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韩国浦项制铁复合材料应用方案助力汽车行业

盖世汽车快讯 忻文 2022-07-18 09:21:58

全球环保政策对燃油效率限制加速了轻量化材料竞争体系的发展.为此,POSCO成立了复合材料TFT(专项组),提供相应业务的服务。

顺应CO2排放限制的环保政策,全球车企不仅仅是尾气排放,还对碳中和层面进行规划。

LCA(全生命周期)中铁和非铁材料在LCA(全生命周期)的表现,原材料生产中CO2碳排放铁为树脂的7%,铝的19%水平。

并且,铁常用的冲压工艺CO2碳排放量也比铝和树脂的常用加工工艺低很多。

POSCO积极配合车企,为其提供钢材应用及CO2排放限制的环保政策方面的服务.且为所有钢材产品获得EPD(环保产品认证),提供给需求的客户. (EPD认证 : 产品在其全生命周期内以何种方式对环境造成的影响的说明)。

新能源动力电池技术,由初期改造内燃机和燃油箱位置安装电池发展到车身底部中安放滑板式电池包,以及向电池外壳作为车身结构一部分的CTV(Cell to Vehicle)技术发展。目前,POSCO也对CTV技术中钢材应用解决方案进行先行研究.该技术发展需要确保爆炸的危险性和碰撞时的稳定性,也需要适用于整个车体的广宽幅千兆钢,POSCO可生产供应CTV需求的广宽幅千兆钢。

 复合材料可充分发挥钢和铝的性能优势进行结构优化方案设计,为客户提供最佳优化解决方案.我司复合材料TFT(专项组),可提供碰撞分析得出能量的分散和吸能部位进行复合材料(千兆杠+铝)的优化配置方案.并以此为依据,结合重量、成本、性能等因素为企业提供复合材料应用的最佳解决方案。

POSCO已自主设计完成3种电池包方案 (PBP: Posco Battery Pack, 内燃机改造型/应用千兆钢型/复合材料型)。

最近完成开发的复合材料型PBP在重量,成本,性能方面均优于全铝电池包。

根据上诉相关研究,为客户在材料应用中的需求和技术上提供多方面的技术支援.除此,还可对钢铝复合材料应用中的替换机械连接的电阻焊技术支援、焊接处腐蚀问题的高耐蚀钢应用,以及高延伸、高强度要求的千兆钢材料应用等方面,为车企研发提供相应的解决方案。

 POSCO集团

WSD* (World Steel Dynamics:全球钢铁专业分析机构): 世界最具竞争力的钢铁公司连续12年排名第一

 - 21年总销售额76万亿(韩元)/员工数 18000多人/覆盖52个国家

 - 加工中心及法人运营情况说明

POSCO低碳环保规划蓝图

POSCO于20年12月11日发布到2050年实现”碳中和(Carbon Neutral)”目标,并发表了气候行动报告书等低碳环保计划的推进。

为实现2050年碳中和目标,制定了2030年和2040年将碳排放分别减少20%和50%的中长期目标 ,且分阶段开发多种碳减排解决方案和技术。

第一阶段,用更经济的低碳能源来提高能源效率。

第二阶段,提高废钢的利用率, 最大限度地利用碳捕获存储技术。

最终目标,开发氢能源炼铁技术,最终实现基于氢还原和再生能源的碳中和炼铁工程。

复合材料特点

——材质特征及 LCA(全生命周期)

市场环境

▶为应对环保, 油耗限制政策 → 轻量化材料竞争激化

- 全球市场:至25年平均油耗控制在23.2km/L以下的规定 (美国)。

▶豪华车, 美)中,大型车中非铁材料应用增速明显

 - 福特F-150,宝马i3的上市,验证了铝,碳纤维树脂的可应用性。

▶20年的欧洲CO2排放限制规定适用到21年进行推算,各主机厂赔偿金额非常高

 -各主机厂通过制订长期规划蓝图,树立30~50碳中和目标。

 - 不仅对尾气排放,还包括从原材料生产→加工→废弃为止的全生命周期层面进行管理。

▶从原材料生产 & 加工等 LCA(全生命周期)层面考虑,钢材最具竞争力优势

 - 原材料生产中钢材的 CO2 排放量(kg/kg) : 2.09 (碳纤维树脂的7%, 铝19%水平)。

 - 根据零件加工工艺的 CO2 排放量(kg/kg) : 钢材冲压加工的CO2 排放量(kg/kg) 最少,数值为0.31。

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☞ 原材料生产至零件制造过程中较少CO2 排放: 与铝相比,以钢材为基板的复合材料更具优势。

复合材料应用趋势

▶ 复合材料的应用从汽车外板重应用扩展至<新能源汽车电池包>领域

- 新能源车重视续航里程, 加大使用轻量材料

- 电池包模组: 多采用铝制结构,近来因热失控危险性问题对钢的关注度增加

- 电池包壳体: 随着新能源车生产/销售增加,对成本和轻量化重视度提高

☞  随着复合材料的应用增加,市场需求量也将随之增多

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 POSCO 复合材料应用方案

——产品供应范围

▶ 按复合形式区分制造与采购

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 ☞ 主机厂&零件厂:复合材料零件的设计,加工/生产,非铁材料的采购 (铝, 树脂等)

POSCO : 复合材料应用方案 + 复合材料用钢材

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MM  TF组服务范围

- 复合材料应用方案 : 为提高客户效益的技术性/商业性支援服务

- [非铁组件] : 非铁组件替换成钢材或复合材料化来扩大钢材应用范围

- [复合零件(非铁材料+钢材)] : 通过提供复合零件应用方案开拓新市场

- [复合材料(三明治板, 复合钢板)] : 与复合钢板厂家开展合作开发客户及材料来扩大市场

POSCO 复合材料应用方案

结构设计

▶POSCO电池包骨架中应用复合材料的概念设计及样品检测

1、概念设计

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2、仿真分析性能评估

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3、样品制作

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4、性能检测(3点弯曲测试)

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PBP方案

电池包复合材料应用方案及样品

电池包中应用复合材料的方案

> 复合材料 Posco Battery Pack 设计及样品制作

> PBP 骨架 (千兆钢+铝 复合 )

  - 相比全铝,相似重量/性能条件下, 单价降低 20%

   - 相比全钢, 重量降低 10% , 性能提高 20%

   - 复合材料, 钢约占 71% ,  铝约占 29%

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柱碰评估

> 比钢(2nd PBP)性能优秀,与Al水平相近

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电池包复合材料应用方案样品

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铝 VS 钢 VS 复合材料 (电池包重量)

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以100kwh为基准换算成60kwh进行对比

- 与铝制电池包(85kg)相似重量条件下,可保证同等性能

应用范围

电池包复合材料应用方案及样品

> 采用钢+轻质铝材的复合材料应用设计方案

 ☞ 特点:比单一材料铝材成本低 / 比单一钢材重量轻

> 针对车辆零部件的降本及轻量化目标,提供复合材料应用方案

  - 引擎盖 :  内板(钢) + 外板(铝)  (与韩国整车厂协力先行开发)

  - 电池包 : 钢制外框 +  铝制内芯  (POSCO 概念 PBP 完成)

  - 车顶结构件 :  钢 + 树脂 + 钢  (三明治板开发中)

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异种金属点焊

▶ 异种金属点焊

○ 目前对异种金属机械接合技术应用广泛, 但从降低制造成本方面考虑有待开发点焊技术

○ 由于异种金属的不同热/物理特性和金属间高脆性化合物的形成导致的焊接质量下降,导致点焊应用案例少见

  - 通用在量产凯迪拉克 CT6 座椅靠背中,应用了刚性电极焊接异种金属

▶ 电池包复合材料应用方案及样品

○ 通过优化电极形状及焊接通电条件改善焊接强度  

  - 剪切拉伸强度(TSS) : 与自冲铆(SPR)相比,焊接强度在同等及以上水平

  - 十字拉伸强度(CTS): 不同材料组合方式,焊接强度为自冲铆(SPR)的 40~210% 水平→熔焊的极限铝材点焊强度的65%水平以上

  - 点焊+防电化腐蚀的结构胶条连接方式比自冲铆+结构胶连接强度的CTS更高

○ 导出保证异种金属间焊接性能的最优材料及接合类型

  - 不同镀层的异种金属接合特性 : GI(或 EG) > CR > GA 

  - 根据接合类型的特性: 钢/铝/钢 > 铝/钢/钢

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▶ 电池包复合材料应用方案及样品

○ 刚性连接部件

   - 部件: 铝/钢 PKG Tray Ass’y

  - 量产应用: 自冲铆(SPR)+结构胶(Adhesive), 点焊(RSW)+结构胶(Adhesive)

  - 刚性评估模式: 弯曲性能, 扭转刚度

  - 两种接合方式的初期斜率趋同,判断在车身结构刚性方面性能类似

  * 随变形量增加斜率产生了差异的原因为,受实际量产中应用的减震垫及制作方法(批量 vs.手工)等影响

  ☞  对于刚性连接部件中可采用点焊(RSW)

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耐腐蚀性

▶ 钢铝接合位置电化腐蚀

○ 电化腐蚀: 不同金属间接合处,有一侧金属出现严重腐蚀现象

- 电化腐蚀产生条件:①异种金属、②电气接触、③放置于同一电解液 ,以上条件需同时满足 

▶ 使用PosMAC1.5镀层钢+铝,可减弱钢铝接合处产生的电化腐蚀

○ 钢铝卷边接合部耐腐蚀性测试结果 (12年工况加速模拟腐蚀试验)

- [Steel INR] CR ≫ 镀层 (GI > GA > PosMAC1.5

- [AL OTR] CR接触 ≫ 镀层接触 (GI > GA > PosMAC1.5),采用PosMAC1.5镀层,可同时降低铁和铝的腐蚀

- PosMAC1.5与GI的耐腐蚀效果,耐腐蚀效果:钢材降低50% , 铝材降低 85%

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卷边接合内部腐蚀状态 (75 cycle)]

腐蚀深度检测结果:(中) Steel INR, (右) AL OTR]

▶ 内板(PosMAC1.5) + 外板(铝) 引擎盖部件耐蚀性

- PosMAC1.5-AL, 混动引擎盖零件制作(小型电动车用), 复合材料中应用磷酸盐处理及电泳/中涂/上涂/清漆的全部涂装工艺

- 模拟12年工况加速腐蚀实验后,内/外板卷边处, 复合材料连接处的腐蚀情况:未发生腐蚀

- 涂层划痕处腐蚀情况: PosMAC1.5 内板涂膜未剥离, 铝发生部分丝状腐蚀

☞ PosMAC1.5-AL 复合材料的引擎盖部件,采用合理的涂层工艺和密封剂时,不会出现耐蚀性缺陷

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