電動汽車輕量化技術的應用探討

摘要：我國電動汽車在整車系統(tǒng)集成開發(fā)、動力系統(tǒng)集成以及動力總成關鍵零部件技術等方面取得了較大進步。隨著市場熱度持續(xù)升溫，電動汽車市場占有率不斷擴大，電動汽車產(chǎn)業(yè)正進入高速發(fā)展階段。與傳統(tǒng)燃油車相比，電動汽車目前還面臨諸多問題，制約產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，比如續(xù)航里程較短、充電時間偏長等，都是整個業(yè)界關心的問題。車輛的整備質(zhì)量是影響續(xù)航里程最重要的因素之一，汽車輕量化已經(jīng)在《中國制造2025》汽車發(fā)展的整體規(guī)劃中明確了宏觀要求，其技術創(chuàng)新已然成為國家的重要科技戰(zhàn)略，引領更多的整車企業(yè)、供應商、科研機構(gòu)將人力資源和資金投入到技術創(chuàng)新研發(fā)和生產(chǎn)實踐。

關鍵詞：電動汽車；續(xù)航里程；輕量化；應用

中圖分類號：U469.72 收稿日期：2023-06-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.006

1 實現(xiàn)電動汽車輕量化的主要技術途徑

整車輕量化的技術理念，在以豐田汽車為首的日本汽車產(chǎn)業(yè)界就一直推行備至，大力倡導推行“小、少、輕、短”等相關活動，在汽車的輕量化實踐中已經(jīng)發(fā)揮到極致。以汽車整備質(zhì)量削減100 kg對百公里油耗或者續(xù)航里程的影響為例，燃油車可以降低0.3～0.6 L，電動車續(xù)航里程可以提高5%～10%［1］。因此汽車輕量化技術成為降低能耗、減少排放的有效途徑。

當前，車企實現(xiàn)電動整車輕量化的主要技術路徑主要從以下三個方面入手：a.持續(xù)使用高強度鋼板推進車身輕量化；b.提升鋁材料的應用比例，推進車身及底盤的輕量化；c.電池系統(tǒng)的持續(xù)輕量化。在排放和油耗標準越來越嚴格的推動下，輕量化技術不斷迭代升級，積累了豐富的技術儲備和應用基礎，在電池儲能技術迎來革命性突破之前，電池系統(tǒng)的輕量化將是電動汽車技術的發(fā)展方向。

2 高強鋼車身的持續(xù)推進

高強鋼也稱高張力鋼板，一般指抗拉強度超過590 MPa、屈服強度超多440 MPa的汽車用鋼材，最高可以做到抗拉強度超過1 100 MPa，普通鋼板的抗拉強度在270 MPa左右，高強鋼強度可以提升2～5倍，厚度大幅削減。

當前承載式車身的底板總成（UNDER BODY ASSY）中的左中右縱梁以及前中后橫梁；側(cè)圍內(nèi)板總成（SIDE BODY ASSY）的A、B、C立柱及底邊梁都普遍采用了抗拉強度超過590 MPa以上的高強鋼，約占車身質(zhì)量40%。

抗拉強度低于980 MPa的高強鋼一般采用冷作模具成形，目前的模具材料、熱處理工藝、加工刀具、加工機床已經(jīng)能夠滿足要求，但高于980 MPa的高強鋼一般就采用了熱成形技術，可以實現(xiàn)更高強度的零件。熱成形生產(chǎn)線由多工位電加熱爐、油壓機、激光切割機修邊打孔工作站等組成，最先應用于歐美系車企，現(xiàn)在國內(nèi)車企已經(jīng)普遍使用熱成形技術生產(chǎn)更高強度要求的零部件，據(jù)了解，重慶已有至少4條產(chǎn)線。但是熱成形生產(chǎn)線全靠引進，動輒上億的投資，存在前期投資高、生產(chǎn)加熱能耗高、生產(chǎn)效率低的問題，雖然零件生產(chǎn)成本經(jīng)過多年的改進大幅降低，但是仍然偏高。

3 鋁材質(zhì)零件比例不斷提升

鋁合金材料在汽車上的使用，可以追溯到20世紀80年代末。歐、美、日等汽車巨頭開展了對鋁制汽車車身的研究，多以與與鋁材料企業(yè)協(xié)同合作的模式，開發(fā)出一些新材料，積累了一些鋁質(zhì)汽車零件的經(jīng)驗。20世紀90年代初，奧迪首先把全鋁車身結(jié)構(gòu)應用到在部分車型如奧迪A8上面，并實現(xiàn)了鋼和鋁兩種材質(zhì)的焊接和連接工藝突破，車身自重明顯降低，全車焊點數(shù)量減少40%，車身靜剛度提升60%，碰撞強度等指標完全滿足設計的各項要求，整車的驅(qū)動駕駛性能、操作穩(wěn)定性、加速性能等更具優(yōu)越性。

因為鋁材料自身的特性，鋁車身還存在很多技術問題。比如板材延伸率最大只有30%，遠不及常規(guī)深拉深鋼板如DC06的延伸率45%，導致沖壓加工成形困難，良品率低；售后也存在因為焊接修復困難，備件更換昂貴等問題。因此在部分車型上，更多地應用于可拆卸的開閉總成，比如應用較多的是發(fā)動機蓋總成，目前福特汽車的多款車型普遍使用了鋁合金的發(fā)動機蓋，但是都主要以鋁合金板材經(jīng)沖壓工藝、包邊工藝完成的。

鋁合金壓鑄工藝原來主要在發(fā)動機缸體、缸蓋等零部件上應用，特斯拉開啟了在電動車車身上應用的先河，也是車身制造的一次技術革新［2］。隨著一體化壓鑄工藝的出現(xiàn)，鋁材質(zhì)零件比例不斷提升得到快速的實現(xiàn)。所謂一體化壓鑄工藝是將白車身上多個零件的復雜結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設計為只使用一個或者幾個大型零件，通過鋁合金壓鑄工藝成形的新型制造技術。多個零部件通過集成化制造的方式實現(xiàn)一次性成型，鋁合金結(jié)構(gòu)件在傳統(tǒng)汽車工藝技術模式下的諸多問題得到有效的彌補或者規(guī)避。

傳統(tǒng)白車身制造工藝主要由30個左右的大型沖壓覆蓋件、300多個中小型結(jié)構(gòu)件經(jīng)沖壓后送往焊接車間，由焊接車間經(jīng)過地板線、側(cè)圍線、主車體線、白車體線等工序，完成4 000～6 000個焊點，完成白車體的焊接拼裝，檢驗合格后送入涂裝車間。一體化鋁合金壓鑄工藝與傳統(tǒng)工藝比較，具備制造成本低、生產(chǎn)效率高、整車精度高、安全性能推升、整車減重效果明顯等方面的優(yōu)勢。在輕量化方面優(yōu)勢特別突出，一體化鋁合金壓鑄車身的重量約為250 kg，傳統(tǒng)沖焊車體重量約400 kg，最大減重可達200 kg。在材料利用率方面，鋁合金壓鑄也具有一定優(yōu)勢，沖壓件的綜合材料利用率在70%左右，傳統(tǒng)鋼制車身生產(chǎn)投入的鋼板為480～640 kg，鋁合金壓鑄的材料利用率可以在90%以上。特斯拉的Model Y車型的后段下車體總成采用一體化壓鑄工藝，效果非常明顯，自重削減了1/3，綜合制造成本也整體降低了近一半，批次產(chǎn)量越大優(yōu)勢越明顯，規(guī)模效益越突出。這使特斯拉公司更有信心采取更大膽的工藝革新，準備把由組成下車體總成的約400個沖焊零部件優(yōu)化集成為大型壓鑄件，數(shù)量控制在2～3個，重量將進一步削減10%，相應的續(xù)航里程將可以增加10%以上。

一體化鋁合金壓鑄車身，也存在諸多問題，比如初期設備投入額度過高，采購一臺重型壓鑄機的需要上億元人民幣，而沖壓用的機械壓力機僅需千萬元，一條全自動沖壓生產(chǎn)線差不多接近一個億；沖壓模具的壽命可達50萬次甚至更長，而壓鑄件的模具壽命10萬次左右；材料工藝要求高，一體化壓鑄車身結(jié)構(gòu)件需要既堅固又具有延展性且無需進行熱處理的鋁合金作為原材料，這樣的材料研發(fā)與試驗還不夠成熟，已在使用的少數(shù)型號材料專利還控制在部分車企和供應商手里，還沒有進入到大規(guī)模市場化應用階段；制程工藝參數(shù)控制復雜，驗證調(diào)試時間長難度大，目前良品率也只能達到80%左右，而沖壓可以達到99.5%以上。另外售后壞損維修成本高，壞損需要整體更換。

目前已經(jīng)有部分國內(nèi)車企打算采用類似的鑄造設備來生產(chǎn)自家車型，部分壓鑄企業(yè)也準備與車企合作布局相應的制造能力，一體化鋁合金壓鑄工藝與傳統(tǒng)車身制造工藝并存局面將會持續(xù)很長時間，隨著免熱鋁合金的研發(fā)成熟、制程良品率提升、設備技術的推廣、投資額度的進一步下調(diào)，前者的應用比例將會逐步提升，必然會對沖壓設備、沖壓模具、焊接夾具等傳統(tǒng)造車模式帶來較大沖擊［3］。

4 動力電池系統(tǒng)的輕量化

電池、電機、電控等三電系統(tǒng)構(gòu)成了電動汽車動力系統(tǒng)核心部件，電池包對于整車安全性的要求十分嚴格，同時也決定了整車在功率和續(xù)航里程上的表現(xiàn)［4］。電池包占整車整備質(zhì)量的20%～30%，續(xù)航里程越大，其電池包質(zhì)量占比就越大。

4.1 優(yōu)化電池模組的布局，縮減電池箱體尺寸

由于各車型電池包的空間形狀和承載特點不同，電池模組串并聯(lián)排布構(gòu)成動力電池包系統(tǒng)，電池包中模組布局方式與結(jié)構(gòu)設計差異較大。動力電池包的布局形式一般由整車空間位置特征所決定，不僅要考慮車輛的驅(qū)動模式，還要結(jié)合整車重心位置、離地間隙等各方面因素。

模組的結(jié)構(gòu)設計及電芯布局優(yōu)化，主要目的是模組的緊湊化設計，即通過縮小模組與熱管理系統(tǒng)中電芯之間的距離，形成交叉錯位分布，最大化地利用有限的箱體空間，減少電池箱體的外形尺寸。

為減少模組的數(shù)量，就必須采用標準化模組設計規(guī)范，從而大幅削減模組殼體以及相關其他附件質(zhì)量。

4.2 利用新材料，削減電池包重量

在整個電池包減輕重量的應用實踐中，鋁合金扮演著重要角色，以鋁代鋼成為工程師的首選，同時由于新型鋁合金的不斷研發(fā)更新，高強度、高延伸率的鋁合金材料既可以滿足結(jié)構(gòu)強度、剛度又可以滿足良好的可制造工藝性能。

電池模組的殼體原來用類似SPCE深沖冷軋鋼板沖壓制成，目前用具有深沖性能的鋁板加工，則減輕了模組的質(zhì)量。

電池箱體承載整個電池組的質(zhì)量，隔離電池模組免受外部的沖擊，具有防水、耐沖擊、抗震的功能要求，是電動汽車重要的安全結(jié)構(gòu)件，約占電池包30%的質(zhì)量，因此電池箱體的減重顯得非常重要。鋼制的電池箱體采用沖壓、焊接、電泳涂裝等工序，采用用鋁合金板材沖壓或者鋁型材擠壓成形工藝，在加上摩擦焊加工工藝制造，則可以減輕重量20%～30%，而且還省去了電泳涂裝工序，成為當前應用最廣泛的工藝方式。相對而言，鋁型材擠壓成形工藝在適應車身底盤尺寸方面，具有更多的優(yōu)勢，預計將會越來越多的被采用。

復合材料的使用，在電池包的輕量化材料選擇中也是具有一定優(yōu)勢。比如PP玻纖增強復合材料，可以代替鋼板，一般應用在電池箱體上蓋等受力較少的部件上，可以大幅減重。

另外，在電池包中也會使用到高強鋼板，特別是在一些有強度要求的安裝支架類零件，因為高強鋼板的重量輕強度高特性，沖壓加焊接的工藝也是不可避免地要被采用。因此新材料新工藝的綜合利用，使電池包的重量削減變得有更多的選擇方案。

4.3 電池包與底盤集成開發(fā)

電池包在整車上的位置布局，可以分為車輛底部懸置、標準箱和車身底盤構(gòu)一體化三種方式。由燃油車改裝而來的乘用車電池包常常懸掛于汽車底盤下方，車身體積較大的專用車或客運車一般采用標準箱體電池包，隨著電動汽車市占率提升，用戶對續(xù)航里程的需求不斷提高，傳統(tǒng)汽車的結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足最優(yōu)設計要求，車身結(jié)構(gòu)一體式電池包結(jié)構(gòu)布置形式逐漸受到重視。

針對電池包懸掛于汽車底盤下方的布局模式，電池包和底盤及車身下車體位置基本重疊，因此從正向設計開始，可以把車身、底盤與電池包統(tǒng)籌考慮，展開協(xié)同設計，實施電池底盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化開發(fā)，把電池與底盤集成為一體。最近出現(xiàn)的滑板底盤技術，更是將三電系統(tǒng)、傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向懸架系統(tǒng)等充分集成，具備成本低、車內(nèi)空間大、拓展性豐富等多項優(yōu)點，也是一種高度集成化、平臺化的系統(tǒng)開發(fā)模式。Stanford大學進行了電池底盤的集成研發(fā)，實驗證明可以將電動汽車整車質(zhì)量降低40%以上。

5 結(jié)語

電動汽車的輕量化技術，無論是結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化、新型材料的研發(fā)應用，還是先進制造工藝技術的推廣，總是圍繞成本、質(zhì)量、安全不斷地推陳出新、迭代升級，推動汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

參考文獻：

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[2]羅愛華，ANILK S BOBR.汽車輕量化先進鑄造技術[J].鑄造，2011，60（2）：113-119.

[3]屈葵林.專用汽車輕量化設計[J].科技傳播，2012（13）：150.

[4]李全.新型轎車發(fā)動機罩輕量化設計研究與應用[D].長沙：湖南大學，2015.

作者簡介：

楊仕聰，男，1969年生，高級工程師，研究方向為汽車工程技術。