电动汽车车身轻量化技术研究

翟慧颖　胡新

摘 要：与传统燃油车相比，纯电动车在取消发动机及部分附件的同时，增加了“三电系统”，按行业统计数据，其质量较传统车增加一般为15%～40%。因其质量明显增加，对车辆电耗、续驶里程、动力性、制动性、被动安全、车辆可靠和耐久均带来不利影响，而轻量化则是消除这些影响的重要应对手段之一。着重对如何实现电动汽车车身的轻量化的问题探讨，以轻量化意义、轻量化发展现状及趋势为切入点，提出电动汽车车身轻量化的技术路线。

关键词：电动汽车 车身轻量化 技术路线

1 车身轻量化内涵及意义

在2020年发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》（下文简称路线图2.0）中确认了全球汽车技术“低碳化、信息化、智能化”的发展方向，节能汽车仍是市场主力，呈现出一体化、轻量化、高压化发展趋势。路线图2.0中形成了总体技术路线图+节能汽车、纯电动和插电式混合动力汽车、氢燃料电池汽车、智能网联汽车、汽车智能制造与关键装备、汽车动力电池、新能源汽车电驱动总成系统、充电基础设施、汽车轻量化的1+9研究布局[1]。如图1所示。

由此可见，汽车轻量化作为共性指标，贯穿在国家新能源汽车进步发展的全过程中。汽车轻量化是一项复杂的系统工程，它是在成本控制与性能改进条件下，通过轻量化结构设计与轻量化材料和制造技术在整车产品上的集成应用而实现的产品减重。面对日益严峻的油耗法规，世界各国汽车企业都在采取积极的措施以推动汽车产品的节能减排，轻量化是一种有效的手段。因此，推动汽车轻量化的进步，能够快速提高自主品牌汽车的开发能力。研究表明，電动汽车整车质量每降低100kg，续航里程可增加17km（约提升3.6%），相当于增加2.5kwh电量，节约电池成本约3000元。路线图2.0中制定了2020-2035期间，整车轻量化系数降低目标，见下表1。

车身系统作为汽车自主研发与生产的关键系统，其重量几乎占整车重量的1/3，是汽车轻量化的重要一环[2]。传统内燃机车，通过采用新材料降重，仅降低了用户的使用成本（油耗），但用户购车成本增加，用户难以接受。但纯电动汽车，通过采用新材料降重，在保证相同续驶里程的情况下，减少了车辆的电池使用数量，购车成本降低，且更低的车辆使用成本，将吸引用户购买。目前，欧美轻量化主要着重于新材料、新技术，日系轻量化工作主要侧重结构的改进。国际趋势是将车身重量和车身轻量化系数同时作为汽车车身轻量化的重点考核指标[3]。汽车车身轻量化系数公式为：

式中：

L为白车身轻量化系数，单位Kg/[N﹒m/（°）m2]

M为白车身骨架重量，不含四门两该，单位Kg；

CT为白车身静态扭转刚度，带挡风玻璃，单位N﹒m/（°）

A为白车身脚印面积（四轮间的正投影面积）

轻量化系数越低，代表车身轻量化越好，由车身轻量化公式可以看出，车身轻量化并不仅仅代表“减重”，车身重量的减轻与车身扭转刚度的提高有助于得到更好的车身轻量化表现，因此，在车身轻量化实现过程中可以从以上两个角度出发寻求突破。

2 电动汽车车身轻量化现状及趋势

轻量化是未来汽车共性技术发展的重要趋势，根据路线图2.0，我国自主轻量化技术开发和应用体系的构建，近期主要以完善高强度钢应用体系为重点，中期以形成轻质合金应用体系为方向，远期以形成多材料混合应用体系为目标。目前，轻量化技术的不断发展主要受益于高强钢技术的发展以及复合材料的应用，车身技术发展趋势的重点之一在于如何将车身结构高性能、低重量和低生产能耗有机的结合起来，经过多年的新材料及新工艺的发展，车身用材从普通钢车身发展到了高强钢车身、钢铝混合车身、多材料混合车身、全铝车身、全碳纤车身等多种选择。以宝马7系的Carbon Core多材料混合车身为例，如图2所示，钢为主要材料，融合铝、碳纤维进行多材料混合设计，其中钢66%，铝26%，碳纤维复合材料（CFRP）3%，而碳纤维复合材料的使用使得白车身减重40kg成为可能。由于其良好的性能表现，卓越的减重效果及优良的成本控制，被誉为白车身发展的最终方向[4]。

综合考虑轻量化效果、成本及强度等多方面因素，多材料车身轻量化技术是目前的主要发展方向，而传统的连接方式已无法满足目前的多材料轻量化车身，工艺的提升显得尤为必要。

3 车身轻量化技术路线

通过上文可知，车身轻量化设计需要综合考虑安全、耐久、NVH等性能的平衡，一般通过结构设计、材料选择及制造工艺三个方面实施[5]：

3.1 结构设计

3.1.1 结构优化技术

结构轻量化是产品开发过程中最切实可行的方法，是减轻车身自重的重要手段。通过结构优化，不仅能够到达减重目的，同时在保持车身性能方面发挥重要作用，更容易得到市场的认可。在车身设计开发中，可通过参数化软件SFE，建立车身参数化模型，应用Isight等CAE优化工具，搭建碰撞、NVH、耐久等多学科优化模型，高效求解最优的结构、材料、料厚方案，实现性能以及轻量化目标。

3.1.2 高强钢、薄壁化处理

对车身“轻量化”而言，高强度钢是关键的材料之一，对汽车举足轻重的作用[5]。若整车钢板厚度分别减小0.05mm、0.01mm和0.15mm时，车身分别减重6%、12%和18%。同时，采用高强度钢板还提高了汽车车体的抗凹性能、耐久强度和大变形冲击强度安全性。降低钣金料厚的同时，车身A环/B环/C环重要接头位置采用闭环设计，可以提升整车的扭转刚度。

3.2 新材料选择

3.2.1 铝材代钢技术

铝合金优异的延展性、只有不到钢材一半的密度和良好的耐腐蚀性都成为轻量化结构的材料，由于纯铝的密度为2.68g/cm3，仅为钢铁材料密度的1/3左右，且具有强度高、塑性好、可以通过热处理改变其力学性能、加工工艺性能好、具有良好的抗蚀性、可以回收循环使用等特点，被广泛用作汽车轻量化材料[7]。近年来，铝材在汽车上应用量增加很快，主要是板材、挤压材、铸铝及锻铝，在车身结构、空间框架、外覆盖件和车轮等处均有大量利用。利用铝合金的易成型性，通过成型工艺进行降重，在保证相同力学性能的同时，重量降低62.3%。同时，减少焊接成本，模具成本大幅度降低。

3.2.2 镁合金技术

镁合金一直被应用在高性能车中，近年来，伴随着其制造工艺的成熟，已逐渐推广到乘用车市场，镁合金是目前最轻的结构金属，主要元素有铝、锌、锰等，具有强度高、刚性好、碰撞吸能性好，抗凹性高、散热导热性能好、铸造性好、尺寸稳定性等多重有点，目前的主要制造工艺为铸造（压铸）镁合金和变形（铸造、挤压、轧制）镁合金。限于镁合金成本及防腐等问题还未完全解决，因此国内主机厂很少在车上大规模应用镁合金零部件，主要用于轮毂、仪表板骨架、座椅骨架等零件中。

3.2.3 非金属代钢技术

采用高性能轻质材料是实现汽车轻量化的一条重要途径。除了传统的钢铁材料外，塑料材料也被越来越多地应用于汽车中，其应用已逐渐向外饰件、车身和功能结构扩展，如保险杆骨架、车门模块、前端模块、小腿防撞梁、备胎架、顶盖以及后背门系统等。其中，以碳纤维复合材料（CFRP）的发展尤为瞩目，碳纤维复合材料比强度极高，是最佳的轻质高强车身材料，碰撞时成碎片状，能大量吸收碰撞能量，目前碳纤维复合材料的应用逐渐由中高端车向平价车延伸。

3.3 輕量化新工艺

3.3.1 制造工艺

目前，在零部件的设计开发中有多种轻量化制造工艺可供选择，这些工艺普遍具有低成本、高效率、制品质量优秀等特点，常见的制造工艺有：

（1）激光拼焊板：将几块不同属性的钢材焊接成一块整体板，一体冲压成型，减少了零件数量和材料消耗，降低了整车重量，简化了装配工艺。

（2）变厚度板：通过轧钢机实施柔性轧制获得的，在轧制过程中，借助于轧机的压下厚度自动控制系统，控制轧辊的位置，从而轧制出的薄板在沿着钢板轧制方向向上具有预先定制的变厚度分布，变厚板技术特别适用于长形的实心零件。

（3）液压成形：对封闭在模腔内且充满液体的管件施加压力，迫使管壁向内腔形状的空间流动而成形，可减重15～20%，减少零件和模具数量，一体成形，尺寸精度好，稳定性高。

3.3.2 先进连接工艺

材料混合车身已成为未来车身轻量化技术的发展方向，而多材料连接技术是工艺和制造可行性的重要保障，同时多材料连接工艺也是实现轻量化的重要途径，常见多材料连接技术解决方案见下表2。

4 结束语

基于电动汽车的减重需求，轻量化依然是未来汽车的发展方向，从成本和技术角度看，钢材是既能轻量化又可提升安全性的高性价比材料，未来3-5年，主流车型用材策略依旧以钢材为主[8]。同时，铝镁合金、碳纤维等轻质材料的比例不断提高，使用量的提升将进一步促进成本的下降，因而，对新型钢材、铝镁合金、碳纤维等材料的推广应用，需要板材供应商与主机厂共同推进。结合先进的结构设计及热冲压、激光拼焊等先进制造工艺的成熟应用，必将打造出超高强轻质车身。

课题来源：2022年度河南省科技攻关项目“成品粮自动搬运穿梭车可靠性技术研究与装备开发”（项目编号：222102220002）。

参考文献：

[1]于永初.《节能与新能源汽车技术路线图2.0》引领中国汽车产业发展[J].汽车工艺师，2020（11）：8-10.

[2]张娜，李海鹏，葛广跃，王建勇，纵荣荣，许子佳.车身轻量化设计方法及应用[J].汽车实用技术，2022，47（10）：179-183.

[3]王立成，王松，汤湧.轻量化车身减重设计研究[J].汽车实用技术，2020（14）：59-61.

[4]周文俊.碳纤维：汽车减肥瘦身的秘诀[J].广州化工，2019，47（01）：13-14.

[5]姜爱珠.白车身轻量化技术与实践[J].内燃机与配件，2020（23）：102-103.

[6]钱余海，吴庆芳，雷浩.汽车轻量化材料及工艺的研究进展[J].大众科技，2022，24（02）：49-52.

[7]孙海洋.铝合金在现代汽车轻量化生产中的应用研究[J].现代工业经济和信息化，2022，12（02）：135-138.

[8]陈海波.2020（第八届）中国轻量化车身会议（乘用车）—长安汽车超轻量化电动轿车车身 Super-lightweight EV-Car Body of Chang'an[Z/OL].（2020-09-19）.