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集成開發、動力系統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。隨著市場熱度持續升溫，電動汽車市場占有率不斷擴大，電動汽車產業正進入高速發展階段。與傳統燃油車相比，電動汽車目前還面臨諸多問題，制約產業的良性發展，比如續航里程較短、充電時間偏長等，都是整個業界關心的問題。車輛的整備質量是影響續航里程最重要的因素之一，汽車輕量化已經在《中國制造2025》汽車發展的整體規劃中明確了宏觀要求，其技術創新已然成為國家的重要科技戰略，引領更多的整車企業、供應商、科研機構將人力資源和資金投入到技術創新研發和生產實踐。

關鍵詞：電動汽車；續航里程；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業界就一直推行備至，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發揮到極致。以汽車整備質量削減100 kg對百公里油耗或者續航里程的影響為例，燃油車可以降低0.3～0.6 L，電動車續航里程可以提高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.電池系統的持續輕量化。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，電池系統的輕量化將是電動汽車技術的發展方向。

2 高強鋼車身的持續推進

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；側圍內板總成（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，可以實現更高強度的零件。熱成形生產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，現在國內車企已經普遍使用熱成形技術生產更高強度要求的零部件，據了解，重慶已有至少4條產線。但是熱成形生產線全靠引進，動輒上億的投資，存在前期投資高、生產加熱能耗高、生產效率低的問題，雖然零件生產成本經過多年的改進大幅降低，但是仍然偏高。

3 鋁材質零件比例不斷提升

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協同合作的模式，開發出一些新材料，積累了一些鋁質汽車零件的經驗。20世紀90年代初，奧迪首先把全鋁車身結構應用到在部分車型如奧迪A8上面，并實現了鋼和鋁兩種材質的焊接和連接工藝突破，車身自重明顯降低，全車焊點數量減少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，整車的驅動駕駛性能、操作穩定性、加速性能等更具優越性。

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動機蓋，但是都主要以鋁合金板材經沖壓工藝、包邊工藝完成的。

鋁合金壓鑄工藝原來主要在發動機缸體、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，鋁材質零件比例不斷提升得到快速的實現。所謂一體化壓鑄工藝是將白車身上多個零件的復雜結構，優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一次性成型，鋁合金結構件在傳統汽車工藝技術模式下的諸多問題得到有效的彌補或者規避。

傳統白車身制造工藝主要由30個左右的大型沖壓覆蓋件、300多個中小型結構件經沖壓后送往焊接車間，由焊接車間經過地板線、側圍線、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工藝比較，具備制造成本低、生產效率高、整車精度高、安全性能推升、整車減重效果明顯等方面的優勢。在輕量化方面優勢特別突出，一體化鋁合金壓鑄車身的重量約為250 kg，傳統沖焊車體重量約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勢，沖壓件的綜合材料利用率在70%左右，傳統鋼制車身生產投入的鋼板為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，批次產量越大優勢越明顯，規模效益越突出。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個沖焊零部件優化集成為大型壓鑄件，數量控制在2～3個，重量將進一步削減10%，相應的續航里程將可以增加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，一體化壓鑄車身結構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，這樣的材料研發與試驗還不夠成熟，已在使用的少數型號材料專利還控制在部分車企和供應商手里，還沒有進入到大規模市場化應用階段；制程工藝參數控制復雜，驗證調試時間長難度大，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。

目前已經有部分國內車企打算采用類似的鑄造設備來生產自家車型，部分壓鑄企業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車身制造工藝并存局面將會持續很長時間，隨著免熱鋁合金的研發成熟、制程良品率提升、設備技術的推廣、投資額度的進一步下調，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、焊接夾具等傳統造車模式帶來較大沖擊［3］。

4 動力電池系統的輕量化

電池、電機、電控等三電系統構成了電動汽車動力系統核心部件，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航里程上的表現［4］。電池包占整車整備質量的20%～30%，續航里程越大，其電池包質量占比就越大。

4.1 優化電池模組的布局，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，電池模組串并聯排布構成動力電池包系統，電池包中模組布局方式與結構設計差異較大。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動模式，還要結合整車重心位置、離地間隙等各方面因素。

模組的結構設計及電芯布局優化，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。

為減少模組的數量，就必須采用標準化模組設計規范，從而大幅削減模組殼體以及相關其他附件質量。

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更新，高強度、高延伸率的鋁合金材料既可以滿足結構強度、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，則減輕了模組的質量。

電池箱體承載整個電池組的質量，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構件，約占電池包30%的質量，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

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，用戶對續航里程的需求不斷提高，傳統汽車的結構已經無法滿足最優設計要求，車身結構一體式電池包結構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、底盤與電池包統籌考慮，展開協同設計，實施電池底盤結構優化開發，把電池與底盤集成為一體。最近出現的滑板底盤技術，更是將三電系統、傳動機構、轉向懸架系統等充分集成，具備成本低、車內空間大、拓展性豐富等多項優點，也是一種高度集成化、平臺化的系統開發模式。Stanford大學進行了電池底盤的集成研發，實驗證明可以將電動汽車整車質量降低40%以上。

5 結語

電動汽車的輕量化技術，無論是結構設計優化、新型材料的研發應用，還是先進制造工藝技術的推廣，總是圍繞成本、質量、安全不斷地推陳出新、迭代升級，推動汽車產業的轉型升級。

參考文獻：

[1]雷冬雪.汽車輕量化技術[C]//2010中國汽車工程學會年會論文集，2010：1211-1214.

[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。