新能源汽车轻量化技术路径及开发策略

王智文 冯昌川

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

1 新能源汽车的轻量化发展背景

2020年上半年，受到新冠肺炎疫情的影响，全球新能源汽车的销量出现了大幅下滑。在这种不利的局面下，国内外的新能源汽车企业积极调整市场策略，从2020年第三季度开始，展现出良好的发展势头。从国内来看，前半年新能源汽车销量仅39.7万台，但随着新冠疫情得到控制，2020年整体新能源汽车的产销超过了136万台，创历史新高[1]。从国际来看，尤其是以德国为首的欧洲国家，实施了从2020年到2025年的新能源汽车购置补贴的政策，4万欧元以下的纯电动汽车补贴幅度达到9 000欧元，使得欧洲的新能源汽车市场发展迅猛。从全球市场来看，特斯拉产销量遥遥领先，达到了50万辆的产销规模，中国品牌比亚迪也表现优异，进入了前三的行列。

近几年随着新能源汽车的不断发展，电动化、智能化、网联化、共享化成为汽车发展的新四化。部分企业也在新四化基础上加上轻量化作为新五化，并加以发展和推动。但无论智能化、网联化，还是电动化，增加新功能均导致整车整备质量增加[2]。整车质量的增加对续航里程、操控稳定等有不利影响，消费者要有更好的体验，那就需要在智能化、网联化和电动化的同时，加强轻量化技术的应用和发展。

针对轻量化技术本身而言，包括材料技术、工艺技术、设计技术、连接技术、评价技术等系统集成的综合工程[3]，是在满足性能和安全成本等综合因素的基础之上，轻量化的设计，轻量化的材料和轻量化的工艺技术在整车产品上的集成应用。轻量化的开发核心是要在整车整备质量的基础上，进行子系统质量指标的分解，进而要考虑整体的性能指标，包括NVH、加速、制动、安全等方面的综合因素，最后要综合考虑产品成本的控制，以实现轻量化技术的合理应用。

基于新能源纯电动汽车各系统质量占比和轻量化技术应用可行性的分析，车身、三电和底盘系统的质量占到了整车的75%～85%，如图1所示[4]，车身系统、三电系统、底盘系统是轻量化技术应用开发的重点，本研究将重点对这三个系统的轻量化技术路径进行分析探讨。

2 车身轻量化技术路径及策略

2.1 车身轻量化发展趋势

车身是整车轻量化最具潜力的系统，随着车身轻量化技术水平的进步，车身系统轻量化逐步由传统钢制车身向高强钢车身、全铝车身、钢铝混合车身、多材料混合车身等方向发展，如图2所示[4-6]。基于车身用材水平，将车身系统的用材水平分为五个等级，随着用材水平和轻量化应用技术水平的提升，车身成本和车型价位越高。

随着汽车产业的发展和材料技术的提升，高强钢、超高强钢、热成形、铝镁合金等应用比例在逐渐增多。福特电动野马和马自达MX-30 BEV均使用了超高强钢车身，如图3所示[7-8]，电动野马的超高强钢及热成形应用比例达到32.6%，其中热成形比例24.9%。马自达MX-30 BEV的超高强钢及热成形应用比例为28.8%，其中超高强钢比例为19.5%。由此可见，欧美车型和日系车型1 000 MPa以上的零件应用比例接近，但欧美系以热成形应用为主，日系则以超高强钢冷成形为主。

相对于高强钢和热成形车身零件，铝合金零件的成本要上升一倍以上。虽然新能源汽车的轻量化需求较为迫切，但为了平衡成本压力，售价较低的车型应用铝合金的比例仍然较少。全铝车身（铝合金比例在80%以上）主要应用于C级以上车型，如捷豹I-PACE、蔚来ES6等，其车身示意图及用材比例如图4[5,9]所示。捷豹I-PACE和蔚来ES6的铝合金应用比例均在80%以上，此外，翼子板和后尾门均应用了非金属复合材料。为了提升车辆的碰撞性能，蔚来ES6的座椅横梁、B柱加强板等7个零件应用了7075 T6铝合金，并采用了铝合金热成形工艺。

综合考虑轻量化与整车碰撞性能、成本等因素，钢铝混合车身的应用逐步取代全铝车身，成为目前新能源汽车车身发展的主要方向。钢铝混合车身的关键碰撞结构件一般选择热成形，其他受到较大应力的零件选用高强钢，前纵梁、后地板、机舱盖等零件则可选用轻量化效果较好的铝合金，如特斯拉Model 3、宝马ix3等，其车身示意图及用材比例如图5所示[10]。特斯拉Model 3车身铝合金应用比例为19%，高强钢和热成形应用比例为50.5%。宝马ix3车身铝合金应用比例为9.7%，高强钢和热成形应用比例为62.4%。钢铝混合车身铝合金的应用比例取决于车身性能要求和成本空间，级别越高的车型铝合金材料应用比例则越大。

从历年欧洲车身会议（ECB）参展车型来看，平均车身轻量化系数呈现出明显的下降（图6）趋势，从2002年车身轻量化系数为3.8，2019年和2020年该系数均在2.7左右。轻量化系数的下降，一方面得益于车身技术的进步，另一方面得益于新能源纯电动汽车轻量化的需求强烈。

新能源汽车车身轻量化的技术路径，目前主要有4个方面，包括轻量化结构设计及刚度提升、高强钢及先进成形工艺应用、车身下车体使用铝合金平台、外覆盖件应用铝合金板材。针对这4个方面的轻量化路径，本文将进行分析和论述。

基于平衡成本与轻量化、续航里程、整车性能等关系的需要，B级及以下车型使用铝合金和多材料的比例较少，车身用材以高强钢和超高强钢为主，并辅以轻量化结构设计和优化进行减重，如比亚迪宋、大众思皓E20X、BEIJING-EX5等车型。C级以上的中高端车型用材多使用钢铝混合车身和多材料车身，如特斯拉Model S、蔚来ES8、捷豹IPACE等车型。

2.2 车身轻量化结构设计

轻量化结构设计的仿真优化手段较多，传统的结构优化设计手段包括截面优化、拓扑优化、形貌优化、接头优化等[11-12]，近些年SFE、MDO等多学科优化设计的应用逐渐增多。与新材料和新工艺等手段相比，轻量化结构优化设计不仅可以实现质量降低，往往还能降低成本。通过成本较低的仿真分析手段，实现尽可能轻的质量，获得尽可能高的性能。

正向的车身结构设计在概念设计阶段需要借助拓扑优化手段，用于确定车身主体框架设计。基于拓扑优化，在输入正碰、侧碰、扭转刚度、弯曲刚度、模态等边界要求的基础上[13]，得到车身空间结构的最佳分布，达到结构、性能和轻量化的初步平衡。福特探险者通过拓扑优化手段完成了车身的概念设计数据，如图7所示[14]，通过拓扑优化和平台路径的设计，实现燃油车、燃料电池车、插电混动车共用的柔性车身平台。

车身接头优化是在已有数据的基础上，对连接接头和连接件进行详细优化，以进一步实现轻量化或提升刚度性能。电动野马将后侧围两个支架优化为一个“Y”字型支架，如图8所示[7]，使得后减震刚度提升6%，整体扭转模态频率提升了0.4 Hz。

截面优化也是车身设计过程中重要的详细优化手段。车身截面设计贯穿整个开发过程，从概念开发到数据冻结。通过对关键结构的截面优化，可以获得较好刚度或碰撞性能。本田e对后纵梁的截面进行了优化，提升了碰撞吸能效果和弯曲刚度，如图9所示[15]。

通过增加平衡杆、加强梁、连接支架、环状结构等可以提升车身整体刚度，如图10所示[16]，丰田雅力士将后围框架设计成环状结构的基础上增加了连接支架，同时将原设计中的左、右后轮罩加强梁连接在一起，提升了车身的整体刚度，从而使车身轻量化系数降低。

结构集成设计也是轻量化的重要手段，通过结构集成可以减少零件的数量，在实现轻量化的同时减少了零部件之间的连接，提升了车身整体刚度[17]。特斯拉Model Y和Model 3使用同一平台，但Model Y的白车身做了大量的设计优化和结构集成。针对后轮罩及后底板横梁模块，2019款Model Y将原Model 3设计方案中的70多个零部件集成为左、右两个大型压铸件，如图11b所示。2021款Model Y进一步实现集成设计，将左、右后轮罩两个压铸件集成为1个零件，如图11c所示，在实现轻量化的同时，提升了车身装配效率和车身刚度。

车身轻量化设计除以上方法外，还可以通过结构胶的使用、形状优化、尺寸优化等手段，对车身结构进行轻量化设计，达到减重和刚度提升的目的。

2.3 车身高强钢及先进成形工艺的应用

相对于其他轻质材料，高强钢具有明显的成本优势，与此同时，应用于传力路径的结构件，可提升车辆的碰撞性能。新能源汽车相对于燃油车使用铝合金的比例增加，但总体来看，高强钢冷成形和热成形比例仍占主导，钢制车身的高强钢+热成形比例在60%以上，钢铝混合车身的高强钢+热成形比例在40%左右。

图12[4]所示为欧洲车身会议（ECB）2009年至2019年车身用钢情况，从图中可以看出，软钢（Mild Steel，MS）和普通高强钢（High Strength Steel，HSS）的比例整体呈下降趋势，目前软钢的比例一般在30%左右。而先进高强钢（Advanced High Strength Steel，AHSS）和热成形钢（Press Hardened Steel，PHS）的比例则逐渐上升，热成形钢比例近几年均在10%以上，部分热成形钢比例较高车型可达25%左右，如奥迪e-tron、大众全新纯电动汽车ID.4等。超高强钢（Ultra High Strength Steel，UHSS）冷成形的比例相对比较稳定，这主要是由于超高强钢和热成形钢的作用相似。欧系车型的热成形钢应用较多，而日系车型则应用超高强钢的比例较高。以丰田雅力士和马自达MX-30为例，其超高强钢冷成形的比例均接近20%，热成形钢的比例则在10%以下。

随着碰撞安全法规的加严和轻量化需求的增强，高强钢先进成形工艺的技术不断进步，促进了高强钢的应用。高强钢的先进成形工艺包括热成形门环、热气胀成形、超高强钢3D辊压成形、热成形软区等。

热成形门环一般是将A柱上/下加强板、B柱加强板、门槛外板等零件进行集成化设计，通过整体落料和热冲压，形成一个热冲压成形门环。热成形门环的应用可实现减重15%左右，并提升25%小偏置碰撞和侧面碰撞性能。图13[18]所示为本田讴歌的25%偏置碰撞效果图，从图中可以看出，热成形门环的应用取得了较好的偏置碰撞效果。目前热成形门环技术路线主要有三种，一种是铝硅镀层热成形钢+激光拼焊技术的不等厚门环，第二种是等厚度门环，第三种是裸板热成形钢+激光拼焊的不等厚门环，门环的应用以第一种技术路径为主。主要原因是等厚度门环的轻量化程度有限，且材料利用率较低，无法降低成本。裸板热成形钢+激光拼焊的不等厚门环需要在热成形后进行喷丸处理，以去除氧化皮，从而对门环的尺寸精度造成较大影响。

提升车身碰撞性能除了可采用热成形钢外，还可以采用马氏体钢，利用3D柔性辊压技术成形，零件的抗拉强度可以达到1 700 MPa。该技术应用于A柱、顶盖横梁、后纵梁等管状结构零件。例如，3D柔性辊压成形应用于A柱，可将A柱上加强板、A柱内板、顶盖边梁等4个零件集成为1个热气胀成形圆管状零件，如图14所示，可实现轻量化30%左右，材料利用提升至90%以上，同时可减小A柱盲区，更容易满足法规要求。该技术对材料和成形工艺的要求较高，控制不当容易造成开裂或回弹超差等问题。目前福特探险者、福特电动野马等已批量应用了超高强钢3D柔性辊弯技术。

A柱的管状成形技术除了可以3D柔性辊压技术外，还可以应用热气胀成形技术[19]，通过高压气体作为介质，对加热后的零件进行预成形，采用模具进行淬火成形，零件强度也可以达到1 500 MPa以上。

热成形软区技术一般应用于热成形钢，可基于碰撞吸能或零件边缘连接的需要，实现零件强度的局部软化[20-21]。目前实现批量应用的软区技术主要有两种，分别为模内软区方案和炉内软区方案，如图15所示[21]。模内软区是通过分段加热模具的方法，在零件成形过程中，实现不同的淬火速率来控制零件强度。炉内软区方案是通过在加热炉中分不同区域进行加热，然后进行冲压成形，炉内温度较低的部分无法形成马氏体而强度降低。

除以上先进工艺之外，高强钢先进工艺技术还包括TWB激光拼焊、TRB变截面、液压成形等，均可以通过工艺的变化来改变零件的强度、截面、厚度等，从而实现轻量化。

2.4 车身下车体应用铝合金平台

平台化设计可以实现零件和结构最大限度的共用，从而降低开发费用、缩短开发周期、降低零件成本等。由于涉及未来产品规划，因此平台化设计要兼顾前瞻性和发展趋势。

对于新能源汽车来说，前期车型的车身结构大多由燃油车演变而来。随着技术的发展，新能源汽车型纷纷摆脱燃油车的束缚，开发独有整车平台[22]。燃油车平台纯电动汽车和纯电动汽车平台对比如图16所示[23]，电动高尔夫下车体采用燃油车平台改造，与纯电动MEB平台在结构布置上存在较大的差异。纯电动平台的空间利用率、电池防护、轻量化效果等明显优于燃油车改造车型。

基于轻量化和平台架构拓展衍生的需要，以特斯拉Model S为对标车型，B级以上自主品牌下车体平台选用全铝或钢铝混合的车型逐渐增多，图17[5,24]所示为部分使用铝合金下车体平台的车型，如北汽新能源Arcfoxαt、广汽埃安LX、蔚来ES6、爱驰U5等车型。

铝合金下车体平台的横梁、纵梁、门槛梁等零件一般采用铝合金型材挤压技术，同一模具可改变挤出件长度来调整轴距、轮距，降低了开发成本。挤压铝合金型材截面设计的自由度较高，可基于零件的性能要求制备复杂的截面结构[25]。以车身门槛梁为例，门槛是车身侧面碰撞的关键部件，可以通过对铝型材的截面优化，提升侧面碰撞的吸能效果和防撞效果，更好地保护电池包。典型铝型材门槛梁截面如图18a所示[5]，相对于钢制门槛梁，蔚来ES6铝型材门槛梁截面加强结构增多。图18b[23]为MEB平台“钢包铝”门槛梁结构，中间采用铝合金型材，外板和内板采用高强钢和热成形，侧面碰撞性能较为优异。

此外，铝合金下车体平台的前、后减震塔一般选用真空压铸铝合金，相对于钢板冲压零件能够减少零部件数量，可实现结构的集成化设计[26]。底板、前围板等面板可选用铝合金板材，如5182、5754等牌号。铝合金车身件替代钢制车身件，一般可以实现轻量化40%左右。

2.5 外覆盖件应用轻质材料

车身外覆盖件可选用的轻质材料一般有两种，一种是铝合金板材，另外一种是非金属材料。其中，非金属材料主要应用于后尾门和翼子板，部分A00级车型车身覆盖件全部采用非金属材料，并配合使用铝合金框架车身，取消传统车身的涂装工艺[27]。中高端车型的侧围外板、机舱盖、车门等零件的轻质材料应用则以铝合金板材为主，这主要是由于铝板材的安装精度、耐老化、刚度等性能优于非金属材料。

外覆盖件用铝板材在不同价位车型的应用比例存在差异，如图19所示[4]，应用铝板材的车型价位已下探到15万元以下，该价位车型主要应用铝合金机舱盖。随着车型定位的提升，铝合金板材的应用比例逐渐增加，50万以上车型的覆盖件以全铝合金板材为主，部分车型使用碳纤维复合材料覆盖件

车身常用铝合金板材主要有5系和6系两种，5系铝合金的表面质量较差，表面粗糙度较高，涂装后容易出现“桔皮”现象，因此对于外覆盖件一般选用外观质量较好的6系铝板，且6系铝板具有较为优异的烘烤硬化性能，涂装后提升了零件的强度。

3 底盘系统轻量化技术路径及策略

3.1 底盘轻量化整体趋势

底盘系统在纯电动汽车上的质量占比仅次于车身和动力电池，占到整车质量的21%左右。由于底盘系统零件大多为处于簧下，而行业内一般认为簧下零件的减重后效果为簧上零件的数倍。因此对底盘零件进行减重，可对整车的续航里程、加速、制动、操稳等产生更加积极的影响[28]。

从底盘系统的发展趋势来看，逐步由传统的钢制底盘，向高强钢底盘、钢铝混合底盘、多材料底盘等方向发展，如图20[4,28-29]所示。纯电动汽车一般采用不同于燃油车的全新底盘系统，采用纯电平台化设计，底盘架构布局和三电系统高度集成化和模块化，如特斯拉Model Y、捷豹I-PACE、蔚来ES6、广汽埃安LX等。

在底盘系统中，轻量化零件的应用以悬架系统的副车架、控制臂等为主，主要采用铝合金材料进行减重。此外，轮毂、制动盘、转向节等零件也可采用轻质材料进行轻量化。

3.2 副车架及控制臂采用铝合金

副车架和控制臂为底盘悬架系统的重要组成部分，其轻量化主要采用铸造铝合金、挤压铝合金、液压成形等技术。

目前，铝合金副车架主要有四种形式，如图21[29]所示，包括挤压铝型材副车架、液压成形铝合金副车架、铸造铝合金副车架、铸造+铝合金型材拼焊副车架等。国内中高端纯纯电动汽车，半数以上的副车架采用铝合金材质。相对于钢制，铝合金副车架可实现轻量化40%左右，且连接点的刚度、整体强度和NVH性能等较为优异。

传统钢制控制臂一般采用高扩孔钢冲压焊接而成。中高端新能源汽车型采用锻造铝合金控制臂，如图22a[30]所示，可轻量化30%左右，质量仅为2～3 kg。也有部分车型采用挤压铸造铝合金控制臂，如图22b[30]所示，其铸造缺陷少，组织致密，力学性能接近锻造零件水平，且成本只有锻造的三分之二，应用前景广阔。

3.3 轮毂采用镁合金材质

轮毂使用的材质一般有钢制、铝合金和镁合金三种，其中汽车行业应用最多的是铝合金轮毂。镁合金是最轻的金属材料，相对于钢制和铝合金，镁合金的轻量化优势明显，且具有比强度高、减震性好、易回收利用等方面的优势。轮毂采用镁合金材质，相对于铝合金可实现25%～30%的减重，且可以提升车轮的操稳平顺性能，进而提升驾乘舒适性。

镁合金轮毂目前主要有两种类型，一种是传统铸造成形，其成形效率高，但组织不够致密，导致轮毂的力学性能不足。另外一种是一次正反挤压锻造成形镁合金轮毂，如图23所示，轮毂的组织致密且表面质量较好，力学性能与锻造铝合金轮毂较为相近，且能够基于造型需要加工较为复杂的外观。针对镁合金轮毂的开发，通用汽车、北汽新能源、蔚来等已完成验证和开发工作，未来有望成为替代铝合金轮毂的重要技术手段。

3.4 制动盘采用铝合金材质

为满足车辆制动性能，汽车制动盘材料要求具有摩擦系数稳定、导热系数高、硬度高、疲劳性能优良等特点。传统的铸铁和铸钢制动盘虽能满足性能要求，但零件较重。轻量化制动盘目前主要有两种方案，一种是分体式制动盘，如图24a所示，盘帽采用铝合金、盘体采用灰铸铁，盘帽和盘体采用紧固件连接。另外一种是一体式制动盘，包括铝基碳化硅制动盘、钢包铝制动盘等，铝基碳化硅制动盘是将较硬的碳化硅弥散分布于铝合金基体，如图24b所示，通过碳化硅的加入可以有效提升制动盘的抗摩擦性能，目前该方案的制动盘尚在开发验证阶段。

4 三电系统轻量化技术路径及策略

4.1 三电系统轻量化整体趋势

新能源纯电动汽车三电系统包括电池、电驱动、电控，三电系统质量占整车质量的25%～40%，是整车质量最大的系统。目前电池材料单体能量密度提升面临技术瓶颈，因此对三电系统的轻量化一般从集成化设计、电池壳体轻质材料应用、电机壳体轻质材料应用等方面开展。如图25[31]所示，电池包壳体从普通钢制向铝合金、非金属复合材料、多材料混合等方向发展，三电系统结构向高度集成化方向发展，最终目标是实现车身、底盘和三电系统的一体化和集成化设计。

4.2 电池包壳体采用轻质材料

电池包是新能源纯电动汽车的核心部件，其质量和性能的优劣直接关系到整车的续航里程和安全性。而电池包壳体是实现电池包轻量化的关键零件，同时起到保障电池包安全性的作用[32]。电池包壳体的轻量化材料一般有三类，包括高强钢、铝合金、非金属复合材料[33]。

电池包下壳体的承载和碰撞性能要求较高，应用铝合金的电池包下壳体一般采用挤压成形，这主要是由于挤压铝合金型材的截面设计自由度高，可以通过对下壳体框架截面结构的优化，提升防撞性能[34]。奥迪e-tron、捷豹I-PACE、欧拉好猫等车型均为挤压铝合金型材拼焊的电池包下壳体，如图26[5,9,35-36]所示。除了铝合金电池包下壳体外，也有部分车型采用高强钢，如奇瑞蚂蚁、日产leaf等车型。

电池包上壳体的承载和性能要求较低，轻质材料可选用铝合金板材、片状模塑料等材质，如图26所示，奥迪e-tron和捷豹I-PACE采用铝板材上壳体，长城汽车欧拉好猫和奇瑞蚂蚁采用SMC上壳体。相对于钢制电池包上壳体，采用铝板材可以轻量化40%左右，采用SMC材质可以轻量化35%左右。SMC材质的电绝缘性能和防腐性能好，铝合金板材的强度、阻燃性能和热稳定性较优。

4.3 无模组技术促进轻量化和能量密度提升

目前在三元锂和磷酸铁锂的电池体系下，靠电芯提升能量密度的空间有限，而市场对能量密度提升的需求却非常迫切。在此背景下，主机厂和电池公司将发力重点放电池包结构优化设计，通过结构优化提升能量密度并降低质量，无模组电池包应时而生，宁德时代、蜂巢、比亚迪等纷纷推出了无模组电池包。通过无模组电池包的应用，可以大幅提升电池包的体积利用率，体积利用率可以提升20%～50%，另外可以降低模组壳体的质量，从而使电池包能量密度提升10%～20%。

宁德时代无模组电池包方案如图27[37]所示，其多个单体直接分布于电池箱体中，取消了电芯单元的壳体，并在电芯之间增加传感器，以监控是否存在挤压。该方案的体积利用率提升了20%，零件数量减少了40%，电池能量密度提升了10%～15%，采用三元锂电的能量密度可达200 W·h/kg以上。

比亚迪推出的“刀片电池”也是采用无模组方案，如图28[25]所示，取消了电池包内部的横梁、纵梁等结构，将单体电芯垂直插入电池包内，类似于“刀片”形状。之所以取消内部横梁和纵梁等结构，是由于长条的单体电芯起到了支撑和加强作用。通过“刀片电池”的应用，电池包的体积利用率提升了50%，采用磷酸铁锂的电池包能量密度提升到了140 W·h/kg。

5 结束语

新能源汽车对轻量化的需求迫切，而有效的轻量化技术路径和开发策略，有助于推进轻量化技术的工程化应用。从目前新能源汽车的轻量化趋势来看，以高强钢为基础的热成形、门环、差厚板、3维高强辊弯等低成本轻量化技术仍是当前主要的技术手段。而对于具有一定成本空间的B级以上纯电动汽车，铝合金下车体平台成为重要选项，车身和底盘则可由传统钢制向钢铝混合、多材料混合应用方向发展。对于三电系统，电池、电机等壳体用材则以铝合金为主，并部分使用复合材料、镁合金等轻质材料，电池系统更趋向于无模组的集成化设计。三电系统结构向高度集成化方向发展，最终目标是实现车身、底盘和三电系统的一体化和集成化设计。