新能源汽車輕量化技術應用現狀

于艷敏

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

新能源汽車由于具有能源來源廣泛及排放低等優點而成為各國汽車行業研發及投資的重點。2016年10月26日，中國汽車工程學會編制的《節能與新能源汽車技術路線圖》正式發布，明確了新能源汽車作為未來汽車行業發展方向的必要和必然性，更是確定了汽車輕量化作為七大領域之一，為新能源汽車產業提供關鍵技術支撐的重要地位。《路線圖》中明確了按高強鋼、鋁合金、鎂合金和碳纖維復合材料的順序逐步過渡的輕量化技術總體思路，從用材、工藝、設計3個方面闡述了2030年整體比2015年減重35%的輕量化規劃，足見輕量化技術在新能源汽車開發中占據了舉足輕重的地位。基于此，文章對新能源汽車輕量化技術的應用現狀進行了相關敘述。

1 輕質材料的應用

1.1 高強鋼

高強度鋼可分為普通高強度鋼和先進高強度鋼（AHSS）。普通高強鋼主要包括烘烤硬化（BH）鋼、無間隙原子（HSS-IF）鋼和高強度低合金（HSLA）鋼等；AHSS主要包括雙相（DP）鋼、復相（CP）鋼、孿晶誘導塑性（TWIP）鋼、相變誘導塑性（TRIP）鋼、馬氏體（MS）鋼、熱成形（PH）鋼及淬火延性（QP）鋼等。汽車用鋼按強度等級的分布，如圖1所示。

圖1 汽車用鋼強度等級分布

某車型的A/B柱、車門檻、前防撞梁、車門防撞梁、橫梁、縱梁、頂蓋橫梁、地板橫梁及電池包防護框架等零件，均采用了高強鋼和超高強鋼，占比高達68%，輕量化系數達到4.05。通過提高白車身高強度鋼板的應用比例，可以減少零件數量和降低板材厚度，提高車身安全性的同時實現輕量化。業內專家認為，高強鋼能夠滿足減輕汽車質量和提高碰撞安全性能的雙重需要，甚至從成本與性能角度來看，是目前滿足車身輕量化、提高碰撞安全性的最佳材料。

1.2 鋁合金

鋁合金體積質量小，僅為鋼的1/3，易于擠壓成型，具有良好的耐腐蝕性、良好的強度和韌性。鋁制轎車車身比鋼制的質量減輕超過40%，鋁車輪比鋼車輪質量減輕30%，《路線圖》中更是把2030年單車用鋁量超過350 kg作為發展目標。

特斯拉Model S車型的車身用到了大量的鋁合金，并且通過特殊的焊接技術實現了鋁合金構件與鋼構件的連接[1]；蔚來ES8選擇全鋁車身設計，且使用率高達96.4%，白車身質量為335 kg，白車身輕量化指數達2.02；奧迪A8白車身的用鋁量達58%，包括地板、前圍、頂蓋橫梁等采用鋁板，前后縱梁和邊梁采用鋁型材，前后彈簧支座等采用鋁鑄件。鋁合金在汽車上的應用越來越普遍，未來也將成為最具優勢的汽車輕量化材料之一。

1.3 碳纖維復合材料

碳纖維增強復合材料有著絕佳的物理特性：比鋁輕30%、比鋼輕50%，強度卻是鋼的7～9倍，其中以樹脂和金屬為基體的復合材料在車身上的應用較為成熟，具有應用于車身制造的諸多優勢[2]。據測算，碳纖維復合材料的應用可以使汽車車身和底盤質量減輕40%～60%。而碳纖維復合材料零部件的應用，能比同類鋼質零部件質量減輕50%以上，比鋁制部件質量減輕30%以上。

目前，碳纖維復合材料制成的車身結構件已在寶馬Z-9和Z-22系列中大量采用。寶馬i3全碳纖維承載式車身總質量只有112.2 kg；德國大眾汽車公司的“2 L車”CC1研究項目中，碳纖維復合材料用于車身的比例高達45%；北汽的純電動汽車ARCFOX-1采用了整體成型碳纖維復合材料上車體，BJ80SUV則采用了碳纖維前機蓋；前途K50車殼材質全部采用碳纖維材料，29個碳纖維復合材料零部件總質量僅為46.7 kg，比使用傳統鋼板材料質量減輕40%以上，比使用鋁合金材料質量減輕20%以上，并且采用免噴漆的覆膜技術，將整車質量盡可能降至最低。

2 新技術和工藝的應用

2.1 內高壓成型

內高壓成型是利用管材作為原材料，內充高壓液體，從而實現沿軸線方向不等截面的復雜零件的一次成型。內高壓成型示意圖，如圖2所示。某車型車架縱梁采用內高壓成型，該縱梁總長為4.63 m，沿軸線方向為變截面結構，其截面周長最小為308 mm，最大為534 mm，可通過錐形管分3次成型完成。采用此工藝可實現減輕質量34%，提高材料利用率30%。電池托架、副車架、散熱器支架、儀表板管梁及下擺臂等的部件成型均可采用內高壓成型技術。

圖2 內高壓成型工藝示意圖

2.2 熱壓成型

熱壓成型是在一定溫度的模具內進行沖壓并淬火，以實現相變強化的一種成型方法。目前主要的熱壓成型鋼為硼鋼，成型后強度為1 500 MPa。與傳統沖壓相比，熱壓成型零部件的厚度至少可以減薄20%，提高車身零部件強度從而減少加強板數量，進一步實現質量減輕。某車型B柱加強板由激光拼焊板搭配2個小加強板的原方案改為熱壓成型的B柱加強板，零部件減薄的同時減少了2個小加強板，單側質量減輕1.285 kg。A/B/C柱加強板、車門防撞梁、地板和頂蓋邊梁、前防撞梁及縱梁等零部件均可采用熱壓成型工藝。

2.3 輥壓成型

輥壓成型是以若干對輥輪為成型工具，隨著輥輪的旋轉運動，將鋼帶向前送進的同時進行順次成型，以獲得所需斷面形狀的一種加工方法，輥壓成型示意圖，如圖3所示。比較典型的應用輥壓成型的零部件包括前后防撞梁、門檻梁、頂蓋橫梁、地板橫梁、車門窗框等。某車型門檻梁采用輥壓成型工藝，應用1.4 mm的1180MS冷軋高強鋼替代2.0 mm的B410LA冷軋汽車結構件鋼，單件質量減輕30%，單件成本下降23.2%，有效地實現了減重降本。

圖3 輥壓成型工藝示意圖

2.4 激光拼焊板的應用

激光拼焊技術可以將不同厚度、不同材質及不同表面狀態的鋼板對拼后焊接在一起，再沖壓成零部件。因其具有自由組合的性質，可將不同的鋼板進行拼接，實現了減輕車身質量、增加車身剛度、減少車身裝配零件數量、提高裝配精度和成本的目的。采用激光拼焊板可使零件質量減輕24%，生產時間縮短21%。目前由激光拼焊板生產的汽車車身零部件主要有前后車門內板、前后縱梁、側圍、底板、A/B/C柱、輪罩及背門內板等。

3 優化結構設計方法的應用

除了造型、厚度及斷面優化等傳統汽車結構優化的輕量化方法，新能源汽車輕量化結構設計還體現在驅動電機小型化、逆變器的小型化、電驅系統的高度集成及輪轂電機的應用等。

驅動電機小型化的主要實現途徑包括提高永磁電機功率密度、增加線圈的占積率、拓寬回饋制動高效區、縮短線圈末端和采用低成本易采購的電磁鋼板等，比較典型的案例是本田混合動力車上采用的二電機驅動系統（電機與發動機），與使用常規電機相比，高度與寬度分別縮減了9.2%和9.7%。

逆變器的小型化是加速電動化的關鍵，而碳化硅功率器件較現有車載逆變器中使用的硅功率器件，可以使逆變器的功率損耗降低超過50%，損耗減小即發熱量減少，由此可以減小逆變器尺寸。

通過電機集成減速器的“二合一”或電控+電機+減速器的“三合一”方案，可以實現輕量化、高效、小型化，同時降低成本。某采用了三合一方案的電驅動總成包含了電機、減速器與電控等集成，相比此前的總成，該電驅動總成質量降低15%，體積也將近降低20%，成本下降了30%，在同等電量下，NEDC工況的續航里程提升約5%。某車型涵蓋電機、電控、變速器高速集成的三合一電驅動總成，以及DC-DC、充電器和配電箱三合一的高壓系統等，如圖4所示，驅動總成綜合效率達到88%，最高效率達到91.9%，質量下降了35%，功率密度提升了40%，電機成本下降了40%。將電機+減速器、電機控制器、充電機、直流變換器、高壓分線盒、部分整車控制器等都集成到一起的“多合一”方案更是新能源汽車輕量化技術不斷發展的必然趨勢。

圖4 某車型集成電驅動系統

4 結論

最近10年，輕量化在中國汽車行業得到了快速的發展，甚至有一部分自主品牌汽車的輕量化水平達到了國際領先水平。輕量化不僅是一種新材料或者一項先進技術，而且是車型研發的一項重要技術指標，輕量化必須在整個車型的研發周期內同步開發實施與管控。輕量化技術主要有三大方向，即新材料輕量化、先進工藝輕量化和優化結構輕量化，這3個方向相輔相成，互相約束，需要均衡考慮，才能實現輕量化汽車的有效開發。