A00級電動車車身技術(shù)路線研究

賈彥敏

（北京新能源汽車股份有限公司，北京 100176）

主題詞：車身輕量化 輕量化材料 平臺化 工藝 產(chǎn)線投資 收益

1 前言

孫逢春院士在2017 年中國汽車輕量化技術(shù)研討會指出[1]，汽車整備質(zhì)量減少10%，可以明顯改善汽車動力經(jīng)濟(jì)性、可靠耐久性、環(huán)境油耗性、安全性、操控駕駛與舒適性，如：加速性能提升0.5 s，油耗降低6%～8%，續(xù)駛里程增加5.5%，尾氣排放減少7%，轉(zhuǎn)向力減少6%，剎車距離減少5%等。同時(shí)，隨著《企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》[2]等國家法規(guī)對能耗、排放等的逐步加嚴(yán)，以及消費(fèi)者對汽車使用經(jīng)濟(jì)性、續(xù)駛里程等的高度關(guān)注，將汽車輕量化作為重要技術(shù)途徑是各企業(yè)的普遍共識?！豆?jié)能與新能源汽車技術(shù)路線2.0版》[3]作為指導(dǎo)汽車行業(yè)發(fā)展的綱領(lǐng)，明確了2020～2035 年輕量化階段目標(biāo)及技術(shù)路線：2025 年純電動乘用車輕量化系數(shù)降低15%，2030年降低25%，2035 年降低35%。預(yù)計(jì)超高強(qiáng)鋼、鋁鎂合金及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用比例將逐步上升，以實(shí)現(xiàn)汽車輕量化目標(biāo)。

車身系統(tǒng)作為汽車企業(yè)自主設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵系統(tǒng)，是汽車輕量化的重要一環(huán)，汽車企業(yè)如何選擇合適的輕量化技術(shù)路線，是平衡輕質(zhì)材料應(yīng)用成本及設(shè)備投入，實(shí)現(xiàn)收益最大化的關(guān)鍵。

因此，本文結(jié)合A00級兩座及四座產(chǎn)品規(guī)劃的制定，研究了目前車身的技術(shù)路線，從車身材料、平臺化策略、工藝路線、成本估算、產(chǎn)線投資方面進(jìn)行全方位分析，并通過投入及收益分析確定最優(yōu)技術(shù)路線。

2 車身技術(shù)路線應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，根據(jù)白車身（Body In White,BIW）用材、工藝及結(jié)構(gòu)，行業(yè)采用的輕量化車身路線可歸為4種。

第1種：傳統(tǒng)鋼車身技術(shù)路線。鋼制BIW 及開閉件，局部輔以高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、熱成型、拼焊等技術(shù)應(yīng)用，該技術(shù)路線成熟度高、低成本，是汽車企業(yè)普遍采用的輕量化技術(shù)路線。

第2 種：鋁合金車身技術(shù)路線。該技術(shù)路線分沖壓板材式及鋁型材框架式2種。沖壓板材式車身以沖壓板材為主，技術(shù)相對成熟、成本較高，主要應(yīng)用在中高端車型上，主要代表車型有I-PACE、蔚來ES8 等。鋁型材框架技術(shù)路線以鋁型材作為BIW框架，外覆蓋件采用塑料。技術(shù)也比較成熟，成本較鋁合金車身技術(shù)路線低，主要應(yīng)用于低端車型上，如EQ1。

第3 種：鋼鋁混合車身路線。該技術(shù)路線以鋼及鋁合金沖壓為主，下車體骨架兼有鋁型材，鋼與鋁占比相當(dāng)，兼有少量其他材料應(yīng)用。目前主要應(yīng)用于中高端車型，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較高、成本也高。代表車型有Model 3、寶馬7系、Model S、廣汽Aion LX和北汽新能源Arcfox αT。

第4 種：碳纖維復(fù)合材料車身路線。該技術(shù)路線以碳纖維復(fù)合材料用材比例最高，兼有部分熱塑性塑料、彈性體、鋼及鋁合金材料應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料車身用材及工藝復(fù)雜度較高，技術(shù)難度大，成本很高。主要用于跑車及高端車型。代表車型有寶馬I3 等。

擬開發(fā)的A00 級兩座及四座產(chǎn)品定位為低成本國民車，規(guī)劃產(chǎn)量較低，基于以上4種技術(shù)路線分析初步確定“傳統(tǒng)鋼車身技術(shù)路線”及“鋁型材框架式車身技術(shù)路線”。

3 主要方案對比分析

基于以上選擇的2 種技術(shù)路線，細(xì)化形成了2 種方案，分別為：

（1）全鋼車身方案，

（2）鋁型材框架（壓鑄鋁接頭）方案。

從車身用材、平臺化策略、工藝路線、成本、產(chǎn)線投資方面進(jìn)行全方位分析。

3.1 車身用材

2種方案的用材及質(zhì)量對比請見表1。

方案（1）采用100%鋼質(zhì)車身，三門兩座車型車身質(zhì)量預(yù)估為300 kg。

方案（2）采用鋁型材、板材及壓鑄鋁，3 種材料占比為64%，覆蓋件采用低成本工程塑料，三門兩座與五門四座車型車身質(zhì)量分別下降159 kg、174 kg。

表1 兩種車身方案用材及重量對比

3.2 平臺化策略

為最大化降低車型開發(fā)成本，三門兩座與五門四座車型在設(shè)計(jì)中充分考慮平臺化和通用化，通過分析確定通用化率目標(biāo)70%。在車身結(jié)構(gòu)方面，五門四座車型白車身在三門兩座車型基礎(chǔ)上進(jìn)行以下變化：

（1）重新框架布置，增加B 柱總成及地板橫梁總成，考慮角接結(jié)構(gòu)；

（2）在車身前部造型一致情況下，保證前排前部結(jié)構(gòu)不變，修改地板及梁架結(jié)構(gòu)；

（3）三門兩座車型加長后在角接點(diǎn)位置適當(dāng)增加壓鑄件比例，保證車身框架剛度不低于目標(biāo)值；

（4）車門模塊化裝配，造型充分考慮2個(gè)車型的通用性。

（5）鋁型材借用供應(yīng)商已有截面形狀方案，減少模具投入。

3.3 工藝路線分析

方案（2）與方案（1）相比，多了鋼與鋁連接類型，鋁型材與鋼的連接主要采用螺接形式，壓鑄鋁與鋼的連接主要采用鉚接形式（表2）。在工藝策略上，方案（2）主機(jī)廠不需投入沖壓車間，但由于采用了塑料覆蓋件，為保證外觀質(zhì)量，主機(jī)廠需投入塑料件涂裝相應(yīng)場地及設(shè)備。

表2 兩種車身方案工藝路線對比

3.4 車身材料成本粗算

基于三門兩座車型對車身材料成本進(jìn)行估算及對比分析，詳見表3。全鋼車身單車成本估算為6 181元，鋁型材框架車身單車成本估算為10 732 元，鋁型材框架車身較全鋼車身上漲約105%。五門四座車型相比三門兩座車型成本約上漲20%左右。

表3 三門兩座車身材料成本對比 元

3.5 產(chǎn)線投資分析

為更好進(jìn)行產(chǎn)線投資分析，預(yù)定以下前提條件：

（1）按產(chǎn)能4萬/年、生產(chǎn)時(shí)間為5年，每天2班計(jì)；

（2）總裝費(fèi)用差異較小，產(chǎn)線投資對比不計(jì)總裝投入；

（3）三門兩座與五門四座車型模具、檢具和夾具考慮設(shè)計(jì)通用率目標(biāo)為70%；

（4）全鋼車身方案主機(jī)廠投入沖壓、焊裝、涂裝與總裝，鋁型材框架車身方案主機(jī)廠投入焊裝（含分總成焊裝）、涂裝與總裝。

以下對各階段投入進(jìn)行估算分析。

3.5.1 沖壓投資分析

全鋼車身廠房（12 000 m2）、沖壓線及模檢夾設(shè)備由公司自行投入，共需投入34 660萬元。鋁型材框架車身公司不投入廠房及沖壓線，僅投入模具、檢具和夾具設(shè)備，且由于型材從供應(yīng)商現(xiàn)有截面形狀中選擇，可與供應(yīng)商分?jǐn)偝杀?。?jīng)測算，鋁型材框架車身方案需為沖壓投入6 100 萬元，比全鋼車身方案節(jié)省28 560萬元（表4）。

表4 兩種車身方案沖壓投資分析 萬元

3.5.2 焊裝投資分析

2 種技術(shù)路線對于廠房都有需求，因此在此不做評估，僅評估差異性較大的部分。全鋼車身焊裝投入按照傳統(tǒng)模式估算，預(yù)計(jì)投入5 205 萬元。鋁型材框架車身焊裝，自建分總成焊裝線，共計(jì)需投入5 495萬元，比鋼車身方案投入增加290萬元（表5）。

表5 兩種車身方案焊裝投資分析 萬元

3.5.3 涂裝投資分析

全鋼車身涂裝投入按照傳統(tǒng)模式估算，預(yù)計(jì)投入20 560萬元，鋁型材框架車身焊裝需投入7 460萬元，比全鋼車身方案投入減少13 100萬元（表6）。

表6 兩種車身方案涂裝投資分析 萬元

根據(jù)以上投資分析，全鋼車身總計(jì)需投入60 425萬。鋁型材框架車身總計(jì)需投入19 055萬元，較全鋼車身方案投入減少43 953萬元。

4 收益綜合分析

4.1 輕量化效果

以三門兩座車型為例，在同等扭轉(zhuǎn)剛度及模態(tài)目標(biāo)下，鋁型材框架車身質(zhì)量共計(jì)141 kg，較全鋼車身降低159 kg，降重53%，輕量化效果顯著。

4.2 性能提升收益

結(jié)合行業(yè)平均水平，具體到本案例，141 kg 降重預(yù)估可提升續(xù)駛里程8.3%，制動性能提升7.5%，轉(zhuǎn)向力降低9%。

4.3 投入產(chǎn)出綜合收益

以三門兩座車型為例。從單車成本估算方面，鋁型材框架車身（10 732 元）較全鋼車身（6 181 元）增加4 551元。從產(chǎn)線投入方面，按20萬輛產(chǎn)品周期計(jì)算，全鋼車身單車投入3 021 元；鋁型材框架車身單車投入953元，較全鋼車身單車投入減少2 068元。從節(jié)約電池電量方面考量，鋁型材框架車身可節(jié)約3 kW·h電量，較全鋼車身可節(jié)省單車成本約3 000 元。綜合以上主要方面，鋁型材框架車身較全鋼車身單車減少投入517元。

5 結(jié)束語

車身輕量化技術(shù)路線選擇應(yīng)根據(jù)公司現(xiàn)有資源、車型投入等情況進(jìn)行具體分析。針對本公司需全新投入產(chǎn)線及產(chǎn)量規(guī)劃情況，選擇鋁型材框架車身能夠用更低的前期投資，實(shí)現(xiàn)單車效益的最大化。