新能源汽車輕量化概述

門立忠

（華晨汽車工程研究院）

在新能源汽車被列為“國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)”以及國家密集出臺多項扶持新能源汽車發(fā)展的相關政策的背景下，我國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)駛?cè)肟燔嚨馈８鶕?jù)乘聯(lián)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)：雖然2018年的中國車市在連續(xù)增長28年后迎來首次同比下滑，但是在新能源汽車領域卻繼續(xù)保持高速增長勢頭，1—12 月新能源乘用車批發(fā)100.8 萬臺，同比增長88.5%，高于2017年增速。相較于傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車更需要輕量化，以緩解“電動化”和“智能化”帶來的車輛質(zhì)量增加的問題，從而提升續(xù)航里程和整車性能。新能源汽車輕量化對于推動汽車技術發(fā)展起到了巨大的助力作用，必然成為汽車未來的發(fā)展趨勢。

1 新能源汽車輕量化的意義

試驗表明，一輛傳統(tǒng)燃油汽車在不作改變的情況下，安裝上電池和其他的節(jié)能設備之后，質(zhì)量就會增加20%～40%。新能源汽車由于“三電系統(tǒng)”的加入，質(zhì)量增加明顯，嚴重影響其電耗、動力性、制動性能、被動安全性、一次充電續(xù)航里程、零部件動載荷和疲勞壽命。研究表明，新能源汽車質(zhì)量降低10%，對應續(xù)航里程可增加5%～10%，節(jié)約15%～20%的電池成本以及20%的日常損耗成本。因此，新能源汽車整車減重的需求比傳統(tǒng)汽車更加迫切。

汽車名義密度是反映輕量化的一個通用指標，名義密度越大，表明同體積大小汽車的質(zhì)量越大[1]。

名義體積計算公式，如式（1）所示。

式中：V——車身名義體積，m3；

L，B，H——車身長、寬、高，m；

G——最小離地間隙，m。

名義密度的計算公式，如式（2）所示。

式中：ρ——名義密度，kg/m3；

m——整備質(zhì)量，kg。

圖1 示出2015年國產(chǎn)燃油車和新能源汽車的名義密度對比情況。

圖1 2015年國內(nèi)新能源汽車與燃油車的名義密度對比（緊湊型車）

由圖1 可以看出，新能源汽車產(chǎn)品的名義密度明顯偏大。在短期內(nèi)無法提升電池能量密度的前提下，采用輕量化的材料可明顯提高新能源汽車的續(xù)航里程。

2 新能源汽車輕量化的途徑

汽車的輕量化途徑主要表現(xiàn)在三方面。1）結(jié)構(gòu)輕量化是最容易實施也是成本最低的一種設計手段。每個零件設計都可以大量運用結(jié)構(gòu)輕量化設計。而綜合考慮整車性能，進行多目標優(yōu)化，是目前結(jié)構(gòu)輕量化研究的一大熱點，如模塊化集成設計和結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。2）輕量化材料應用是汽車輕量化最基礎也是最有效的手段。材料輕量化一般是通過采用輕量化的金屬和非金屬材料實現(xiàn)，主要包括輕質(zhì)合金、工程塑料以及各種復合材料。從技術路徑看，碳纖維復合材料、鋁鎂合金、先進高強鋼是目前車企探索的三大方向，使用這3 種材料替代當前的主流材料低碳鋼，可分別減重60%，40%，25%。其中，碳纖維復合材料由于具有體積質(zhì)量低、強度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)秀特性，被認為是未來汽車材料的主要發(fā)展方向[2]。3）先進工藝是先進輕量化材料應用的保障。總的來說，先進的工藝主要包括成型工藝和連接工藝。而先進的成型技術也保證了整車結(jié)構(gòu)的安全性。目前先進的成型工藝包括高強度鋼熱成型、內(nèi)高壓成型、激光拼焊和液壓成型等；而先進的連接工藝包括鉚接、粘結(jié)及焊接等。

上述3 種輕量化途徑在新能源車型設計實施過程中主要表現(xiàn)為：車身輕量化、底盤輕量化、三電系統(tǒng)（動力電池、電機、電控系統(tǒng)）輕量化等。其中，車身的輕量化表現(xiàn)得最為明顯。

2.1 車身

車身的輕量化是整車輕量化的重中之重。從奧迪A8 的“全鋁車身”到寶馬i3 的“碳纖維車身”，都體現(xiàn)了汽車輕量化水平的不斷進步。鋁合金材質(zhì)在能量吸收、韌性以及輕量化方面都有優(yōu)勢，但在剛性與強度角度，鋼材的優(yōu)勢更為明顯，因此，將最合適的材料用在最正確的地方，才能在保證汽車產(chǎn)品安全性、舒適性的基礎上增加實用性。除了材料本身的性質(zhì)，制造工藝的優(yōu)化與成本降低也很關鍵。前沿的輕量化技術應用需要更高的工業(yè)水平來支撐。國內(nèi)造車新勢力在新能源汽車車身的輕量化方面有很多創(chuàng)新和嘗試，如圖2 所示。

圖2 國內(nèi)新能源汽車車身輕量化創(chuàng)新技術

車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化是通過采用先進的優(yōu)化設計方法和技術手段，在滿足車身強度、模態(tài)、剛度和碰撞安全性等方面的性能要求及相關法律法規(guī)標準的前提下，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高材料的利用率，去處零部件冗余部分，同時使部件薄壁化、小型化、中空化和復合化，以減輕質(zhì)量，最后實現(xiàn)輕量化。

與鋁合金車身、碳纖維車身不同，鋼制車身往往需要革新制造工藝來適應材料和結(jié)構(gòu)的變化，目前已經(jīng)廣泛應用的有激光拼焊板、熱沖壓成型和液壓成型等工藝。激光拼焊板可將不同材質(zhì)、厚度、強度和不同表面鍍層的板坯拼合起來，然后進行整體壓型。激光拼焊板工藝已在汽車領域應用成熟，用于制造車門內(nèi)板、加強板、立柱、底板和輪廓等部件。高強度鋼的熱沖壓成型工藝可以解決在強度超過1 000 MPa 時，一些幾何形狀比較復雜的零件，使用常規(guī)的冷沖壓工藝幾乎無法成型的問題。隨著鋁合金在車身上的應用日益廣泛，工程師們開發(fā)了一系列鋁合金壓鑄新工藝，如沖壓壓鑄法、針孔壓鑄法和無孔性壓鑄法等。其中，無孔性壓鑄法最受歡迎，壓鑄時注入型腔的金屬液與氧氣發(fā)生反應，型腔內(nèi)隨即形成真空狀態(tài)，從而實現(xiàn)無氣孔且可熱處理的高質(zhì)量壓鑄件[3]。

2.2 底盤

底盤輕量化可以減輕整車的質(zhì)量和彈簧以下零部件的壓力，更好地延長汽車底部零部件的使用壽命，提高整車的操作穩(wěn)定性和舒適性。新能源汽車底盤的輕量化可完全借鑒傳統(tǒng)車底盤的輕量化方案思路：

1）通過將CAE 仿真技術用于底盤部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，可以更快、更好、更直觀地了解零件傳力路徑，確定哪些地方需要加強及減重，以設計出更好的產(chǎn)品。例如副車架設計運用拓撲優(yōu)化技術，可以在不增加質(zhì)量的前提下，顯著地提高副車架模態(tài)。

2）在底盤零部件中加大輕質(zhì)材料鎂、鋁合金的使用范圍。鋁合金的體積質(zhì)量是鐵的1/3，在保證零件剛度、強度的情況下，使用鋁合金材料可大幅降低零件的質(zhì)量。鑄造或鍛造鎂合金車輪已被用于許多高價位的賽車或高性能跑車。然而，相對較高的成本和鎂合金車輪潛在的腐蝕問題影響了其在量產(chǎn)車輛上的應用。

3）采用先進的工藝技術可以避免應力集中、減少材料浪費。在鋁合金輪轂和底盤部件上開發(fā)的各種鑄造工藝經(jīng)過改造后可適用于鎂合金。此外，低成本、耐腐蝕涂層和新的具有抗疲勞和高沖擊強度的鎂合金開發(fā)，都將加速鎂合金在底盤上的應用[4]。如某車扭轉(zhuǎn)梁原來采用普通的沖壓成型工藝，其零件為了滿足耐久要求必須使用大量的鋼材，使得零件質(zhì)量比較大，達到了25 kg。但采用管材的液壓成型技術，可以使得零件在滿足設計要求的情況下質(zhì)量減輕約20%。

2.3 動力系統(tǒng)

以某款純電動緊湊型轎車（整備質(zhì)量為1 500 kg）為例，各系統(tǒng)質(zhì)量分布，如圖3 所示。

從圖3 可以看出，三電系統(tǒng)質(zhì)量占比最大，約為30%，可見三電系統(tǒng)輕量化的重要性。

一般電池系統(tǒng)主要由電芯、箱體以及結(jié)構(gòu)件組成。在電池系統(tǒng)能量密度一定的情況下，電芯的數(shù)量是一定的。在保證電芯安全性不變的前提下，增大電芯能量密度和減輕電芯質(zhì)量是動力電池系統(tǒng)實現(xiàn)輕量化最直接的方法。但電芯的能量密度在短期內(nèi)不會有太大的提升，只能從箱體和結(jié)構(gòu)件方面考慮。

1）目前大部分電池箱體采用高強度的鋼、輕金屬等材料來實現(xiàn)輕量化。一些廠家開始采用復合材料SMC 和AMM，這2 種材料相對鋁鑄件、鈑金件優(yōu)勢明顯，在滿足同等強度要求的前提下，SMC 和AMM 材料的體積質(zhì)量要比金屬小。相關數(shù)據(jù)表明，在滿足強度要求的前提下，AMM材料比鑄鋁質(zhì)量降低22%，比鋼材質(zhì)量降低64%。另外，AMM材料在SMC 材料的基礎上進行了優(yōu)化，導熱性較強。

2）結(jié)構(gòu)件（支架、框架、端板等）可通過材料改進實現(xiàn)輕量化。目前采用較多的是PC/ABS 材料，將某款PPO 材料與PC/ABS、PA 材料進行對比。PPO，PC/ABS，PA 的體積質(zhì)量分別為1.08，1.2，1.58 g/cm3，在滿足性能的前提下，PPO 材料比PC/ABS 材料質(zhì)量降低10%，比PA 材料質(zhì)量降低32%，可作為PC/ABS 材料的替代材料。削減對發(fā)電無貢獻的電池組配件的質(zhì)量，也可有效地減輕動力電池的質(zhì)量，如減少粘結(jié)劑、導電輔助材料等[5]。不過這種方法并非所有電池組都適用，現(xiàn)階段大部分動力電池在出廠時已經(jīng)盡可能地減少配件，其所能夠削減的部位則少之又少。另外，將導熱墊片替換成導熱膠，也可實現(xiàn)一些質(zhì)量的減輕，同時導熱性能得到加強，電芯的熱失控概率降低，整個電池系統(tǒng)的安全性得到加強。

在電機電控方面，目前部分電機廠商正在不斷探索電機電控系統(tǒng)的集成技術。通過將驅(qū)動電機、逆變器、減速器3 個部件一體化與集成化，可以實現(xiàn)輕量化、小型化，同時降低成本，在一定程度上解放空間，利于整車布置。其中，集成方面包括DC/DC 的集成、雙電機控制器的集成以及其他附件的集成等。而將驅(qū)動系統(tǒng)安裝在車輪內(nèi)的輪轂電機，更是進一步推進了電驅(qū)動系統(tǒng)的小型化，最終實現(xiàn)輕量化。圖4 示出某車型A的2 代車型功率控制單元（PCU）對比情況。經(jīng)過集成，該車型PCU 的質(zhì)量由原21 kg 變?yōu)?3.5 kg，成功實現(xiàn)了輕量化。某車型B 采用了新一代的集成電驅(qū)系統(tǒng)，如圖5 所示，該車型電機、減速器及電控系統(tǒng)高度集成化和小型化，在節(jié)省空間的同時輕量化效果顯著。

圖4 某車型2 代車型功率控制單元對比情況

圖5 某車型集成電驅(qū)系統(tǒng)

3 結(jié)論

現(xiàn)今，隨著新能源汽車市場競爭的日益激烈，輕量化設計一直在不斷地突破與創(chuàng)新，以達到延長汽車續(xù)航里程、改善整車性能、提高產(chǎn)品市場競爭力的目的。

輕量化技術應用帶來的潛在風險首先在新能源汽車上得到了充分的驗證，通過規(guī)避風險，形成了良好的產(chǎn)業(yè)鏈，利于傳統(tǒng)汽車輕量化技術的推廣。新能源汽車輕量化市場的迫切需求，同時推動了先進材料、工藝技術的進步，加快了汽車輕量化水平的快速提升。