汽車研發：電動汽車輕量化技術及實施方案！

隨著互聯網造車的野蠻介入，電動汽車進入高速發展期，但是由於電池能量密度的限制，電池包的重量遲遲無法降低，那麼電動汽車的輕量化就迫在眉睫。

今天

漫談君就和聊一聊：

電動汽車的整車輕量化技術及實施方案

一、輕量化概念

汽車輕量化是指汽車在保持原有的行駛安全性、耐撞性、抗震性以及舒適性等性能不降低，且汽車本身造價不被提高的前提下，有目標地減輕汽車自身的重量。汽車輕量化是設計、材料和先進的加工成形技術的優勢集成。

二、輕量化技術分類

三、輕量化核心內容

1、材料輕量化

車身輕量化常使用碳纖維、高強度鋼板、超高強度鋼、鎂合金、鋁合金、鈦合金、複合材料、塑料等。

1）用高強度鋼板替代普通低碳冷軋鋼板，提高零部件的強度和剛度，降低鋼板厚度或者截面尺寸來減輕重量。高強度鋼板在基本力學性能、冷衝壓成形、烘烤硬化、抗凹、焊接、疲勞強度、抗腐蝕和外觀質量等方面均優於普通低碳冷軋鋼板。 

目前國際主流車型的高強度鋼占車身的比例已普遍達到70%以上，自主品牌的高強鋼的應用已達45%，部分車型達50%。某商用車車架採用了屈服強度700 MPa級高強鋼替代抗拉強度為510 MPa級材料，通過結構優化實現主梁減重38kg，加強梁減重170kg，合計減重208kg，成本降低600多元，並且在車箱輕量化方面採用了700MPa級高強度鋼板替代Q235生產標準車箱，實現減重20%~37%。某車型的白車身採用高強度鋼板、超高強度鋼板等材料後，重量降低36kg。

2）輕金屬材料是低密度、高強度的輕質材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金等。輕金屬能直接減輕零件質量，已成為最直接、最有效、最常用的輕量化措施。

A、鋁合金

根據美國鋁學會的報告,汽車上每使用0.45 kg鋁就可減輕車重1 kg。理論上鋁製汽車可以比鋼製汽車減重40%左右。對於1輛1 300 kg重的轎車,若質量減輕10%,其燃油消耗可降低8%。

B、鎂合金

鎂合金常用於儀錶板骨架、轉向盤、氣缸體、氣缸蓋、進氣歧管、輪轂、變速器殼體、車門框、車身部件等，單車上的鎂合金用量為5.8~26.3 kg。

C、鈦合金

目前，鈦及其合金可用於製造發動機配氣系、曲軸連桿機構和底盤零件，如氣門、氣門彈簧、凸輪軸、連桿等。此外，鈦合金板材和管材還可用於消聲器及車輪。鈦合金材料的應用範圍已從賽車逐漸擴大到批量生產的轎車。

D、超高強鋼

超高強度鋼可製造大部分車身件。不論從成本角度，還是從性能角度來看，高強度鋼板是滿足車體輕量化、提高撞擊安全性的最佳材料。為適應今後更為嚴格的法規，高強度鋼的使用量將會越來越大。隨著用戶對撞擊安全性能要求的提高，其作用也將愈發明顯。

硼合金超高強鋼的強度可以達到1 500 MPa，是鋁合金的5倍，而密度只有鋁合金的3倍，因此減重比鋁合金更有效。比如全鋁合金車身可減重30%，而硼合金鋼可使白車身減重33%，但成本卻比鋁製車身減少30%。車身強度也大幅提高，碰撞安全等級達到最高級，能夠同時滿足汽車對輕量化和安全性能的要求。當鋼板厚度分別減少0.05、0.10、0.15 mm時，車身減重分別為6%、12%、18%。採用先進的高強度鋼，增加了安全性，降低了雜訊和振動，提高了燃油效率，減輕了汽車總質量。成本不增加，而加速性、駕駛性能則有所改善。

塑料及其複合材料是另一類重要的汽車輕質材料，可減輕零部件約40%的質量。與通用塑料相比，工程塑料具有優良的機械性能、耐化學性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩定性等特點，比被取代的金屬材料輕且成型時能耗少。從20世紀70年代起，以軟質聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、襯墊類、緩衝材料等塑料在汽車工業中被廣泛採用。福特公司開發的LTD試驗車，塑料化後的車身取得了輕量化方面的明顯成果，整車減重可達300 kg以上。

塑料在汽車中的應用範圍正在由內飾件向外裝件、車身及結構件擴展，今後的重點發展方向是開發結構件、外裝件用的增強塑料複合材料、高性能樹脂材料及塑料，並會更加重視材料的可回收性。從品種上看，聚烯烴材料因密度小、性能好、成本低，其用量會有較大的增長。預計聚丙烯和聚氯乙烯今後分別可保持8%、4%的年增長率，聚乙烯的增長勢頭也比較強勁。

F、複合材料

複合材料主要使用在車身外覆蓋件，如發動機罩蓋、翼子板、車門、車頂板、導流罩、車箱後擋板等，甚至出現了全複合材料的轎車車身。

G、其他材料

a、玻璃增強材料與金屬相比，具有密度小、比強度高、耐腐蝕及隔音、隔熱等特點，可以成型複雜形狀的零件且製作成本低。因此，越來越多地選用玻璃增強材料來替代金屬材料，主要是SMC和GMT兩種材料。一般這兩種材料主要應用在保險杠防撞桿、前翼子板、後備胎罩和後背門上。

b、玻璃纖維是由熔融玻璃拉成的纖維，它在高溫融化後非常容易重新凝固，不利於回收處理。法國國家科學研究中心正在研究一種以大麻和聚氨酯為原料的合成材料，除具有金屬和玻璃纖維各自的優點外，價格更便宜，質量更輕，韌度更強，而且可以生物降解。

c、紡織複合材料由紡織結構物和基體材料組成，將紡織技術和現代複合材料的成型技術相結合，有效地克服傳統複合材料的取向性和層合材料的面內力學性能不均勻、損傷容限低等缺點，具有很高的比強度和比模量，抗疲勞性能好。

d、柔性紡織複合材料主要用於內、外裝飾及車用管材、帶材；剛性紡織複合材料可以製作車身部件。

e、 高強度結構發泡材料具有質量輕、可以製作複雜形狀、加強效果明顯等優點。應用預埋在接頭處的高強度結構發泡材料來提高整車剛度已逐漸被汽車廠商接受並使用，例如法國雪鐵龍Picasso C4和OPEL Astra等。

f、發泡聚烯烴可以減輕質量及易循環使用，主要應用包括聲音吸收罩和儀錶薄板製品。

某車型對儀錶板骨架進行輕金屬材料輕量化，原鋼製儀錶板骨架質量為5.545kg，採用鎂合金材料進行全新優化設計，結合先進位造工藝，新的鎂合金產品質量為1.895kg，達到減輕質量65%。某公司研發的4G18發動機，其中的氣缸體-曲軸箱由原來的合金鑄鐵改為鋁合金後重量減輕了26.2kg，進氣歧管由鋁合金改為PA66後重量減輕了2.76kg，還有排氣歧管、氣缸蓋罩、正時鏈罩、曲軸、安裝支架等材料的改進，使整個發動機總成的重量減輕了56kg。

3）以塑代鋼的塑料零部件可減輕整車質量，其中75%塑料還可以循環再利用，可以大幅降低能源消耗和推動環保進程。某車型在底盤系統中大量採用鋁鎂合金和塑料材料，並對踏板支架、換擋機構等採用塑料材料設計，優化後的穩定桿、手制動支架使減重效果達到50%以上。  

2、結構輕量化

車身結構輕量化也就是結構優化設計，即通過採用先進的優化設計方法和技術手段，在滿足車身強度、剛度、模態、碰撞安全性、疲勞壽命、NVH（振動雜訊）、車身結構可製造性、生產成本等諸多方面的性能要求，以及相關的法律、法規、標準的前提下，通過優化車身結構參數，提高材料的利用率，去除零部件冗餘部分，同時又使部件薄壁化、中空化、小型化、複合化以減輕重量，實現輕量化。如圖4所示：某微型客車，利用先進的有限元分析，在不降低整車剛度、強度、模態、碰撞、NVH等多項性能指標的前提下，通過更改零件厚度和零件結構來實現輕量化結構優化設計，共減重16.71kg，節約成本，降低油耗。

四、結構輕量化設計與優化

1、通過CAD來優化設計汽車結構，減少車身重量和鋼板厚度，使部件薄壁化、中空化，小型化及複合化達到輕量化目的，採用CAE技術計算汽車強度和剛度，確保減重整車的性能。  

2、開發設計車體和部件更趨合理化的中空型結構。主要途徑就是在結構上採用「以空代實」，即對於承受彎曲或扭轉載荷為主的構件，採用空心結構取代實心結構，同時優化結構布局，使之更加緊湊，這樣既可以減輕重量，節約材料，又可以充分利用材料的強度和剛度。  

3、在輕量化與材料特性、工藝性、生產批量、成本及其它制約因素中找到一個最佳的結合點，實現多材料組合的輕量化結構，強調合適的材料用於合適的部位，結合CAD／CAE，使結構輕量化設計與優化融入開發前期，縮短開發周期，降低成本，確保了汽車輕量化的效率和質量。

4、鋁、鎂合金等輕金屬材料先進成型製造技術主要有半固態成形、高真空壓鑄、等溫擠壓、等溫鍛造等，每種成型製造技術都通過計算機模擬設計極大地改善輕合金的精確高效成形性能，可實現高精度、高效率的精確成形製造，獲得預期的材料組織性能與成形質量。  

汽車結構輕量化設計是通過CAE優化設計方法，以原型車為基礎的輕量化改型設計，需要考慮到改型設計的實際可操作性和由此帶來的加工製造成本增加，因此要盡量不修改模具，並且僅以車身結構零件厚度作為變數進行優化設計，其設計流程如圖：

五、輕量化技術路線

1、設定工程目標

2、基於這些目標，在實施輕量化工程中，具體採用以下措施：  

1）對部件的優化設計主要包括最優的承載路徑，均勻化的結構和優化的幾何形狀。  

2）在製造工藝方面主要是採用

A、激光拼焊板、深拉延件和液壓成形、輕量化的鑄件，點焊和激光拼焊等連接技術；

B、鋁合金板材的自鉚技術和翻邊連接技術；

C、熱成形與液壓成形技術以及滾壓成形技術；

D、解決高強度零件的成形，減少零件數量，減少結構的焊點，提高零件的性能。  

3、在材料技術方面，採用高強度鋼和先進高強度鋼、鋁合金與鎂合金、不同材料的複合應用技術、纖維增強複合材料的應用等，最終達到開發時間最短、成本最低和白車身性價比最佳化的目標。  

在進行輕量化時，要使用計算機模擬幾何形狀、載入路徑的優化預測成形性和疲勞壽命來優化設計，從而減少試製時間和縮減實驗次數；並可對被動安全性、撞擊時的載荷路徑和變形進行模擬，從而可以優化選材和製造工藝以及使用先進的成形技術。

六、電動汽車輕量化

意義及要求

動力電池的能量密度低，與傳統燃油相比，動力系統（主要是電池）通常占整車總質量的30%-40%，達到500—800kg。因此提高能量密度，降低重量不言而喻，如下圖。

電動車輕量化主要從兩個方面開展：

1）實現整車的輕量化——抵消動力系統凈增加的質量；

2）實現電池的輕量化——提高現有電池的能量比或開發新的動力電源。

七、電動汽車整車

輕量化及相關技術

1、整車輕量化

整車輕量化的重點在車身和底盤。

電動汽車整車為車身、底盤、非簧載質量構成（制動系統、輪胎）、空調系統、轉向系統、動力傳動機構、電池、電機及相應的管理系統等構成。整車輕量化需要各個系統的輕量化並有效集成，重點突破應該是車身和底盤的輕量化。

由上表可以看出，車身、內外飾和底盤約佔整車總質量的2/3，通過底盤和車身的輕量化可以最有效達成電動汽車整車的輕量化。 

相對於傳統汽車的輕量化技術，電動汽車整車的輕量化重點應該放在輕量化材料的應用上。因為，在原來鋼製材料的基礎上採取的所有產品、工藝技術手段和措施最多能減輕質量10%-12%，不能滿足電動車減重的需要。

目前車身常用複合材料，車體和底盤常用輕質金屬或碳纖維，輔以相應的結構設計、製造技術為核心的輕量化技術。

2、車身輕量化

電動汽車車身輕量化主要在新材料的應用及其結構設計、模具設計和相應的工藝製造技術上。新的高強度、低密度的輕質車身材料很多，最適合電動汽車的應該是複合材料。 

ASF全鋁車身具有安全、可回收、質量輕的特點。輕質的鋁合金車身使車體質量大大減輕，與相同體積的鋼鐵相比，質量可減輕30%-40%，這意味著更低的油耗和更佳的動力性能。此外，鋁合金車身幾乎可以百分之百地回收再利用，合乎環保要求，框架結構還可以提高車體的安全性，保護車內設施。

特斯拉全鋁車身

目前，國內進行的如火如荼的互聯網造車的代表蔚來汽車也採用了全鋁車身，大家都知道，鋁相對鋼在硬度上要差一些，很多人都懷疑全鋁車身的安全性，其實在應用前，汽車公司都會採取大量的技術手段來保證安全性，大家不用擔心。如果大家感興趣，可以來參加中國國際汽車輕量化論壇，屆時將邀請蔚來汽車先進工程高級總監Danilo Teobaldi解構蔚來汽車全鋁車身安全性！

B、高強度鋼車身

採用高強度鋼可以降低鋼板厚度，從而減輕車身質量， 高強度鋼因冶煉和加工技術複雜而導致成本居高不下，適合高端電動車。 

未來，隨著塑料車身的熱膨脹係數（CTE）難題得到解決之後，改性塑料將越來越多地應用到輕量化車身上， 將比金屬車身更具優勢。 

碳纖維作為汽車材料，質量輕、強度大，質量僅相當於鋼材的20%-30%，硬度卻是鋼材的10倍以上。碳纖維增強複合材料（CFRP)車身碳纖維車身比鋼質車身可減輕50%的質量，比鋁車身輕約30%，如圖。

採用碳纖維可以使整車減重達到50%以上。碳纖維增強複合材料在電動汽車上的應用效果，見下表。

3、底盤輕量化

底盤輕量化主要採用輕質金屬或碳纖維配以先進結構設計，以達到底盤更輕同時更堅固的目的，從而減輕整車質量並改善電動汽車的安全性和操控性。 

特斯拉輕量化底盤

鋁合金底盤相比鋼鐵底盤減重幅度大。 以A0級尺寸的電動汽車為例，通常採用鋁合金技術的底盤其質量僅為數10kg。

採用鎂合金或鋁合金鍛壓輕量化輪轂以減輕非簧載質量，可改善加速和操控性能。

4、車用熱塑性複合材料

GMT是以玻璃纖維(氈)為增強材料、熱塑性樹脂為基體，通過加溫、加壓製成複合材料，是國際上極為活躍的複合材料開發品種，GMT片材在汽車工業中的應用達40多種，主要有座椅骨架、保險杠、儀錶板、發動機罩蓋、電池托架、腳踏板、地板、護板、後背門、車頂棚、行李托架、遮陽板、備用輪胎架等部件。

LFT的組成材料可以是玻璃纖維、芳基纖維、碳纖維、鋼纖維和其他能夠形成連續紗的纖維，現在廣泛應用在汽車工業中。

NMT具有價廉、可回收、可降解、可再生等優點，在汽車工業中的應用目前還局限在汽車內飾件上。

該材料已開始用於製造汽車底盤，具有強度高、耐久性好、可靠性高和減重的優點。

5、 整車製造新工藝

1）片狀膜成型（SMC）、樹脂轉移成型（RTM）、擠壓、注射、液態或半固態等新型成型工藝取代傳統衝壓工藝。

傳統汽車成形技術為衝壓、鍛造，主要應用於汽車車門、殼體等部件。這種工藝特點是產品的一致性好、效率高，但需要非常昂貴的設備與模具投入，整車產品投資在1億元人民幣左右。在一定程度上制約了新能源汽車產業的發展。

通過國外技術應用與試驗證明，實施輕量化技術工藝是最為有效的解決方法。

2）粘接、鉚接工藝取代傳統焊接工藝

焊接是傳統四大工藝之一，它將汽車不同的衝壓件按要求精確定位在專用的的工裝夾具上，採用大功率的機器人焊接線拼焊成形，其一次性的設備、工裝投入僅次於塗裝工藝，在工廠面積、作業環境、操作安全方面都有規範要求。特點是工藝複雜、投入大。電動汽車在採用輕量化材料和工藝後，粘接與鉚接將更多使用，將超出焊接的強度要求，可節省投入成本。國內現在部分車型的車門、發動機罩蓋、後備箱蓋等均採用兩次模壓成型粘接工藝完成

3）簡化的塗裝工藝取代傳統鋼板材料的塗裝工藝

傳統汽車生產塗裝工藝是酸洗、水洗、表調、磷化、電泳、烘乾等，其耗能高、投資大，同時排污量大。輕量化技術特點是充分利用複合材料本身的優點，直接模內塗裝或只做表面噴塗，可節省磷化、電泳工藝的巨大投入。

4）模塊化組裝取代傳統的總裝工藝

新的整車結構設計是利用複合材料本身的優點實現汽車零部件的集成化和模塊化，減少整車裝配工位和工時，大大減少自動化輸送設備的投資。

5）天然纖維在汽車零部件上的應用   

天然麻纖維幾乎可以使用在汽車大多數的內飾件上，可以有效減輕零部件的質量，增加強度，降低成本，降低雜訊，還可以減少車內揮發有機物（VOC)含量。

6、電池的輕量化

電池的輕量化換言之就是要提高現有電池的比能量或者是開發更先進的電池（電源）。

在電池的輕量化上，做的最好的是特斯拉，大家一直都很好奇，也很想知道特斯拉是如何做到的？中國國際汽車輕量化論壇擬邀請（正在確認中）：特斯拉電池技術總監Kurt Kelty來揭秘特斯拉最新電池輕量化技術，看看特斯拉是如何走在世界前沿的！

電池的質量比能量和體積比能量是決定電動汽車性能的關鍵指標，需要儘快改善，見下圖。

可以看出， 整車輕量化和提高電池比功率是相輔相成的關係。 

一方面，現有的電池（包括鉛酸系列、鎳系、鋰系）實際比能量與理論比能量均還有不小的差距，說明還有提升空間，如在提高極板材料比表面積、電池結構設計、工藝水平、工藝方法、電解質等方面均有可能改善，需要聯合所有的力量、資源加以突破。同時，系統的比能量更低，管理系統的優化也是重點改善方向之一。希望科學家們和實業家們儘快開發提升現有電池的比能量。

另一方面，全世界都在尋找大於200 W·h/kg的新電池，也有說法稱這個指標是電動汽車能否與傳統汽車性能相抗衡的臨界值。如下表，輕金屬燃料電池比液體燃料的比能量高或接近。

最差的金屬燃料電池的理論比能量也要比磷酸亞鐵鋰電池的350 W·h/kg要高得多。這就為我們提供了找到實際比能量（含系統）大於200 W·h/kg電池的可能性。目前，國內外很多機構都在研究鋰空氣電池、鋁空氣電池、鎂空氣電池及鋅空氣電池等金屬燃料電池（或叫金屬空氣電池、金屬氧化電池）。更容易量產，並在製造、成本、安全性等方面甚至比鋰電池更具優勢。金屬燃料電池見下圖。

金屬燃料電池與其他電池相比具有如下獨特的優點。

a、效率高

燃料電池發電不經過從熱能到機械能再到電能的轉換過程，因而沒有中間環節的能量損失。目前，火力發電或原子能發電最高效率只40％；燃料電池的發電效率一般為40％-60％；金屬燃料電池的綜合利用效率可達 70％-80％。  

b、機動靈活

燃料電池發電裝置是由許多基本單元組成的。1個基本單元由2個電極夾、1個電解質板組成。將上百個基本單元組裝起來就構成一個電池組，再將電池組集合起來就形成了動力電池。燃料電池質量輕、體積小、比功率高，特別適用於電動汽車動力單元。與鉛酸電池對比，裝備相似質量和體積的燃料電池的汽車行駛里程數倍於以鉛酸電池為動力的汽車，充電間隔行駛里程接近甚至超過傳統汽油或柴油車的加油間隔行駛里程。 

金屬燃料電池的開發和應用極有可能是電動汽車輕量化的最重要方向之一。此外，插電式增程型電動汽車在基礎設施不能普及的情況下，也將是解決純電動汽車續駛能力差的方案之一。

八、結束語

總之，電動汽車必須從輕量化做起，輕量化要從車身、底盤、發動機等各個子系統進行輕量化開發並系統集成。採用新型複合材料和新型電池是重點方向，只要堅持開展一系列的創新活動，即新技術、新平台（底盤）、新材料、新工藝和新電池（電源）就一定能開發出具有真正商品化意義的電動汽車。

此次中國國際汽車輕量化論壇由希邁商務籌備，將於11.16—11.17在上海舉辦，已邀請出席的有：

1、國際汽車輕量化綠色科技聯盟副主席祝穎丹；

2、北汽股份汽車研究院新材料及技術部輕量化專業主任孫壘；

3、安徽江淮汽車股份有限公司技術中心衝壓工藝部總監崔禮春；

4、吉利汽車集團戰略規劃部部長劉景林；

5、比亞迪汽車技術科科長趙明文；

6、東風商用車技術中心工藝研究所所長康明；

7、眾泰汽車汽車工程研究院整車安全與CAE部部長徐作文；

8、蔚來汽車先進工程高級總監Danilo Teobaldi；

9、觀致汽車汽車工程副總裁Roger Looney；

10、克勞斯瑪菲亞洲總裁Georg Holzinger；

11、聖讓汽車系統銷售市場副總裁Herve Vericel；

12、西卡汽車亞太區研發經理Elyes Jendoubi。