电动汽车轻量化技术的应用探讨

摘要：我国电动汽车在整车系统集成开发、动力系统集成以及动力总成关键零部件技术等方面取得了较大进步。随着市场热度持续升温，电动汽车市场占有率不断扩大，电动汽车产业正进入高速发展阶段。与传统燃油车相比，电动汽车目前还面临诸多问题，制约产业的良性发展，比如续航里程较短、充电时间偏长等，都是整个业界关心的问题。车辆的整备质量是影响续航里程最重要的因素之一，汽车轻量化已经在《中国制造2025》汽车发展的整体规划中明确了宏观要求，其技术创新已然成为国家的重要科技战略，引领更多的整车企业、供应商、科研机构将人力资源和资金投入到技术创新研发和生产实践。

关键词：电动汽车；续航里程；轻量化；应用

中图分类号：U469.72 收稿日期：2023-06-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.006

1 实现电动汽车轻量化的主要技术途径

整车轻量化的技术理念，在以丰田汽车为首的日本汽车产业界就一直推行备至，大力倡导推行“小、少、轻、短”等相关活动，在汽车的轻量化实践中已经发挥到极致。以汽车整备质量削减100 kg对百公里油耗或者续航里程的影响为例，燃油车可以降低0.3～0.6 L，电动车续航里程可以提高5%～10%［1］。因此汽车轻量化技术成为降低能耗、减少排放的有效途径。

当前，车企实现电动整车轻量化的主要技术路径主要从以下三个方面入手：a.持续使用高强度钢板推进车身轻量化；b.提升铝材料的应用比例，推进车身及底盘的轻量化；c.电池系统的持续轻量化。在排放和油耗标准越来越严格的推动下，轻量化技术不断迭代升级，积累了丰富的技术储备和应用基础，在电池储能技术迎来革命性突破之前，电池系统的轻量化将是电动汽车技术的发展方向。

2 高强钢车身的持续推进

高强钢也称高张力钢板，一般指抗拉强度超过590 MPa、屈服强度超多440 MPa的汽车用钢材，最高可以做到抗拉强度超过1 100 MPa，普通钢板的抗拉强度在270 MPa左右，高强钢强度可以提升2～5倍，厚度大幅削减。

当前承载式车身的底板总成（UNDER BODY ASSY）中的左中右纵梁以及前中后横梁；侧围内板总成（SIDE BODY ASSY）的A、B、C立柱及底边梁都普遍采用了抗拉强度超过590 MPa以上的高强钢，约占车身质量40%。

抗拉强度低于980 MPa的高强钢一般采用冷作模具成形，目前的模具材料、热处理工艺、加工刀具、加工机床已经能够满足要求，但高于980 MPa的高强钢一般就采用了热成形技术，可以实现更高强度的零件。热成形生产线由多工位电加热炉、油压机、激光切割机修边打孔工作站等组成，最先应用于欧美系车企，现在国内车企已经普遍使用热成形技术生产更高强度要求的零部件，据了解，重庆已有至少4条产线。但是热成形生产线全靠引进，动辄上亿的投资，存在前期投资高、生产加热能耗高、生产效率低的问题，虽然零件生产成本经过多年的改进大幅降低，但是仍然偏高。

3 铝材质零件比例不断提升

铝合金材料在汽车上的使用，可以追溯到20世纪80年代末。欧、美、日等汽车巨头开展了对铝制汽车车身的研究，多以与与铝材料企业协同合作的模式，开发出一些新材料，积累了一些铝质汽车零件的经验。20世纪90年代初，奥迪首先把全铝车身结构应用到在部分车型如奥迪A8上面，并实现了钢和铝两种材质的焊接和连接工艺突破，车身自重明显降低，全车焊点数量减少40%，车身静刚度提升60%，碰撞强度等指标完全满足设计的各项要求，整车的驱动驾驶性能、操作稳定性、加速性能等更具优越性。

因为铝材料自身的特性，铝车身还存在很多技术问题。比如板材延伸率最大只有30%，远不及常规深拉深钢板如DC06的延伸率45%，导致冲压加工成形困难，良品率低；售后也存在因为焊接修复困难，备件更换昂贵等问题。因此在部分车型上，更多地应用于可拆卸的开闭总成，比如应用较多的是发动机盖总成，目前福特汽车的多款车型普遍使用了铝合金的发动机盖，但是都主要以铝合金板材经冲压工艺、包边工艺完成的。

铝合金压铸工艺原来主要在发动机缸体、缸盖等零部件上应用，特斯拉开启了在电动车车身上应用的先河，也是车身制造的一次技术革新［2］。随着一体化压铸工艺的出现，铝材质零件比例不断提升得到快速的实现。所谓一体化压铸工艺是将白车身上多个零件的复杂结构，优化设计为只使用一个或者几个大型零件，通过铝合金压铸工艺成形的新型制造技术。多个零部件通过集成化制造的方式实现一次性成型，铝合金结构件在传统汽车工艺技术模式下的诸多问题得到有效的弥补或者规避。

传统白车身制造工艺主要由30个左右的大型冲压覆盖件、300多个中小型结构件经冲压后送往焊接车间，由焊接车间经过地板线、侧围线、主车体线、白车体线等工序，完成4 000～6 000个焊点，完成白车体的焊接拼装，检验合格后送入涂装车间。一体化铝合金压铸工艺与传统工艺比较，具备制造成本低、生产效率高、整车精度高、安全性能推升、整车减重效果明显等方面的优势。在轻量化方面优势特别突出，一体化铝合金压铸车身的重量约为250 kg，传统冲焊车体重量约400 kg，最大减重可达200 kg。在材料利用率方面，铝合金压铸也具有一定优势，冲压件的综合材料利用率在70%左右，传统钢制车身生产投入的钢板为480～640 kg，铝合金压铸的材料利用率可以在90%以上。特斯拉的Model Y车型的后段下车体总成采用一体化压铸工艺，效果非常明显，自重削减了1/3，综合制造成本也整体降低了近一半，批次产量越大优势越明显，规模效益越突出。这使特斯拉公司更有信心采取更大胆的工艺革新，准备把由组成下车体总成的约400个冲焊零部件优化集成为大型压铸件，数量控制在2～3个，重量将进一步削减10%，相应的续航里程将可以增加10%以上。

一体化铝合金压铸车身，也存在诸多问题，比如初期设备投入额度过高，采购一台重型压铸机的需要上亿元人民币，而冲压用的机械压力机仅需千万元，一条全自动冲压生产线差不多接近一个亿；冲压模具的寿命可达50万次甚至更长，而压铸件的模具寿命10万次左右；材料工艺要求高，一体化压铸车身结构件需要既坚固又具有延展性且无需进行热处理的铝合金作为原材料，这样的材料研发与试验还不够成熟，已在使用的少数型号材料专利还控制在部分车企和供应商手里，还没有进入到大规模市场化应用阶段；制程工艺参数控制复杂，验证调试时间长难度大，目前良品率也只能达到80%左右，而冲压可以达到99.5%以上。另外售后坏损维修成本高，坏损需要整体更换。

目前已经有部分国内车企打算采用类似的铸造设备来生产自家车型，部分压铸企业也准备与车企合作布局相应的制造能力，一体化铝合金压铸工艺与传统车身制造工艺并存局面将会持续很长时间，随着免热铝合金的研发成熟、制程良品率提升、设备技术的推广、投资额度的进一步下调，前者的应用比例将会逐步提升，必然会对冲压设备、冲压模具、焊接夹具等传统造车模式带来较大冲击［3］。

4 动力电池系统的轻量化

电池、电机、电控等三电系统构成了电动汽车动力系统核心部件，电池包对于整车安全性的要求十分严格，同时也决定了整车在功率和续航里程上的表现［4］。电池包占整车整备质量的20%～30%，续航里程越大，其电池包质量占比就越大。

4.1 优化电池模组的布局，缩减电池箱体尺寸

由于各车型电池包的空间形状和承载特点不同，电池模组串并联排布构成动力电池包系统，电池包中模组布局方式与结构设计差异较大。动力电池包的布局形式一般由整车空间位置特征所决定，不仅要考虑车辆的驱动模式，还要结合整车重心位置、离地间隙等各方面因素。

模组的结构设计及电芯布局优化，主要目的是模组的紧凑化设计，即通过缩小模组与热管理系统中电芯之间的距离，形成交叉错位分布，最大化地利用有限的箱体空间，减少电池箱体的外形尺寸。

为减少模组的数量，就必须采用标准化模组设计规范，从而大幅削减模组壳体以及相关其他附件质量。

4.2 利用新材料，削减电池包重量

在整个电池包减轻重量的应用实践中，铝合金扮演着重要角色，以铝代钢成为工程师的首选，同时由于新型铝合金的不断研发更新，高强度、高延伸率的铝合金材料既可以满足结构强度、刚度又可以满足良好的可制造工艺性能。

电池模组的壳体原来用类似SPCE深冲冷轧钢板冲压制成，目前用具有深冲性能的铝板加工，则减轻了模组的质量。

电池箱体承载整个电池组的质量，隔离电池模组免受外部的冲击，具有防水、耐冲击、抗震的功能要求，是电动汽车重要的安全结构件，约占电池包30%的质量，因此电池箱体的减重显得非常重要。钢制的电池箱体采用冲压、焊接、电泳涂装等工序，采用用铝合金板材冲压或者铝型材挤压成形工艺，在加上摩擦焊加工工艺制造，则可以减轻重量20%～30%，而且还省去了电泳涂装工序，成为当前应用最广泛的工艺方式。相对而言，铝型材挤压成形工艺在适应车身底盘尺寸方面，具有更多的优势，预计将会越来越多的被采用。

复合材料的使用，在电池包的轻量化材料选择中也是具有一定优势。比如PP玻纤增强复合材料，可以代替钢板，一般应用在电池箱体上盖等受力较少的部件上，可以大幅减重。

另外，在电池包中也会使用到高强钢板，特别是在一些有强度要求的安装支架类零件，因为高强钢板的重量轻强度高特性，冲压加焊接的工艺也是不可避免地要被采用。因此新材料新工艺的综合利用，使电池包的重量削减变得有更多的选择方案。

4.3 电池包与底盘集成开发

电池包在整车上的位置布局，可以分为车辆底部悬置、标准箱和车身底盘构一体化三种方式。由燃油车改装而来的乘用车电池包常常悬挂于汽车底盘下方，车身体积较大的专用车或客运车一般采用标准箱体电池包，随着电动汽车市占率提升，用户对续航里程的需求不断提高，传统汽车的结构已经无法满足最优设计要求，车身结构一体式电池包结构布置形式逐渐受到重视。

针对电池包悬挂于汽车底盘下方的布局模式，电池包和底盘及车身下车体位置基本重叠，因此从正向设计开始，可以把车身、底盘与电池包统筹考虑，展开协同设计，实施电池底盘结构优化开发，把电池与底盘集成为一体。最近出现的滑板底盘技术，更是将三电系统、传动机构、转向悬架系统等充分集成，具备成本低、车内空间大、拓展性丰富等多项优点，也是一种高度集成化、平台化的系统开发模式。Stanford大学进行了电池底盘的集成研发，实验证明可以将电动汽车整车质量降低40%以上。

5 结语

电动汽车的轻量化技术，无论是结构设计优化、新型材料的研发应用，还是先进制造工艺技术的推广，总是围绕成本、质量、安全不断地推陈出新、迭代升级，推动汽车产业的转型升级。

参考文献：

[1]雷冬雪.汽车轻量化技术[C]//2010中国汽车工程学会年会论文集，2010：1211-1214.

[2]罗爱华，ANILK S BOBR.汽车轻量化先进铸造技术[J].铸造，2011，60（2）：113-119.

[3]屈葵林.专用汽车轻量化设计[J].科技传播，2012（13）：150.

[4]李全.新型轿车发动机罩轻量化设计研究与应用[D].长沙：湖南大学，2015.

作者简介：

杨仕聪，男，1969年生，高级工程师，研究方向为汽车工程技术。