電動汽車車身輕量化技術(shù)研究

翟慧穎　胡新

摘 要：與傳統(tǒng)燃油車相比，純電動車在取消發(fā)動機及部分附件的同時，增加了“三電系統(tǒng)”，按行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其質(zhì)量較傳統(tǒng)車增加一般為15%～40%。因其質(zhì)量明顯增加，對車輛電耗、續(xù)駛里程、動力性、制動性、被動安全、車輛可靠和耐久均帶來不利影響，而輕量化則是消除這些影響的重要應對手段之一。著重對如何實現(xiàn)電動汽車車身的輕量化的問題探討，以輕量化意義、輕量化發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢為切入點，提出電動汽車車身輕量化的技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：電動汽車 車身輕量化 技術(shù)路線

1 車身輕量化內(nèi)涵及意義

在2020年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》（下文簡稱路線圖2.0）中確認了全球汽車技術(shù)“低碳化、信息化、智能化”的發(fā)展方向，節(jié)能汽車仍是市場主力，呈現(xiàn)出一體化、輕量化、高壓化發(fā)展趨勢。路線圖2.0中形成了總體技術(shù)路線圖+節(jié)能汽車、純電動和插電式混合動力汽車、氫燃料電池汽車、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、汽車智能制造與關(guān)鍵裝備、汽車動力電池、新能源汽車電驅(qū)動總成系統(tǒng)、充電基礎(chǔ)設施、汽車輕量化的1+9研究布局[1]。如圖1所示。

由此可見，汽車輕量化作為共性指標，貫穿在國家新能源汽車進步發(fā)展的全過程中。汽車輕量化是一項復雜的系統(tǒng)工程，它是在成本控制與性能改進條件下，通過輕量化結(jié)構(gòu)設計與輕量化材料和制造技術(shù)在整車產(chǎn)品上的集成應用而實現(xiàn)的產(chǎn)品減重。面對日益嚴峻的油耗法規(guī)，世界各國汽車企業(yè)都在采取積極的措施以推動汽車產(chǎn)品的節(jié)能減排，輕量化是一種有效的手段。因此，推動汽車輕量化的進步，能夠快速提高自主品牌汽車的開發(fā)能力。研究表明，電動汽車整車質(zhì)量每降低100kg，續(xù)航里程可增加17km（約提升3.6%），相當于增加2.5kwh電量，節(jié)約電池成本約3000元。路線圖2.0中制定了2020-2035期間，整車輕量化系數(shù)降低目標，見下表1。

車身系統(tǒng)作為汽車自主研發(fā)與生產(chǎn)的關(guān)鍵系統(tǒng)，其重量幾乎占整車重量的1/3，是汽車輕量化的重要一環(huán)[2]。傳統(tǒng)內(nèi)燃機車，通過采用新材料降重，僅降低了用戶的使用成本（油耗），但用戶購車成本增加，用戶難以接受。但純電動汽車，通過采用新材料降重，在保證相同續(xù)駛里程的情況下，減少了車輛的電池使用數(shù)量，購車成本降低，且更低的車輛使用成本，將吸引用戶購買。目前，歐美輕量化主要著重于新材料、新技術(shù)，日系輕量化工作主要側(cè)重結(jié)構(gòu)的改進。國際趨勢是將車身重量和車身輕量化系數(shù)同時作為汽車車身輕量化的重點考核指標[3]。汽車車身輕量化系數(shù)公式為：

式中：

L為白車身輕量化系數(shù)，單位Kg/[N﹒m/（°）m2]

M為白車身骨架重量，不含四門兩該，單位Kg；

CT為白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，帶擋風玻璃，單位N﹒m/（°）

A為白車身腳印面積（四輪間的正投影面積）

輕量化系數(shù)越低，代表車身輕量化越好，由車身輕量化公式可以看出，車身輕量化并不僅僅代表“減重”，車身重量的減輕與車身扭轉(zhuǎn)剛度的提高有助于得到更好的車身輕量化表現(xiàn)，因此，在車身輕量化實現(xiàn)過程中可以從以上兩個角度出發(fā)尋求突破。

2 電動汽車車身輕量化現(xiàn)狀及趨勢

輕量化是未來汽車共性技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，根據(jù)路線圖2.0，我國自主輕量化技術(shù)開發(fā)和應用體系的構(gòu)建，近期主要以完善高強度鋼應用體系為重點，中期以形成輕質(zhì)合金應用體系為方向，遠期以形成多材料混合應用體系為目標。目前，輕量化技術(shù)的不斷發(fā)展主要受益于高強鋼技術(shù)的發(fā)展以及復合材料的應用，車身技術(shù)發(fā)展趨勢的重點之一在于如何將車身結(jié)構(gòu)高性能、低重量和低生產(chǎn)能耗有機的結(jié)合起來，經(jīng)過多年的新材料及新工藝的發(fā)展，車身用材從普通鋼車身發(fā)展到了高強鋼車身、鋼鋁混合車身、多材料混合車身、全鋁車身、全碳纖車身等多種選擇。以寶馬7系的Carbon Core多材料混合車身為例，如圖2所示，鋼為主要材料，融合鋁、碳纖維進行多材料混合設計，其中鋼66%，鋁26%，碳纖維復合材料（CFRP）3%，而碳纖維復合材料的使用使得白車身減重40kg成為可能。由于其良好的性能表現(xiàn)，卓越的減重效果及優(yōu)良的成本控制，被譽為白車身發(fā)展的最終方向[4]。

綜合考慮輕量化效果、成本及強度等多方面因素，多材料車身輕量化技術(shù)是目前的主要發(fā)展方向，而傳統(tǒng)的連接方式已無法滿足目前的多材料輕量化車身，工藝的提升顯得尤為必要。

3 車身輕量化技術(shù)路線

通過上文可知，車身輕量化設計需要綜合考慮安全、耐久、NVH等性能的平衡，一般通過結(jié)構(gòu)設計、材料選擇及制造工藝三個方面實施[5]：

3.1 結(jié)構(gòu)設計

3.1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

結(jié)構(gòu)輕量化是產(chǎn)品開發(fā)過程中最切實可行的方法，是減輕車身自重的重要手段。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不僅能夠到達減重目的，同時在保持車身性能方面發(fā)揮重要作用，更容易得到市場的認可。在車身設計開發(fā)中，可通過參數(shù)化軟件SFE，建立車身參數(shù)化模型，應用Isight等CAE優(yōu)化工具，搭建碰撞、NVH、耐久等多學科優(yōu)化模型，高效求解最優(yōu)的結(jié)構(gòu)、材料、料厚方案，實現(xiàn)性能以及輕量化目標。

3.1.2 高強鋼、薄壁化處理

對車身“輕量化”而言，高強度鋼是關(guān)鍵的材料之一，對汽車舉足輕重的作用[5]。若整車鋼板厚度分別減小0.05mm、0.01mm和0.15mm時，車身分別減重6%、12%和18%。同時，采用高強度鋼板還提高了汽車車體的抗凹性能、耐久強度和大變形沖擊強度安全性。降低鈑金料厚的同時，車身A環(huán)/B環(huán)/C環(huán)重要接頭位置采用閉環(huán)設計，可以提升整車的扭轉(zhuǎn)剛度。

3.2 新材料選擇

3.2.1 鋁材代鋼技術(shù)

鋁合金優(yōu)異的延展性、只有不到鋼材一半的密度和良好的耐腐蝕性都成為輕量化結(jié)構(gòu)的材料，由于純鋁的密度為2.68g/cm3，僅為鋼鐵材料密度的1/3左右，且具有強度高、塑性好、可以通過熱處理改變其力學性能、加工工藝性能好、具有良好的抗蝕性、可以回收循環(huán)使用等特點，被廣泛用作汽車輕量化材料[7]。近年來，鋁材在汽車上應用量增加很快，主要是板材、擠壓材、鑄鋁及鍛鋁，在車身結(jié)構(gòu)、空間框架、外覆蓋件和車輪等處均有大量利用。利用鋁合金的易成型性，通過成型工藝進行降重，在保證相同力學性能的同時，重量降低62.3%。同時，減少焊接成本，模具成本大幅度降低。

3.2.2 鎂合金技術(shù)

鎂合金一直被應用在高性能車中，近年來，伴隨著其制造工藝的成熟，已逐漸推廣到乘用車市場，鎂合金是目前最輕的結(jié)構(gòu)金屬，主要元素有鋁、鋅、錳等，具有強度高、剛性好、碰撞吸能性好，抗凹性高、散熱導熱性能好、鑄造性好、尺寸穩(wěn)定性等多重有點，目前的主要制造工藝為鑄造（壓鑄）鎂合金和變形（鑄造、擠壓、軋制）鎂合金。限于鎂合金成本及防腐等問題還未完全解決，因此國內(nèi)主機廠很少在車上大規(guī)模應用鎂合金零部件，主要用于輪轂、儀表板骨架、座椅骨架等零件中。

3.2.3 非金屬代鋼技術(shù)

采用高性能輕質(zhì)材料是實現(xiàn)汽車輕量化的一條重要途徑。除了傳統(tǒng)的鋼鐵材料外，塑料材料也被越來越多地應用于汽車中，其應用已逐漸向外飾件、車身和功能結(jié)構(gòu)擴展，如保險桿骨架、車門模塊、前端模塊、小腿防撞梁、備胎架、頂蓋以及后背門系統(tǒng)等。其中，以碳纖維復合材料（CFRP）的發(fā)展尤為矚目，碳纖維復合材料比強度極高，是最佳的輕質(zhì)高強車身材料，碰撞時成碎片狀，能大量吸收碰撞能量，目前碳纖維復合材料的應用逐漸由中高端車向平價車延伸。

3.3 輕量化新工藝

3.3.1 制造工藝

目前，在零部件的設計開發(fā)中有多種輕量化制造工藝可供選擇，這些工藝普遍具有低成本、高效率、制品質(zhì)量優(yōu)秀等特點，常見的制造工藝有：

（1）激光拼焊板：將幾塊不同屬性的鋼材焊接成一塊整體板，一體沖壓成型，減少了零件數(shù)量和材料消耗，降低了整車重量，簡化了裝配工藝。

（2）變厚度板：通過軋鋼機實施柔性軋制獲得的，在軋制過程中，借助于軋機的壓下厚度自動控制系統(tǒng)，控制軋輥的位置，從而軋制出的薄板在沿著鋼板軋制方向向上具有預先定制的變厚度分布，變厚板技術(shù)特別適用于長形的實心零件。

（3）液壓成形：對封閉在模腔內(nèi)且充滿液體的管件施加壓力，迫使管壁向內(nèi)腔形狀的空間流動而成形，可減重15～20%，減少零件和模具數(shù)量，一體成形，尺寸精度好，穩(wěn)定性高。

3.3.2 先進連接工藝

材料混合車身已成為未來車身輕量化技術(shù)的發(fā)展方向，而多材料連接技術(shù)是工藝和制造可行性的重要保障，同時多材料連接工藝也是實現(xiàn)輕量化的重要途徑，常見多材料連接技術(shù)解決方案見下表2。

4 結(jié)束語

基于電動汽車的減重需求，輕量化依然是未來汽車的發(fā)展方向，從成本和技術(shù)角度看，鋼材是既能輕量化又可提升安全性的高性價比材料，未來3-5年，主流車型用材策略依舊以鋼材為主[8]。同時，鋁鎂合金、碳纖維等輕質(zhì)材料的比例不斷提高，使用量的提升將進一步促進成本的下降，因而，對新型鋼材、鋁鎂合金、碳纖維等材料的推廣應用，需要板材供應商與主機廠共同推進。結(jié)合先進的結(jié)構(gòu)設計及熱沖壓、激光拼焊等先進制造工藝的成熟應用，必將打造出超高強輕質(zhì)車身。

課題來源：2022年度河南省科技攻關(guān)項目“成品糧自動搬運穿梭車可靠性技術(shù)研究與裝備開發(fā)”（項目編號：222102220002）。

參考文獻：

[1]于永初.《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》引領(lǐng)中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展[J].汽車工藝師，2020（11）：8-10.

[2]張娜，李海鵬，葛廣躍，王建勇，縱榮榮，許子佳.車身輕量化設計方法及應用[J].汽車實用技術(shù)，2022，47（10）：179-183.

[3]王立成，王松，湯湧.輕量化車身減重設計研究[J].汽車實用技術(shù)，2020（14）：59-61.

[4]周文俊.碳纖維：汽車減肥瘦身的秘訣[J].廣州化工，2019，47（01）：13-14.

[5]姜愛珠.白車身輕量化技術(shù)與實踐[J].內(nèi)燃機與配件，2020（23）：102-103.

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[7]孫海洋.鋁合金在現(xiàn)代汽車輕量化生產(chǎn)中的應用研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2022，12（02）：135-138.

[8]陳海波.2020（第八屆）中國輕量化車身會議（乘用車）—長安汽車超輕量化電動轎車車身 Super-lightweight EV-Car Body of Chang'an[Z/OL].（2020-09-19）.