純電動汽車車身材料輕量化應用現(xiàn)狀淺談

趙治 郝志莉

摘 要：純電動汽車是新能源汽車中的重要一員，在我國備受矚目與歡迎，應用的范圍也非常廣泛，大到城市，小到農(nóng)村都能見到它的身影。車身作為純電動汽車的重要組成部分，對純電動汽車的安全性、續(xù)駛里程等都有重要影響。近年來，除傳統(tǒng)的車身高強度鋼材外、鋁合金、碳纖維、塑料等強度高、密度小的材料在純電動汽車車身上應用越來越多，對純電動汽車輕量化起著越來越重要的作用。

關鍵詞：純電動汽車;車身輕量化;材料

Abstract： Battery electric vehicles （BEV） are an important member of new energy vehicles. They have attracted much attention and popularity in China， and their applications are also very wide. They can be seen in cities as well as small rural areas. As an important part of pure electric vehicles， the car-body has an important impact on the safety and driving range of battery electric vehicles. In recent years， in addition to traditional high-strength steel for car-body， high-strength， low-density materials such as aluminum alloys， carbon fibers， and plastics have been increasingly used in battery electric vehicle car-body， which has become increasingly important role for the lightweight of battery electric vehicles.

引言

目前，純電動汽車車身材料與燃油汽車相同，仍然以車用薄鋼板為主，其低廉的價格與優(yōu)異機械加工性能目前無其他材料可以完全替代[1];但其不能適應純電動汽車的節(jié)能與輕量化的要求。在保證車身強度要求的同時，為減輕其質(zhì)量和降低電能的消耗，許多汽車廠家都積極研究和利用新型車身材料以滿足上述要求。

1 超高強度鋼材

一輛車的安全大致可以分為兩類，主動安全和被動安全，其中主動安全與智能控制相關，諸如ECU、雷達、攝像頭、傳感器、執(zhí)行器等，可以通過收集信號來方便車主操控汽車。而被動安全中，車身強度就是個非常重要的指標，按照力學上的劃分，鋼材有抗拉強度和屈服強度，而汽車廠商宣傳的基本都是數(shù)值更好看的抗拉強度，不過抗拉強度更高也可以代表對于汽車安全更重要的屈服強度更高。簡單說屈服強度高的材料，可以承受更大外力的破壞。

更為關鍵的是，提高鋼材的強度以后，能在保證車身安全的情況下，采用更強更少的材料，大幅度減少車身配重，實現(xiàn)車輛的輕量化設計[2]，而輕量化的優(yōu)點，大家也都知道，同等電能的情況下能夠帶來純電動汽車行駛里程的提升，同時也能帶來加速性能的提升。可以說，大量采用超高強度鋼材料，能夠保證甚至提高車輛的安全性，還可以達到節(jié)能環(huán)保提升車輛加速性能的目的。

目前，中國寶武鋼鐵集團自主研發(fā)成功1000MPa強度至2000MPa強度的超高強冷軋汽車板，在中國乃至世界上是為數(shù)不多的優(yōu)秀汽車高強度鋼材生產(chǎn)商。河鋼集團在研發(fā)超高強汽車鋼材方面也成績斐然，河鋼集團生產(chǎn)的熱沖壓成型鋼最高強度級別也接近1500MPa，并達到一定規(guī)模，可供給汽車制造廠使用。

2 鋁合金

鋁合金具有密度小、強度高的特性，鋁合金車體屬于綠色環(huán)保材料，純電動汽車車身的輕量化已經(jīng)成為純電動汽車車型發(fā)展的必然趨勢[3]。動力電池輸出的功率不變，采用鋁合金遠要比采用鋼材車身而言，無論從操控性，還有電池耗能方面都有明顯的改觀的。

總結來說全鋁車身有如下優(yōu)勢：

（1）突出的輕量化效果。鋁的密度約2.7克/立方厘米，而鋼的密度約7.8克/立方厘米。新能源汽車中車身約占整車重量的一半以上，如果采用鋁合金能減重約45%，而用高強度鋼替代普通鋼材能減重約15%。比如第四代路虎攬勝首次引入全鋁車身后，比第三代路虎攬勝輕了39%，成功減重350kg。從車上一下減掉這么多重量，可見全鋁車身的輕量化效果明顯。

（2）優(yōu)異的抗腐蝕性能。鋁氧化后會在表面形成一層致密的氧化膜，并且與基體牢固結合，穩(wěn)定性很高，所以能對鋁基體形成嚴密的保護。而且通常環(huán)境越潮濕，這個保護膜越厚。因此可以阻止鋁材近一步生銹。

（3）極佳的可塑性。這里不得提到一個典型的案例，鋁合金塑造極美的車身曲面的案例，如捷豹C-Type、D-Type、以及“最美汽車”E-Type的鋁制車體，現(xiàn)在來看依然極富美感，而這種靈龍浮凸的曲面造型，在當時的技術來說，鋼材是極難做出來的。時至今日，沖壓、鈑金技術已經(jīng)可以讓鋼材呈現(xiàn)出復雜的曲面甚至是銳利無比的折角（奧迪是最好的代表），不過還是有很多車出于設計考慮，依然選用鋁合金材質(zhì)制造引擎蓋，只是這已經(jīng)屬于車身覆蓋件的范圍了，和主車身無關。

（4）提升操控性。輕量化能降低車身慣性，增加推重比，相同的動力水平下動力表現(xiàn)能有很大提升。而鋁合金車身鋼性和抗扭性極佳，能給懸架系統(tǒng)調(diào)校留出更充足的空間，提升車身速度極限。

（5）節(jié)省電能。由于車身輕量化，必然帶來電能的節(jié)省，在電動車上使用全鋁車身，車重每降低10%，電耗可以降低5.5%，從而續(xù)航里程增加5.5%。而實現(xiàn)相同里程增量需要增加的電池成本遠高于此。因而相比燃油車輕量化并不可觀的節(jié)油效果，輕量化能讓電動車增加的續(xù)航里程有意義的多。例如大眾e-Golf，通過使用全鋁車身成功減重187kg，而同時優(yōu)化電池配置后成本降低了635歐元。

但是單從材料的性價比和材料的安全性上面來講，鋁合金覆蓋件一旦破壞維修的成本是非常高的。另外，在售后維修的時候會存在鋁合金車體尺寸精度不容易掌握，而且撞擊變形以后修復困難，并且在制造工藝上面來講鋁合金，車身成本也非常高;其次，從車輛的安全上進行考慮的話，和傳統(tǒng)的鋼材車身相比鋁合金車身框架會存在強度不足的情況[4];最后，從裝配和研發(fā)上面來講的話，如果全部裝配全鋁合金車身的話，那么價格就高了，并且生產(chǎn)環(huán)節(jié)要求也非常的苛刻。

雖然全鋁合金車身存在不足，但也不失為純電動汽車車身輕量化材料的重要一員，目前江淮蔚來ES6全系車型都將采用全鋁合金車身，減輕車身的質(zhì)量，讓整車的續(xù)航和加速性變得更加的出色。還有很多純電動汽車車身通過采用大部分鋁合金加鋼材的手段來減重，北汽某車型，除了后地板總成、車門總成，其他全部為鋁合金件，鋁合金占車身的80%。

2018年歲首，“全鋁車身+全鋁底盤”的國內(nèi)首例城市客車項目順利通過了中國第一汽車股份有限公司的路試試驗。該項目由遼寧忠旺集團與中國第一汽車股份有限公司合作開發(fā)，填補了鋁合金在客車底盤應用方面的空白，也是新能源客車市場領域的又一大創(chuàng)新。

對于國內(nèi)車企而言，輕量化已經(jīng)成為各大車企競爭市場份額的必經(jīng)之路。新能源汽車過去幾年中發(fā)展迅速，隨著補貼加速減少，行業(yè)優(yōu)勝劣汰也將加速，具備核心技術競爭力和市場驅動力的龍頭企業(yè)有望受益于集中度提升，市場份額得以提高。

一個利好消息是電動車時代的到來可能會讓全鋁車身有大的發(fā)展，目前世界范圍內(nèi)在政策的引導下，從傳統(tǒng)車企到新興的品牌都投入了電動車的行列，大量資金的投入讓這個趨勢已經(jīng)不可逆。

盡管汽車企業(yè)與鋁型材制造企業(yè)紛紛加大對新能源、輕量化技術的研發(fā)投入，旨在新一輪的行業(yè)競爭中搶占先機。但輕量化是一項系統(tǒng)工程，只有通過結構系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，搭配合適的材料，適當控制成本，才能造出真正為市場所接受的輕量化車輛。

3 碳纖維復合材料

碳纖維不是什么新型材料，但是目前在純電動汽車上的應用也不多。目前的碳纖維車身主要還是用于高端汽車以及賽道汽車上面，典型的就是寶馬的i3就用的是全碳纖維的車身，另外很多方程式賽車為了減重也有大量的部件用了碳纖維的材料[5]。就目前而言，碳纖維的成本對于應用碳纖維是一個較大的限制。

下面說一下碳纖維車身的好處。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。其工藝復雜程度非常之高，想要把碳加工成一塊適用的碳纖維板材需要經(jīng)過幾百道復雜工藝，成本很高。

碳纖維的強度高于超高強度鋼2倍以上，比鋁輕30%左右、比鋼輕50%左右，強度卻是鋼的7至8倍，最早用于軍工、航天、航空等高科技領域，因為重量極輕、吸震能力優(yōu)秀、舒適性高。但表面硬度不佳，當施予之外力高于其破壞強度時，會造成斷裂，也因為這個原因，碳纖維具備了在發(fā)生碰撞時強大的吸能表現(xiàn)[6]。傳統(tǒng)的鈑金修復工作，對于碳纖維車身并不適用，發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的形變部件，同樣也是以更換為主。

碳纖維能夠在正面碰撞時破碎成無數(shù)細小不會對人造成傷害的碎片，這與汽車鋼化玻璃的破碎原理相似，因此碳纖維車身碰撞時可以吸收大量的沖擊動能量，但由于碳纖維很難回收再利用，碰撞后的碎片即使通過高溫分解，重新加工生產(chǎn)出的復合材料只具有碳纖維一半的硬度，因此碳纖維也被稱呼為“一次性碰撞材料”。

但是隨著技術的進步，相信碳纖維材料成本會進一步下降，而工藝會有不斷的改進，碳纖維材料無疑會有更多的應用空間。

4 塑料

塑料是一種常見的材料，在傳統(tǒng)的汽車生產(chǎn)領域，塑料件在車身其它部位有著廣泛的應用如：前后保險杠、儀表盤、進氣管、擋泥板、門板、尾翼、后視鏡罩等等部位。但應用

于新能源汽車車身，卻是近些年出現(xiàn)的。

全塑料車身會有哪些優(yōu)點？第一就是及其有利于輕量化，節(jié)省電能。第二是非常容易修復，當金屬車身遭遇輕微碰撞后非常容易塌陷，因此在噴漆之前就需要做鈑金修復的工作，而塑料件的彈性變形能吸收大量的碰撞能量，再被輕微刮蹭之后一般只需打磨噴漆就可以了。第三是抗腐蝕性極強，不會銹蝕，哪怕在水里泡幾個月也毫無問題，不會像金屬那樣容易腐爛。

目前國內(nèi)外的很多新能源汽車生產(chǎn)廠家在制造車身時，都有“以塑帶鋼”的趨勢。以奔馳旗下的smart為例，其車身80%都是塑料件，我國某科研機構也成功攻關了新能源汽車全塑車身整體一次成型技術，相信未來全塑車身（或者部分塑料車身）會被純電動汽車甚至燃油汽車逐漸采用。

5 結束語

純電動汽車的發(fā)展符合汽車綠色環(huán)保的發(fā)展理念。車身輕量化材料的應用在降低車重、增加續(xù)駛里程的同時，又可以提高車輛自身的加速能，對純電動汽車的發(fā)展起著至關重要的作用，只是目前受制于成本與技術的瓶頸未能廣泛的應用，相信在不遠的將來，通過我們汽車工程師的不斷努力，都一定會有所突破。

參考文獻

[1] 蔣浩民，陳新平等.汽車車身用鋼的發(fā)展趨勢[J].鍛壓技術，2018，（7）： 57-61.

[2] 李賀強，王崇.新能源汽車車身材料及連接工藝概述[J].汽車工程師，2018，（8）：54-56.

[3] 門立忠.新能源汽車輕量化概述[J]汽車工程師，2019（6）：15-18.

[4] 孫麗萍.新能源汽車車身材料特性及發(fā)展現(xiàn)狀淺談[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（9）：166.

[5] 張志陽，邵科源.碳纖維復合材料在純電動汽車車身中的應用分析[J].上海汽車，2013，（10）：60-62.

[6] 郭淑穎.純電動汽車車身輕量化研究[J].吉林工程技術師范學院學報，2019（2）：85-87.