新能源汽車輕量化技術(shù)路線和應(yīng)用策略

王帥，孫洋

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新能源汽車輕量化技術(shù)路線和應(yīng)用策略

王帥，孫洋

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

整車輕量化技術(shù)對于整個汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排、滿足國家法規(guī)和可持續(xù)發(fā)展都有著重要意義。汽車輕量化技術(shù)涉及汽車材料技術(shù)、設(shè)計開發(fā)技術(shù)、工藝制造技術(shù)等多個學(xué)科，需要多產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合突破。文章研究新能源汽車輕量化技術(shù)路線和發(fā)展方向，論證新能源汽車開展輕量化的戰(zhàn)略意義以及輕量化技術(shù)路線，從技術(shù)層面分析了新能源汽車輕量化對整車性能的影響，總結(jié)新能源汽車輕量化技術(shù)路線和應(yīng)用策略。

新能源；技術(shù)路線；輕量化

前言

汽車輕量化技術(shù)涉及汽車材料技術(shù)、設(shè)計開發(fā)技術(shù)、工藝制造技術(shù)等多個學(xué)科，需要多產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合突破。汽車輕量化產(chǎn)業(yè)鏈的形成將帶動整個相關(guān)的零部件產(chǎn)業(yè)的提升和創(chuàng)新發(fā)展。

從國際上看，比較成熟的汽車市場中歐美日韓政府制定了相關(guān)法律和政策來推動新能源汽車的發(fā)展，并出臺了一系列輕量化技術(shù)路線和法規(guī)，對汽車輕量化技術(shù)投入大量的科研經(jīng)費和前瞻性研究。

從國內(nèi)政策角度看，中國制造2025規(guī)劃重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖明確我國汽車輕量化技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)我國汽車行業(yè)自身的現(xiàn)狀及特點，制定出具有引領(lǐng)性、指導(dǎo)性以及戰(zhàn)略性的規(guī)劃和可實現(xiàn)的科學(xué)的輕量化技術(shù)發(fā)展途徑。按照國內(nèi)汽車輕量化水平來看，高強鋼仍將保持主導(dǎo)地位，多材料選擇將進一步發(fā)展，鋁鎂合金、以塑代鋼應(yīng)用依然是未來汽車輕量化材料發(fā)展方向，并且伴隨著先進制造技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化手段的發(fā)展，研究體系逐步深化。成本和輕量化技術(shù)研究儲備依然是左右輕量化技術(shù)應(yīng)用的兩個主要因素。

本文針對國內(nèi)外汽車整車廠開展的輕量化技術(shù)路線和取得的成果進行分析。

1 新能源汽車開展輕量化技術(shù)的戰(zhàn)略意義

從國際上看，歐美日韓政府制定了相關(guān)法律和政策來推動和保障新能源汽車的發(fā)展，出臺了一系列輕量化技術(shù)路線和法規(guī)，對汽車輕量化技術(shù)投入大量的科研經(jīng)費和前瞻性研究。先進輕量化技術(shù)在上述市場應(yīng)用非常普遍，寶馬、奧迪和大眾等國際汽車品牌正引領(lǐng)輕量化技術(shù)發(fā)展。

圖1 大眾和奧迪等歐洲品牌輕量化技術(shù)路線

從國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃來看，中國制造2025規(guī)劃了重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖對汽車輕量化做了重要規(guī)劃和思路建設(shè)。汽車輕量化技術(shù)路線圖和新能源汽車技術(shù)路線圖明確我國汽車輕量化技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)我國汽車行業(yè)自身的現(xiàn)狀及特點，制定出具有引領(lǐng)性、指導(dǎo)性以及戰(zhàn)略性的規(guī)劃和可實現(xiàn)的科學(xué)的輕量化技術(shù)發(fā)展途徑。

圖2 我國輕量化產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展目標(biāo)和途徑

新能源汽車由于需要增加電池、電機和電控系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)車車重要增加5%-25%之間，根據(jù)測試結(jié)果來看，車重對于新能源尤其是電動汽車更加敏感，輕量化對于新能源汽車尤其重要。新能源汽車通過輕量化降低電池成本并提高續(xù)駛里程，降低能耗。

圖3 新能源汽車減重后對于動力性影響

同時，新能源汽車輕量化可提高汽車動力經(jīng)濟性，可有效提高車輛續(xù)駛里程。數(shù)據(jù)基于行業(yè)內(nèi)新能源車型數(shù)據(jù)，整車重量減少10%，動力性可提高6%左右。

2 新能源輕量化技術(shù)路線和發(fā)展趨勢

2.1 我國輕量化產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線

各國都在大力發(fā)展電動汽車，包括純電動和插電式混合動力。國內(nèi)輕量化業(yè)務(wù)起步較晚，同合資品牌相比在輕量化技術(shù)研究儲備和應(yīng)用有一定差距，鋁鎂合金和高分子材料等輕量化材料應(yīng)用比例較低。

通過最近幾年車型開發(fā)過程中的重量管理和輕量化技術(shù)的推進應(yīng)用和實踐，整車重量的市場競爭力逐漸上升，輕量化技術(shù)的研究領(lǐng)域不斷擴展。技術(shù)合作模式大力發(fā)展，局部突破，全面驗證，平臺推廣的輕量化發(fā)展思路得到驗證。

國內(nèi)輕量化產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線在2020年前實現(xiàn)減重8％-15％輕量化目標(biāo)，提高高強鋼應(yīng)用比例，發(fā)展熱成型等加工技術(shù)，同時加大鋁合金在發(fā)動機、底盤關(guān)鍵零部件和覆蓋件上的應(yīng)用技術(shù)的研究，加大以塑代鋼應(yīng)用；在2025年實現(xiàn)減重12％-20％輕量化目標(biāo)，整車大量應(yīng)用鋁鎂合金，實現(xiàn)全鋁車身應(yīng)用(發(fā)展高壓成型、鋁合金激光拼焊、液態(tài)模鍛、真空壓鑄技術(shù))和部分零部件碳纖維和塑料等復(fù)合材料應(yīng)用（在線注塑、模壓技術(shù)）。

圖4 我國輕量化產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖

2.2 國際領(lǐng)先的新能源汽車輕量化技術(shù)

放眼來看，目前各大汽車廠商都寶馬作為當(dāng)前國際知名汽車生產(chǎn)商，一直在引領(lǐng)這汽車行業(yè)輕量化技術(shù)發(fā)展和變革。寶馬的輕量化策略隨著車型定位的上升，由高強鋼、鋁合金到碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的趨勢比較明顯，隨著新7系和新能源車型I3和I8的上市，寶馬在復(fù)合材料上的應(yīng)用達(dá)到了新的高度。

圖5 寶馬輕量化技術(shù)路線

寶馬I3是寶馬全新超輕復(fù)合材料整車的量產(chǎn)車型，代表著碳纖維復(fù)合材料輕量化技術(shù)的發(fā)展方向。車型采用了碳纖維復(fù)合材料上車身和鋁合金下車身的模塊架構(gòu)，其中碳纖維復(fù)合材料上車身代表乘員艙部分，由34個碳纖維復(fù)合材料零部件構(gòu)成。而鋁合金下車身則將電池組、底盤和碰撞防護結(jié)構(gòu)集成一起，整車重量下降300kg以上，進而續(xù)駛里程和動力性有較好表現(xiàn)。

圖6 寶馬I3輕量化概念

2.3 新能源汽車整車重量發(fā)展趨勢

重量管理體系，主要圍繞重量數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)、流程和BOM系統(tǒng)打造。這里面最核心的為數(shù)據(jù)庫建設(shè)和BOM流程管控，有大量的整車和系統(tǒng)重量數(shù)據(jù)庫可以幫助制定的重量目標(biāo)更加合理，二通過BOM系統(tǒng)管控可以實施監(jiān)控重量變化。

圖7 國內(nèi)汽車整車輕量化率

2.4 動力電池輕量化技術(shù)路線和發(fā)展趨勢

從目前的技術(shù)發(fā)展來看，純電汽車動力電池系統(tǒng)輕量化空間較大：

（1）提高動力電池正極活性物質(zhì)提升動力電池能量密度，進而減輕電池重量；

（2）減少電池組配件重量；

（3）電池箱體以及結(jié)構(gòu)件選用當(dāng)下先進輕質(zhì)材料，比如鋁合金底座、SMC和碳纖維等復(fù)合材料。當(dāng)前電池箱體下殼體主要采用鋁合金結(jié)構(gòu)，兼顧強度和散熱等功能集成，上殼體采用輕質(zhì)復(fù)合材料可以更大幅度減重，提高電池能量密度，從成本和性能考慮SMC和碳纖維更加適合，這也是未來電池組材料的發(fā)展方向。

3 未來新能源輕量化應(yīng)用策略

3.1 新能源輕量化技術(shù)路線策略

結(jié)合汽車技術(shù)路線規(guī)劃，短中期以國內(nèi)主流技術(shù)路線為基礎(chǔ)，參考寶馬的前沿性輕量化技術(shù)，開展前瞻性技術(shù)儲備研究。

（1）探索打造以碳纖維、玻纖、玄武巖纖維等復(fù)合材料為主的超輕復(fù)合材料車身。

（2）圍繞新能源汽車超輕復(fù)合材料車身及電動車全新架構(gòu)等發(fā)展需求，突破玻纖、碳纖維為主的復(fù)合材料輕量化正向設(shè)計基礎(chǔ)理論與設(shè)計方法。

（3）鋁鎂等輕質(zhì)合金零部件的設(shè)計驗證和連接技術(shù)研究

圖8 國內(nèi)汽車輕量化技術(shù)路線策略

3.2 新能源輕量化數(shù)據(jù)庫策略

建立重量對標(biāo)數(shù)據(jù)庫，提升輕量化設(shè)計能力，跟蹤前沿輕量化技術(shù)情報。

（1）建立以A2MAC1數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的重量對標(biāo)庫。

（2）研究全新架構(gòu)輕量化結(jié)構(gòu)形狀與尺寸設(shè)計、優(yōu)化方法和優(yōu)化理論研究材料-結(jié)構(gòu)-性能-成本一體化設(shè)計方法。

（3）積極參與國內(nèi)外輕量化技術(shù)交流合作，同科研機構(gòu)進行情報共享。

3.3 新能源汽車項目開發(fā)策略

結(jié)合項目需求，推動重量管理和輕量化技術(shù)在整車上的應(yīng)用和推廣：

（1）重點發(fā)展重量管理在項目中的應(yīng)用，重量管理是整車輕量化的根本措施。

（2）提升整車和系統(tǒng)目標(biāo)制定分解能力。

（3）開展輕量化成本與性能收益平衡研究。

4 結(jié)論

綜上所述, 隨著整車輕量化要求越來越高及鋁合金和碳纖維復(fù)合材料等應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)突破和成本逐漸降低，超輕量化車身應(yīng)用將成為新能源汽車發(fā)展趨勢。從傳統(tǒng)“以鋼為主的車身”到“全鋁車身”到“多材料車身”到“超輕復(fù)合材料車身”及全新構(gòu)架底盤等創(chuàng)新型系統(tǒng)，整車生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)裝備也發(fā)生了巨大變化，建立與汽車輕量化新趨勢一致的生產(chǎn)工藝與裝備是汽車輕量化發(fā)展的必然趨勢。隨著鋁合金、鎂合金及低成本的復(fù)合材料產(chǎn)品與成型技術(shù)不斷突破，汽車企業(yè)已經(jīng)開始加大鋁合金、鎂合金及低成本的復(fù)合材料的使用，為新能源汽車輕量化技術(shù)發(fā)展打開了空間。

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New energy vehicle lightweight technology route and application strategy

Wang Shuai, Sun Yang

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

The vehicle lightweight technology is of great significance for the whole automobile industry to save energy, reduce emissions, meet national regulations and achieve sustainable development. Automotive lightweight technology involves many disciplines, such as automotive material technology, design and development technology, process manufacturing technology and so on. This paper studies the technical route and development direction of light weight of new energy vehicles, demonstrates the strategic significance and technical route of light weight of new energy vehicles, analyzes the impact of light weight of new energy vehicles on vehicle performance from the technical level, and summarizes the technical route and application strategy of light weight of new energy vehicles.

New energy sources; Technical route; lightweight

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.014

U469.7

A

1671-7988(2019)10-38-04

U469.7

A

1671-7988(2019)10-38-04

王帥，工程師，本科，就職于華晨汽車工程研究院，研究方向為整車重量管理和輕量化推廣。