未来钢铁汽车（FSV）

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未来钢铁汽车（FSV）  


     世界钢铁协会汽车钢联盟是世界钢铁协会的汽车组织，成员包括：中国鞍钢、韩国现代钢铁、日本住友金属、安赛乐米塔尔、日本神户、蒂森克虏伯、中国宝钢、日本新日铁、米纳斯钢铁公司、康力斯-塔塔、美国纽柯、美国钢铁公司、JFE、韩国浦项、奥钢联公司、俄罗斯谢维尔。汽车联盟联合全球生产汽车用钢的十六家大型钢铁公司共同开展汽车用钢的研究与开发，以及技术交流和战略指导。
　　一 “ULSAB-AVC”计划进展情况
　　7年前，全球钢铁工业在ULSAB-AVC计划中提出轻量化高强钢制汽车概念。伴随“Clean sheet”汽车整体设计过程，ULSAB-AVC概念改变了汽车选材的范围，从普遍的低碳钢到80%的先进高强钢。ULSAB-AVC可减轻汽车车身重量25%；完善碰撞性能；大大提高燃料效率；不增加整个汽车制造系统的成本。
　　在北美进行的一项Ducker研究表明汽车用高强度钢呈明显上升趋势，预计2020年汽车用高强度钢约为450磅/辆。
　　二 “未来钢铁汽车”（FSV）计划研究背景
　　政府提出的燃料效率法规比以前更严格，迫使汽车行业不得不执行未来苛刻的燃料效率指标和CO2减排要求。仅使用传统动力系统达不到这些严格的指标。因此，汽车制造商积极参与开发先进动力传动汽车。OEM厂家公布了许多新型BEV、PHEV和FCEV汽车动力系统——预示着未来汽车的发展趋势。这些新型动力传动汽车将会推动轻量化汽车的需求与价值。
　　如果汽车车身结构用材仍然选用钢，那么OEM厂家只要扩展现有的汽车制造平台就可以生产新型动力传动汽车。然而，如果汽车制造商重新设计新的专用平台生产先进动力传动汽车，情况就变了，诸如在先进动力传动汽车的早期技术原型中，为减轻汽车重量采用了替代材料和昂贵材料，这对钢及其在汽车选材中地位构成巨大威胁。
　　目前所用燃料效率法规旨在减少汽车行业碳排放，因此，这些法规对汽车用材设计决策有潜在影响。
　　温室气体（GHG）排放伴随着汽车整个生命周期——材料生产、汽车制造、汽车使用、废旧汽车回收再循环与处理，还有总燃料消耗过程（“Well to Wheel”，以下简称“WTW”过程）（包含燃料生成过程（“Well to Pump”，以下简称“WTP”过程），和汽车运行过程（“Pump to Wheel”，以下简称“PTW”过程））。
　　现在的燃料效率法规仅考虑了“PTW”汽车运行过程的燃料消耗，即‘燃料尾气排放’，并采用每千米消耗的公升数或每加仑行驶的公里数来衡量。汽车使用期内所用的法规倡导汽车制造商选择可改善尾气排放的GHG密集型燃料，但是该燃料会导致整个生命周期内温室气体排放无法控制。换句话说，从环保的角度看，这可能导致非预期后果或错误的选择。
　　评估汽车最恰当的、普遍采用的方式是进行生命周期评估，它包括整个汽车的生命周期及其消耗的燃料。因此，必须包含“WTP”过程的废气排放，以使总燃料消耗过程即“WTW”过程完整。
　　另外，‘汽车循环’也被纳入其中，目的是将在材料生产与汽车制造过程中排放的GHG气体计入汽车报废再循环的考核体系中，这是非常重要的。
　　在汽车轻量化选材过程中，应该综合多种生命周期评估（LCA）法来评价汽车用材决策的各方面影响。尽管汽车使用期内的尾气排放问题谈论的较多，但是材料的生产过程对生命周期废气排放的影响也很重要。由于根据是否采用先进动力传动（如混合动力），是否使用高效、低碳燃料（如粮食乙醇和纤维乙醇）来考评汽车，这种影响就变得越来越密切。
　　研究表明仅通过材料替换是无法实现减少汽车GHG排放的重大改进。对新型动力传动与燃料的投入有助于GHG减排的最大化。先进的动力传动汽车选用钢作材料的优势如下：整个系统不增加额外成本；允许顾客维持生产资本投资；达到或超越2020年强制执行的安全与燃料经济法规；为地球气候变暖提供最佳的解决方案。
　　汽车钢联盟为先进动力传动汽车选材提供的钢铁材料解决方案表明，使用钢材能够达到或超越2020年强制执行的安全与燃料效率法规。这种材料可大大节省生产成本，汽车制造商不用变动改造现有的生产设施和在全球汽车制造中投入的其他资本。但更重要的是，它是改善地球气候变暖的最佳解决方案。
　　三 “未来钢铁汽车”计划
　　2007年底，在巴厘岛举行的联合国气候变化大会上，世界钢铁协会汽车钢联盟宣布了一项耗资数百万美元的计划“未来钢铁汽车”，提出钢制一体化汽车车身理念，该理念讨论的是先进的动力传动系统如先进的混合动力、电动力和燃料电池系统。研究旨在突出未来汽车的安全性、轻量化钢制车身，在未来汽车整个生命周期内减少GHG排放。
　　“未来钢铁汽车”计划分三期完成：一期包括一项工程研究，现已完成；二期进行概念设计；三期将确立示范车型。
　　四 FSV一期研究成果
　　世界钢铁协会汽车钢联盟委托EDAG（爱达克）公司完成一期的工程研究（总部在德国福尔达）。一期检测了新型动力传动系统的影响变化情况，为二期的概念设计提供参数。
　　一期的研究内容有全面评估和识别确认先进的动力传动系统及2020年能够进行批量生产的未来汽车制造技术。其他涉及的领域还包括对未来全球汽车安全性、燃料效率的影响及整个汽车生命周期对环境的影响。一期研究有助于指导钢制先进动力传动汽车的目标设计。因此，目标被设置成许多标准，包括汽车概念的类别、规格尺寸、环保绩效、碰撞性能等等。
　　●FSV-1/ FSV-2型汽车规格
　　未来钢铁汽车计划设计了两款汽车：FSV-1与FSV-2。较大的FSV-2与较小的FSV-1前端相同，但轴距与长度不同。每种车的包装规格与汽车性能普适于该车系的各个级别，与全球OEM发展趋势一致。
　　●FSV先进的动力系统
　　确保环保绩效的关键是这两款车选择什么类型的动力传动系统。研发团队对五类先进动力系统进行了评估，根据其性能、到2020年生产的可行性及成本来选择：（1）内燃机（ICE）适用于较小的高效汽油/柴油汽车；（2）混合动力汽车（HEV）主要消耗化石类石油燃料；（3）插电式混合动力车（PHEV）采用电网电能，以电动模式运行，行驶距离有限。这大大减少了化石类石油的消耗，特别是日行驶距离接近汽车的电动范围时，就要靠化石类石油燃料驱动驾驶；（4）电池电动车（BEV）行驶距离达到250km；（5）燃料电池电动车（FCEV）使用氢气作燃料源。
　　●FSV汽车大小与动力传动系统的配置

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　　FSV汽车大小与动力传动系统的配置，如表1所示。由于涉及氢气储存容器和燃料堆安装的成本与复杂性问题，因而FSV-1没有采用燃料电池电动车（FCEV）动力系统。PHEV 20车是一系列混合动力汽车，后悬挂式1.0 L 三缸内燃机并没有连接传动轮，只是作为发电机给驱动电动机提供电力，也给电池充电。车前部高级电动机的真空紧缩封装使汽车前端可以突出一小部分。由于车越大所需的电池组越大、也越昂贵，因而FSV-2车没有选择BEV动力系统。所选的两类动力系统拥有相同的前端和前轮传动电动机包装。

                   表1  FSV汽车大小与动力传动系统的配置
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    FSV-1               PHEV 20                    BEV
    4门 斜背式          电动范围：32km             总行驶范围：250km
    车身长3700mm        总行驶范围：500km          最大速度：150km/h
                        最大速度：150km/h          0-100km/h  11-13 s
                        0-100km/h  11-13 s   
    FSV-2               PHEV 40                    FCEV
    4门 轿车            电动范围：64km             总行驶范围：500km
    车身长4350mm        总行驶范围：500km          最大速度：161km/h
                        最大速度：161km/h          0-100km/h  10-12 s
                        0-100km/h  10-12 s   
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　　FSV-1 PHEV 20布局是小型内燃机设置在车后，电动机和其他部件设置在车前部。FSV-1 BEV车前部有相同的电动机和其他部件设置，电池设置在中央烟道与车后。
　　●FSV的环保目标
　　从环保角度看，仅仅评估汽车使用期内的性能是不够的。评价汽车尾气排放问题时，应该考虑化石燃料、再生燃料和电力生产中CO2的排放问题。整个生命周期——包括燃料生产与材料生产，汽车制造也必须考虑在内。
　　在“PTW”过程中，FSV-1选用的各类动力系统的CO2排放都要低于95g/km（欧盟提出2020年生效的排放规定）。PHEV和BEV采用全电动传动可实现尾气CO2“零排放”。但由于燃料生产中存在CO2排放，整个生命周期无法实现碳的“零排放”。
　　尽管 FSV-2 FCEV H2-天然气和FCEV H2-电能够实现尾气CO2“零排放”，但由于各能源生产中存在CO2排放，其碳排放量无法实现“零排放”。
　　除了这些CO2排放问题，还必须评估生命周期尾气排放的其余部分。完整的生命周期评估即将在FSV研究二期完成。
　　●FSV安全要求
　　FSV研发团队比照目前的安全要求，对未来（2010-2020年）全球汽车安全要求进行了评估。意图了解FSV-1和FSV-2设计的新安全要求，以整合FSV上所有必要的结构改造，通过舒适的安全限度来达到甚至超越即将执行的安全要求。
　　FSV安全要求：车顶抗压抗倾翻（美国联邦机动车安全标准-216）；车顶抗压/抗倾翻（美国高速公路安全保险协会）；电子稳定控制系统；极点碰撞；前端碰撞；车尾碰撞；保险杠碰撞；行人保护装置。
　　FSV研发团队针对新安全要求对FSV结构提出的重量、成本和节能效率方面的影响也做了预计。这些碰撞测试的CAE模拟仿真将在设计开发阶段展开。
　　●FSV重量目标
　　FSV 研究二期设立了极具挑战性的重量目标，如表2所示，计划采用一些不寻常的工程技术和钢铁技术来实现这些目标。FSV的车身和整部汽车的重量估计值已经确立，如表所示，采用卓越的整体最优化设计与先进高强钢，由于实施轻量化系统和元件，同时还运用汽车/钢铁联合的重量组合模型评判重量减轻的程度。

                             表2  FSV重量目标              kg
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                         基准                     FSV
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               ICE-1    ICE-1    HEV-1   HEV-1    FSV-1      FSV-1
               2010     2020     2010    2020     PHEV 20    BEV
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    车身       272      241      272     237      173        190
    整部汽车   1199     1044     1290    1138     990        1137
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               ICE-2    ICE-2    HEV-2   HEV-2    FSV-2      FSV-2
               2010     2020     2010    2020     PHEV 40    FCEV
    车身       337      298      337     303      198        175
    整部汽车   1483     1260     1574    1388     1279       1079
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　　●FSV钢铁技术
　　FSV钢铁技术：常规冲压、激光拼焊板、连续变截面辊轧板、高频感应焊接液压成形管、激光焊接液压成形管、拼轧液压成形管、烫印（直接或间接）、激光焊接板淬火钢、拼轧板淬火钢、成形轧制、激光焊接板卷冷弯成形、拼轧板冷弯成形、淬火滚压、多壁式液压成形管、多壁管、激光焊接终极管、激光焊接异形管部件。
　　FSV会采用许多钢铁成形技术以发挥AHSS的优势。通过减少材料厚度增加强度与部分性能，使用AHSS可大幅减轻汽车重量。AHSS与钢铁技术相结合通过部件整合，可减轻部件重量或减少部件的使用，最终结果是减轻钢结构的重量。
　　其他先进技术有低滚动阻力轮胎、轻量上釉、LED灯饰、仪器面板显示器、轻质座椅、“电传飞控”技术。
　　2008年，公布了部分FSV汽车初步造型。之后，设计经过多次调整与修改，通过风道模拟优化阻力系数，设计还会再变。
　　五 FSV二期研究内容与目标
　　在一期工程研究成果的基础上，世界钢铁协会汽车钢联盟组织成员已经启动下一步行动——二期将会进行概念设计开发以细化FSV-1BEV。二期的研究内容是设计和全面优化BEV车身构造。现在研究工作已经展开，预计持续到2010年。
　　BEV汽车用钢理念：“PTW”尾气排放；生命周期评价；汽车重量轻量化；安全性能；可负担的成本。
　　FSV二期研究耗资数百万美元，主要目的是为能够满足苛刻的环境和安全要求的先进动力传动汽车提供高效的钢制车身构造，并制定付诸生产的可行方案。
　　FSV二期研究主要目标是：超过所有关于未来“PTW”过程尾气排放的要求；为各类汽车设计的整个生命周期评估设立标准；最小化汽车重量，特别是车身结构重量；确保突出汽车的安全性能；用适当成本实现轻量化钢制汽车设计。
　　按照细化的BEV概念设计，为适应不同的PHEV和FCEV动力传动系统，二期还会随结构设计要求的变化进行额外的设计研究。
　　“未来钢铁汽车”计划致力于未来汽车的根本性变革，是钢铁行业承诺使环境、汽车制造商和终端消费者受益的有力证明。为交接技术，与汽车制造商建立积极的伙伴关系以帮助汽车制造商应对在生产更轻便、安全、环保汽车时遇到的问题。