翟慧穎　胡新

摘 要：與傳統(tǒng)燃油車相比，純電動(dòng)車在取消發(fā)動(dòng)機(jī)及部分附件的同時(shí)，增加了“三電系統(tǒng)”，按行業(yè)統(tǒng)計(jì)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(dòng)力性、制動(dòng)性、被動(dòng)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(yīng)對手段之一。著重對如何實(shí)現(xiàn)電動(dòng)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(diǎn)，提出電動(dòng)汽車車身輕量化的技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)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(rèn)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(dòng)和插電式混合動(dòng)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(dòng)力電池、新能源汽車電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)、充電基礎(chǔ)設(shè)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(biāo)，貫穿在國家新能源汽車進(jìn)步發(fā)展的全過程中。汽車輕量化是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它是在成本控制與性能改進(jìn)條件下，通過輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輕量化材料和制造技術(shù)在整車產(chǎn)品上的集成應(yīng)用而實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品減重。面對日益嚴(yán)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(dòng)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(dòng)汽車輕量化的進(jìn)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(dòng)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(dāng)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(biāo)，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(jī)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(dòng)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(jìn)。國際趨勢是將車身重量和車身輕量化系數(shù)同時(shí)作為汽車車身輕量化的重點(diǎn)考核指標(biāo)[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(fēng)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(shí)現(xiàn)過程中可以從以上兩個(gè)角度出發(fā)尋求突破。

2 電動(dòng)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(yīng)用體系的構(gòu)建，近期主要以完善高強(qiáng)度鋼應(yīng)用體系為重點(diǎn)，中期以形成輕質(zhì)合金應(yīng)用體系為方向，遠(yuǎn)期以形成多材料混合應(yīng)用體系為目標(biāo)。目前，輕量化技術(shù)的不斷發(fā)展主要受益于高強(qiáng)鋼技術(shù)的發(fā)展以及復(fù)合材料的應(yīng)用，車身技術(shù)發(fā)展趨勢的重點(diǎn)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(jī)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(qiáng)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(jìn)行多材料混合設(shè)計(jì)，其中鋼66%，鋁26%，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）3%，而碳纖維復(fù)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(yù)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(qiáng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、材料選擇及制造工藝三個(gè)方面實(shí)施[5]：

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(shí)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(dá)減重目的，同時(shí)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(rèn)可。在車身設(shè)計(jì)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(yīng)用Isight等CAE優(yōu)化工具，搭建碰撞、NVH、耐久等多學(xué)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(shí)現(xiàn)性能以及輕量化目標(biāo)。

3.1.2 高強(qiáng)鋼、薄壁化處理

對車身“輕量化”而言，高強(qiáng)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(shí)，車身分別減重6%、12%和18%。同時(shí)，采用高強(qiáng)度鋼板還提高了汽車車體的抗凹性能、耐久強(qiáng)度和大變形沖擊強(qiáng)度安全性。降低鈑金料厚的同時(shí)，車身A環(huán)/B環(huán)/C環(huán)重要接頭位置采用閉環(huán)設(shè)計(jì)，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(qiáng)度高、塑性好、可以通過熱處理改變其力學(xué)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(diǎn)，被廣泛用作汽車輕量化材料[7]。近年來，鋁材在汽車上應(yīng)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(jìn)行降重，在保證相同力學(xué)性能的同時(shí)，重量降低62.3%。同時(shí)，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(yīng)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(qiáng)度高、剛性好、碰撞吸能性好，抗凹性高、散熱導(dǎo)熱性能好、鑄造性好、尺寸穩(wěn)定性等多重有點(diǎn)，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(jī)廠很少在車上大規(guī)模應(yīng)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(shí)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(yīng)用于汽車中，其應(yīng)用已逐漸向外飾件、車身和功能結(jié)構(gòu)擴(kuò)展，如保險(xiǎn)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(fù)合材料（CFRP）的發(fā)展尤為矚目，碳纖維復(fù)合材料比強(qiáng)度極高，是最佳的輕質(zhì)高強(qiáng)車身材料，碰撞時(shí)成碎片狀，能大量吸收碰撞能量，目前碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用逐漸由中高端車向平價(jià)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(shè)計(jì)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(diǎn)，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(jī)實(shí)施柔性軋制獲得的，在軋制過程中，借助于軋機(jī)的壓下厚度自動(dòng)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(yù)先定制的變厚度分布，變厚板技術(shù)特別適用于長形的實(shí)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(dòng)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(jìn)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(shí)多材料連接工藝也是實(shí)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(dòng)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(jià)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(shí)，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(jìn)一步促進(jìn)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(yīng)用，需要板材供應(yīng)商與主機(jī)廠共同推進(jìn)。結(jié)合先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熱沖壓、激光拼焊等先進(jìn)制造工藝的成熟應(yīng)用，必將打造出超高強(qiáng)輕質(zhì)車身。

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

參考文獻(xiàn)：

[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(shè)計(jì)方法及應(yīng)用[J].汽車實(shí)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(shè)計(jì)研究[J].汽車實(shí)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(shí)踐[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（23）：102-103.

[6]錢余海，吳慶芳，雷浩.汽車輕量化材料及工藝的研究進(jìn)展[J].大眾科技，2022，24（02）：49-52.

[7]孫海洋.鋁合金在現(xiàn)代汽車輕量化生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)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(dòng)轎車車身 Super-lightweight EV-Car Body of Chang'an[Z/OL].（2020-09-19）.