcyjne — i rozważ pewne nowe procesy formowania stali, np. walcowanie 3D.

I nawet przy większych, mocniejszych — i cięższych — bateriach EV, lekkość konstrukcji nadal będzie miała kluczowe znaczenie. Na przykład, producenci OEM będą chcieli częściowo zrównoważyć dodatkowy ciężar większych baterii. A lekkość konstrukcji uzyskana dzięki wykorzystaniu stali AHSS/UHSS ma znacznie większy sens ekonomiczny (i ekologiczny) niż przy wykorzystaniu aluminium intensywnie emitującego gazy cieplarniane (GHG) i CRFG. Na szczęście, w ciągu kilku lat zaczniemy obserwować akumulatory półprzewodnikowe o większej gęstości (energii): będą one lżejsze niż baterie litowo-jonowe, ale prawdopodobnie także droższe, więc projektanci w dającej się przewidzieć przyszłości będą chcieli pozostać przy ekonomicznych stalach AHSS/UHSS.

 

Materiały mieszane są i pozostaną

W modelach premium (np. Tesla X, S i 3, BMW i3, Jaguar I-Pace) zastosowano duże ilości aluminium w nadwoziach BIW, zaś w modelach konstruowanych ze świadomością kosztów (Renault Zoe, Nissan Leaf, Chevy Bolt) wykorzystano materiały mieszane, z podejściem intensywnie wykorzystującym stal.

Chociaż w niektórych konstrukcjach BIW samochodów premium nadal stosuje się duże ilości aluminium, przyszłość wydaje się być odwrotna: wykorzystywanie mieszanych materiałów w samochodach będzie o wiele częstsze, w tym materiałów specjalnych rozwiązujących konkretne problemy optymalizacyjne,

np. pouczająca może być lista materiałów dla nowej platformy dotyczącej nadwozia BIW Forda Explorera 2020:
stal miękka 24,2%
stal o wysokiej wytrzymałości 21,4%
zaawansowana stal AHSS 13,1%
stal UHSS 9,2%
stal PHS 25,2%
aluminium stemplowane 0,1%
aluminium wytłaczane 3,7%
aluminium odlewane 2,1%
magnez odlewany 0,5%

Ford zaprezentował swoje podejście optymalizacji topologii nadwozia BIW, w tym analizę polegającą na „interpretacji konstrukcji szkieletu” dla głównej ścieżki obciążenia, górnej ścieżki obciążenia, belek naprężanych i ściskanych. Taka „bioniczna” konstrukcja pomocnicza zastosowana w modelach Ford Escape/Kuga 2020 skutkuje transformacją obciążenia w wyniku uderzenia na rozciąganie i ściskanie — przy minimalnym zginaniu.

Dla modeli Escape/Kuga 2020, kluczowe komponenty — włączając konstrukcję przednią, słupki, reling dachowy i dolną konstrukcję części tylnej — zostały indywidualnie zaprojektowane dla każdego rynku głównych regionów światowych. Podczas gdy te komponenty zostały specjalnie dostosowane tak, by spełniały regionalne wymogi względem wydajności, jako grupa wszystkie one osiągnęły optymalną wydajność masy.

Modele Escape/Kuga 2020 to lżejsze pojazdy w porównaniu z ich poprzednikami. Jego projekt:

  • jest 90 kg lżejszy, z o 5 kg lżejszym nadwoziem BIW, dzięki zastosowaniu stali AHSS i UHSS.
  • Zapewnia lepszą wygodę przedziału dla pasażerów, z większą ładownością, dzięki wydajnemu projektowaniu przekrojów i połączeń.
  • Ma o 12% lepsze statyczne zginanie HEV i o 10% lepszą charakterystykę skręcania w porównaniu z modelem wychodzącym.
  • Zachował swoją przystępność cenową dzięki zastosowaniu w konstrukcji BIW małych grubości stali AHSS i UHSS.

 

Parytet cen do 2024 r.: Pojazdy elektryczne BEV i spalinowe ICE

Do 2024 r. — bez rządowych ulg podatkowych — pojazdy BEV osiągną parytet cenowy z samochodami ICE we wszystkich typach i klasach modeli, ze względu na to, że zmaleją koszty baterii litowo-jonowych. Potężna zmiana, na którą czekają potencjalni kupujący jest tuż tuż: chodzi o tańsze pojazdy EV oferujące większy zasięg, przy zrównoważonych stawkach energii elektrycznej

  • Parytet pomiędzy pojazdami ICE i BEV już zaistniał dla niektórych samochodów średniej klasy (np., Tesla Model 3 2019 w cenie 36 600 $ do 61 100 $ vs. BMW 2019 330i xDrive w cenie 41 245 $ do 61 945 $).
  • Ceny pakietów baterii będą wynosiły 94 $/kWh do 2024 r. oraz 62 $/kWh do 2030 r. (Bloomberg NEF).
  • Europa potrzebuje do 2030 r. samochodów o zużyciu paliwa 2,56 l/100km (odpowiednik amerykańskich 92 mil na galon).
  • W wielu miejscach, energia elektryczna zasilana energią słoneczną kosztuje teraz tyle samo lub mniej niż elektryczność generowana z gazu ziemnego.
  • Główne nadchodzące inwestycje w zakresie elektryfikacji infrastruktury (np., stacje ładowania, wbudowane ładowanie na drogach i parkingi, etc.). USA nadrabia zaległości: kraj ten posiada 60 000 stacji doładowujących EV, podczas gdy Chiny (gdzie samochody EV są wymagane przez prawo) posiadają ich 900 000.

 

Z innej strony, do 2022 r. cena ładowania baterii spadnie do około 100 $/kWh, więc atrakcyjne ceny pojazdów BEV o zasięgu ponad 380 mil (ponad 610 km) będą bardziej powszechne.

 

Walcowanie 3D i drukowanie 3D dla uzyskiwania nowoczesnych profili

Ford Explorer 2020 przedstawia technologię Shape Corporation 3D Sweep Forming Technology, która dotyczy procesu formowania w wielu płaszczyznach i kierunkach — wszystko zgodnie z procesem walcowania na rolkach. Prędkości posuwu są określone przez minimalny posuw spawarki indukcyjnej liniowej. W pojedynczym procesie walcowania 3D, stal martenzytyczna jest formowana w strukturalne rury z 3-wymiarowymi zagięciami i zoptymalizowanym zamkniętym profilem dla Explorera 2020.

Technologia 3D firmy Shape może wykonywać formowanie tak ścisłe, jak pozwala na to promień R 400 mm i wymaga tylko minimum 100 mm strefy przejściowej dla giętarki do zmiany promieni formowania. Gięcie jest oddzielone od linii walcowania 3D w celu zmaksymalizowania wydajności walcowania i wykorzystania elastyczności giętarki.

SSAB przedstawia także walcowanie 3D w swojej broszurze Koncepcja Projektowa Docol EV dla obudów baterii. Walcowanie 3D tworzy podstawę nośną obudowy z wykorzystaniem belek, które są w jednej części utwierdzone, a w drugiej - elastyczne. Wtedy jedną belkę można umieścić prostopadle do drugiego podobnego profilu — tj. odwróconego dołem do góry co utworzy siatkę — bez podwajania wysokości w kierunku Z, oszczędzając miejsce w przedziale pasażerskim.

Drukowanie 3D (znane także jako drukowanie przestrzenne) oszołomiło uczestników konferencji w przypadku bardzo skomplikowanych i innowacyjnych komponentów BIW. Jednym z przykładów była zwrotnica osi przedniej, zoptymalizowana i lekka, tak by była o 58% lżejsza dzięki zautomatyzowanemu drukowi. Drukowanie przestrzenne nadal — jak na razie — najlepiej pasuje do modeli niskoseryjnych, dla których oszczędności zarówno po stronie kosztów matrycy ($250 000 i wyżej), jak i ciężaru komponentu wykraczają poza koszty druku 3D. Mimo to, wciąż nie do przyjęcia powolne, w przypadku większości komponentów, tempo osadzania drukowanego okablowania, które jednak wzrasta w tempie obiecującym stopniowe przerwanie wielu procesów produkcji komponentów BIW.

międzynarodowy kongres nadwozi motoryzacyjnych 2019

Subskrybuj nasz darmowy comiesięczny biuletyn Automotive Insights i otrzymuj interesujące i szczegółowe artykuły na temat problemów istotnych dla działalności twojej firmy.

Wysyłając ten formularz, akceptujesz jednocześnie naszą politykę prywatności.