車身輕量化技術(shù)對新能源汽車性能的提升研究＊

袁博

（河南省社會科學(xué)院工業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所，鄭州 450000）

主題詞：車身輕量化 新能源汽車 性能提升

1 車身輕量化的相關(guān)理論綜述

1.1 車身基本概念

車身指的是車輛用來載人與裝貨的部分，也指車輛整體。車身是駕駛員操作駕駛和乘客乘坐車輛的場所，同時(shí)又提供了放置貨物的空間。車身可以使汽車擁有符合大眾審美觀的外形，使車內(nèi)環(huán)境適合駕駛和乘坐，同時(shí)減少汽車行駛過程中的空氣阻力，降低噪音振動和能源消耗，抵御外來撞擊、保護(hù)駕駛員和乘客的安全，在美學(xué)和實(shí)用性方面都發(fā)揮著重要的作用。

1.2 汽車車身的發(fā)展歷史

1886年世界首輛汽車誕生了，早期的汽車是在馬車的車身上安裝內(nèi)燃機(jī)而成。整個(gè)車身是以木質(zhì)材料為主的敞篷結(jié)構(gòu)，其車身造型基本上沿用了馬車的形式，后來開始適合汽車的專用造型設(shè)計(jì)。不過，由于發(fā)動機(jī)的功率太小，為了減重，只能裝用輕便、簡單的車篷、擋風(fēng)板、擋風(fēng)玻璃。直到1900年，開始出現(xiàn)金屬車身并取得專利，1914年全世界第一輛全金屬車身的汽車由美國道奇汽車公司生產(chǎn)，此后，金屬逐漸取代木材，成為汽車車身的主要材料并沿用至今。

1.3 車身輕量化技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

車身輕量化技術(shù)是在保證汽車車身強(qiáng)度和安全性能的基礎(chǔ)上降低其整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。轎車自重的20～25%在車身，車身材料的輕量化舉足輕重[1]。實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整車整備質(zhì)量降低10%，燃油經(jīng)濟(jì)性可提高6%～8%[2]；WILLIAM J.JOOST在其研究報(bào)告中提出，中型純電動車整備質(zhì)量降低10%，其續(xù)駛里程可以提高13.7%[2]。孫逢春院士在其研究項(xiàng)目中證明純電動車整備質(zhì)量降低10%，續(xù)駛里程可以增加5%～6%[3]。由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的趨勢之一。

對車身輕量化的研發(fā)始于20世紀(jì)70年代，1973年第一次石油危機(jī)爆發(fā)，導(dǎo)致全球出現(xiàn)普遍性的經(jīng)濟(jì)滯漲，以汽油為主要燃料的汽車的使用成本急劇增加，民眾怨聲載道，在此大背景下，汽車企業(yè)開始通過減輕汽車的整備質(zhì)量降低汽油消耗量，生產(chǎn)輕量化、油耗低的汽車來吸引消費(fèi)者購買產(chǎn)品，以此占領(lǐng)市場，全球主要汽車企業(yè)紛紛投入資金進(jìn)行車身輕量化技術(shù)的研發(fā)。

圖1 車身輕量化技術(shù)路線圖

目前車身輕量化技術(shù)包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕質(zhì)材料、成形工藝、連接技術(shù)四大方面（圖1），核心技術(shù)主要集中在新型輕質(zhì)材料方面的應(yīng)用，以鋼、鋁、鎂、鈦合金為代表的新型金屬合金材料和以塑料、碳纖維為代表的新型非金屬材料是車身輕量化材料的兩大發(fā)展方向[4]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全球已有80%的新生產(chǎn)汽車采用新型的輕量化車身，相信在不久的未來，采用輕量化車身的汽車使用比例會進(jìn)一步提升。

2 車身輕量化技術(shù)在提升新能源汽車性能方面的應(yīng)用

新能源汽車相較于燃油汽車最顯著的優(yōu)勢是加速性好，由于電動機(jī)沒有擋位、不需要變速器，扭矩可以瞬間爆發(fā)，在起步階段即可以完全釋放，具備燃油汽車不可比擬的巨大優(yōu)勢；但另一方面受限于目前技術(shù)水平下的有限的電池容量，新能源汽車的續(xù)駛里程普遍不高，加之充電車位、充電樁等配套設(shè)施建設(shè)不完善，能量補(bǔ)給資源配置不足，導(dǎo)致新能源汽車目前還不能完全實(shí)現(xiàn)長途行駛，短期內(nèi)無法替代燃油汽車。

車身輕量化技術(shù)可以進(jìn)一步提高新能源汽車的加速性，一方面使其對傳統(tǒng)燃油汽車的加速性優(yōu)勢更加明顯，另一方面可以顯著降低能耗，提高續(xù)駛里程，彌補(bǔ)自身的不足。在加速、續(xù)航、節(jié)能方面，車身輕量化都是最有效的解決方案之一。以汽車減重100 kg為例，如果從1 500 kg減到1 400 kg，加速時(shí)間可以縮短0.62 s，最大爬坡度提升2.29%，最大續(xù)駛里程增加6.28 km[5]。

車身輕量化對于新能源汽車整體性能的提升在目前的新能源汽車發(fā)展階段尤為重要，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了關(guān)鍵性作用，各大新能源汽車企業(yè)都在積極研發(fā)車身輕量化技術(shù)，提高其在新能源汽車方面的應(yīng)用比例，本章將選取目前3種主要車身輕量化技術(shù)和代表新能源車型，就其對新能源汽車性能方面的應(yīng)用進(jìn)行詳解。

2.1 高強(qiáng)度鋼材（以比亞迪唐DM為例）

高強(qiáng)度鋼材一般是指屈服強(qiáng)度在210 MPa～550 MPa之間的鋼材，高強(qiáng)度鋼材可以在不增加額外成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)車身質(zhì)量降低25%，更為重要的是靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提升80%，靜態(tài)彎曲剛度提升52%，第一車身結(jié)構(gòu)模量提升58%，顯著提高汽車的安全性能，滿足全部碰撞法規(guī)要求[6]。據(jù)相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)的研究成果表明，車身鋼板的90%現(xiàn)已使用高強(qiáng)度鋼板，高強(qiáng)度鋼材是目前使用最為廣泛的車身輕量化材料[5]。

唐DM是比亞迪汽車公司在2018年6月推出的插電式混合動力SUV—比亞迪唐的全新一代車型，其百公里加速時(shí)間最快達(dá)到4.3 s，純電續(xù)駛里程最高達(dá)到100 km，百公里的綜合工況油耗低至1.6 L，同時(shí)配備了全新的BSG（Belt-driven Starter Generator）電機(jī)，進(jìn)一步提高整車的NVH，在C-NCAP碰撞測試中取得了五星滿分的好成績，綜合性能全面超越上一代車型，是目前全球綜合性能最強(qiáng)的混合動力SUV。

唐DM之所以有如此優(yōu)異的表現(xiàn)，一個(gè)重要原因是車身輕量化技術(shù)的使用，唐DM的車身采用了大量的3H高強(qiáng)度鋼材，車身高強(qiáng)度鋼比例達(dá)到63%，熱成型鋼比例達(dá)到10%，整備質(zhì)量約為2 290 kg，與上—代車型的2 400 kg相比減重約為110 kg，同時(shí)全新的后電機(jī)矩扭達(dá)到380 N·m，使車輛的最大總扭矩較上一代增加130 N·m達(dá)到了950 N·m，在車身減重和扭矩增加的共同作用下，加速時(shí)間縮短了0.6 s，加速性能進(jìn)一步提升，而由于車身減重釋放更多額外質(zhì)量，BSG電機(jī)得以加入，使整車的駕駛過程更加平順、舒適、安靜，能耗得到了進(jìn)一步降低。

由于大量采用了高強(qiáng)度鋼材，與上一代車型相比，扭轉(zhuǎn)剛度提升30%，扭轉(zhuǎn)模態(tài)提升35%，高強(qiáng)度籠式車身框架整體抗壓強(qiáng)度達(dá)到9噸，車身剛性有了巨大的提升，在C-NCAP碰撞測試中取得的優(yōu)異成績正得益于此，整體安全性能十分突出，在日常行駛中，車身可以更好地保障駕駛者和乘客的人身安全[7]。

高強(qiáng)度鋼材的大量使用使唐DM的車重有了明顯的下降，同時(shí)加速、NVH、安全等方面的性能有了顯著提高，使其成為一款優(yōu)異的混合動力SUV。

2.2 全鋁合金車身（以蔚來ES8為例）

鋁合金密度較低，大約為鋼的30%，但強(qiáng)度較高，接近甚至超過優(yōu)質(zhì)鋼，而且可塑性好，能夠加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和抗腐蝕性，在船舶、汽車、航空航天、機(jī)械制造等行業(yè)中已大量應(yīng)用，目前鋁合金是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最多和最為廣泛的一類有色金屬合金材料[8]。

鋁合金是重要的車身輕量化材料，全鋁車身可減輕車身質(zhì)量，對環(huán)保大有益處，從80年代末開始，美國、歐洲、日本等汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國家持續(xù)加大資金投入對鋁制車身進(jìn)行研發(fā)，并取得了突破性進(jìn)展。1995年德國奧迪汽車公司率先進(jìn)行鋁制車身的大批量生產(chǎn)，把鋁制車身從研發(fā)領(lǐng)域真正向應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)變，推向市場，之后鋁合金在車身材料中的使用比例逐年提高。1990～1998這8年間，北美汽車工業(yè)的用鋁量增長了102%。隨著車身輕量化的需求進(jìn)一步提高，鋁合金的應(yīng)用規(guī)模將會進(jìn)一步擴(kuò)大。

新能源汽車企業(yè)近年來在鋁制車身的應(yīng)用方面也有了長足的發(fā)展，其中，蔚來汽車公司在2017年12月推出的大型純電動SUV蔚來ES8采用了全鋁車身設(shè)計(jì)，在車身最關(guān)鍵的傳力路徑和承載部位上也使用了高性能鋁材，在整車車身的材料使用率高達(dá)96.4%，是目前全球量產(chǎn)的鋁合金應(yīng)用比例最高車身的車型[9]。

圖2 白車身框架[10]

蔚來ES8的長寬高分別為5 022、1 962和1 756 mm，整備質(zhì)量為2 460 kg，比同尺寸采用非全鋁車身的新能源汽車輕約10%左右，整車輕量化的技術(shù)核心得益于白車身的減重，白車身（Body in White）是指在焊接之后到涂裝之前階段的車身，不包括四門兩蓋等運(yùn)動件（圖2）。ES8的白車身采用了源于飛行器的全鋁架構(gòu)平臺，擁有著僅335 kg的白車身。在輕量化水平標(biāo)準(zhǔn)中，白車身輕量化系數(shù)越小，說明單位吸能指標(biāo)付出的減重成本越低，它是綜合了車身尺寸、質(zhì)量和性能三方表現(xiàn)獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算公式如下：

L為車身輕量化系數(shù)；m為白車身骨架質(zhì)量（不含四門兩蓋）（kg）；CT為包括擋風(fēng)玻璃和副車架等附件的油漆車身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度（N·m/deg），A是由軸距、輪距決定的白車身投影面積（m2）。輕量化系數(shù)在2.5屬于優(yōu)秀水平，蔚來ES8的白車身輕量化系數(shù)為2.02，屬于十分優(yōu)秀的水平。蔚來ES8的前后雙電機(jī)的最大總扭矩到達(dá)了840 N·m，由于車身輕量化技術(shù)使整車整備質(zhì)量降低，最終實(shí)現(xiàn)了4.4 s的百公里加速時(shí)間，對于一款大型SUV是十分優(yōu)異的成績[11]。

全鋁合金車身使新能源汽車的整備質(zhì)量顯著降低，對其加速性能有明顯提升，但由于鋁合金強(qiáng)度和剛性不如高強(qiáng)度鋼，安全性能稍顯不足，加之制造成本較高，目前采用全鋁車身的車型比例還很低，不過隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相信在不久的未來，全鋁合金車身的車型會越來越多。

2.3 碳纖維復(fù)合材料（以前途K50為例）

碳纖維復(fù)合材料是由有機(jī)纖維經(jīng)過一系列熱處理轉(zhuǎn)化而成的含碳量高于90%的無機(jī)高性能纖維，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度較高（是鋼鐵的5倍），比重小（鋼的1/5），熱容量?。ü?jié)能），具有出色的耐熱性（可以耐受2 000℃以上的高溫）、抗熱沖擊性、低熱膨脹系數(shù)（變形量?。⒖垢g和輻射性能[11]。

圖3 碳纖維復(fù)合材料需求結(jié)構(gòu)

如圖3所示，碳纖維復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)眾多，是車身輕量化的理想材料，但由于現(xiàn)階段其較高的技術(shù)門檻和制造成本，目前只有專業(yè)賽車和少數(shù)超級跑車會使用碳纖維復(fù)合材料，民用量產(chǎn)領(lǐng)域的適用車型極少[12]，長城華冠集團(tuán)在2018年8月推出前途K50純電動跑車，車身采用碳纖維復(fù)合材料，成為全球首款大規(guī)模量產(chǎn)的采用碳纖維復(fù)合材料的新能源汽車。

前途K50車身采用大量碳纖維及鋁合金等輕量化材料，全車碳纖維復(fù)合材料零件共有29個(gè)，這些零件的總質(zhì)量僅為46.7 kg，比傳統(tǒng)鋼板材料減重40%以上，比鋁合金材料減重超過20%，在輕量化技術(shù)的運(yùn)用下，整備質(zhì)量約為1 900 kg，比傳統(tǒng)鋼板車身的整備質(zhì)量足足降低了250～300 kg。

得益于碳纖維復(fù)合材料對車身的減重，前途K50前后雙電機(jī)最大總扭矩為680 N·m，百公里加速小于4.6 s，此外，車輛配備了79 kW的三元鋰電池，實(shí)現(xiàn)了NEDC工況下的380 km的續(xù)駛里程，百公里能耗低至20.79 kW·h，車身輕量化技術(shù)對前途K50在起步加速和續(xù)駛里程兩方面的性能都有顯著的提升[13]。

除上述提到的3種車身輕量化技術(shù)之外，還有鈦合金、鎂合金、塑料等新型材料技術(shù)，不過由于技術(shù)工藝不成熟、制造成本高等因素，目前還沒有實(shí)際投入到量產(chǎn)車的應(yīng)用中。

3 結(jié)束語

在動力電池能量密度短期內(nèi)無法快速提升的客觀條件下，車身輕量化技術(shù)成為了現(xiàn)階段提升新能源汽車綜合性能的有效途徑，隨著電池技術(shù)的進(jìn)一步突破和更多優(yōu)異的新型輕質(zhì)材料的應(yīng)用，未來新能源汽車的綜合性能必將得到進(jìn)一步的提升。