輕量化材料在新能源汽車(chē)上的應(yīng)用

迫于能源與環(huán)保問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，世界各國(guó)對(duì)節(jié)能減排技術(shù)的研究日益重視，汽車(chē)輕量化不可避免的成為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的主要途徑。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)輕量化與能耗消耗有著直接關(guān)系。傳統(tǒng)燃油汽車(chē)整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升；對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)而言，整備質(zhì)量每減少100公斤可以增加續(xù)駛里程10%，節(jié)約電池成本15%到20%。對(duì)于新能源汽車(chē)來(lái)說(shuō)，由于特殊的電池驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，電池重量及續(xù)航里程對(duì)整車(chē)重量更加敏感。面對(duì)電池成本壓力及續(xù)航里程提升的要求，輕量化技術(shù)成為新能源車(chē)企必然選擇的途徑。

輕質(zhì)材料的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化最直接有效的方法，多材料的混合車(chē)身將是車(chē)身輕量化發(fā)展的趨勢(shì)。車(chē)身多材料應(yīng)用能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度在車(chē)身上的合理布局，顯著降低重量，同時(shí)還能保證成本適中。

目前主流的輕量化材料

超高強(qiáng)鋼及先進(jìn)高強(qiáng)度鋼：超高強(qiáng)鋼（UHSS）指屈服強(qiáng)度大于550Mpa，抗拉強(qiáng)度大于700Mpa；先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS），強(qiáng)度在強(qiáng)度在500MPa到1500MPa之間。兩者都具備高強(qiáng)度和較好的成形性，特別是加工硬化指數(shù)高，有利于提高沖撞過(guò)程中的能量吸收，在減重的同時(shí)提高汽車(chē)的安全性。

鋁合金：鋁合金減重效果顯著優(yōu)于鋼鐵。汽車(chē)使用1 kg鋁可替代自重2.25 kg鋼材，減重比例高達(dá)125%。以鋁代鋼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)二次減重，效果可達(dá)直接減重的50%-100%。

鎂合金：鎂密度小，比鋁輕三分之一，其比強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度與密度之比值）較鋁合金高，疲勞極限高，能比鋁合金承受較大的沖擊載荷，導(dǎo)熱性好，鑄造性好；尺寸穩(wěn)定性好，易于回收，有良好的切削加工性，有較好的減振性能。

工程塑料：工程塑料具有突出的成型性、輕量化以及面對(duì)強(qiáng)烈撞擊時(shí)能夠緩沖吸能，不過(guò)塑料剛度低、易老化，未來(lái)在車(chē)身大量運(yùn)用仍面臨不少安全隱患。

碳纖維復(fù)合材料：具有密度低、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及設(shè)計(jì)性好、可大面積整體成型等一系列特點(diǎn)，被認(rèn)為是新能源汽車(chē)輕量化材料未來(lái)的趨勢(shì)。

通用汽車(chē)運(yùn)用多種材料以減輕車(chē)重

多材料混合車(chē)身成趨勢(shì)

對(duì)于新能源車(chē)企來(lái)說(shuō)，輕量化技術(shù)可以降低電池成本并換來(lái)更高的續(xù)航里程，雖然起步成本高，但是已有部分新能源車(chē)企開(kāi)始布局輕量化技術(shù)，并形成了多種技術(shù)路線并存的局面。目前，超高強(qiáng)度鋼及鋼鋁混合等材料技術(shù)相對(duì)成熟，部分車(chē)型已量產(chǎn)上市；而涉及鎂合金、碳纖維等新型材料的新能源車(chē)型多數(shù)仍在技術(shù)儲(chǔ)備和樣車(chē)試制階段。

鋼鋁混合+工程塑料

江淮開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用的鋼制輕量化平臺(tái)和鋼鋁混合輕量化平臺(tái)，并成功運(yùn)用到公司iEV系列車(chē)型上。前端模塊、塑料后防撞梁、塑料動(dòng)力電池盒蓋等“以塑代鋼”技術(shù)的開(kāi)發(fā)，也已在新一代新能源汽車(chē)型中應(yīng)用。

吉利新能源純電動(dòng)車(chē)輕量化技術(shù)路線主要采用鋼鋁混合+塑料件車(chē)身，后地板為鋁框架，后備胎處為塑料結(jié)構(gòu)，前蓋為鋁沖壓，后蓋采用SMC尾門(mén)，翼子板為PP塑料。

全鋁車(chē)身

奇瑞新能源純電動(dòng)車(chē)“小螞蟻”是基于全鋁空間架構(gòu)+全復(fù)合材料外覆蓋件的輕量化技術(shù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)。采用了高強(qiáng)度鋁鎂合金骨架、鋁車(chē)身專(zhuān)用連接技術(shù)、FRT發(fā)泡樹(shù)脂復(fù)合材料外覆蓋件和碳纖維材料應(yīng)用等輕量化技術(shù)。目前部分城市已開(kāi)始接受預(yù)定。

東風(fēng)風(fēng)神純電動(dòng)車(chē)E30/E30L車(chē)身采用的鋁型材骨架+鋁板蒙皮+非金屬外覆蓋件，并且“以塑代鋼”技術(shù)也已經(jīng)使用在東風(fēng)風(fēng)神E30L部分零部件上。兩款車(chē)型分別于今年3月和8月正式上市銷(xiāo)售。

超高強(qiáng)度鋼+復(fù)合材料

上汽榮威E50純電動(dòng)轎車(chē)車(chē)身廣泛運(yùn)用超高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)，尾門(mén)采用SMC復(fù)合輕量材料，充電口及小門(mén)、PEB橫梁等零件也采用新興合成材料替代。該車(chē)已于2014年7月正式上市。

碳纖維+鋁合金混合結(jié)構(gòu)

北汽新能源純電動(dòng)汽車(chē)ARCFOX-1采用的是碳纖維+鋁合金混合結(jié)構(gòu)輕量化車(chē)身平臺(tái)，主要采用碳纖維復(fù)合材料上車(chē)體，全塑外覆蓋件，鋁合金框架式車(chē)身，鎂合金儀表板橫梁。該車(chē)預(yù)計(jì)于2017上海車(chē)展后接受預(yù)定，批量投放市場(chǎng)。   　

輕量化面臨多重挑戰(zhàn)

挑戰(zhàn)一，由于普通高強(qiáng)度鋼在強(qiáng)度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優(yōu)勢(shì)，從成本、技術(shù)成熟度及產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，新材料要替代普通高強(qiáng)度鋼仍需很長(zhǎng)一段時(shí)間。目前超高
強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用仍然較少，使用比例只有15%。

挑戰(zhàn)二，輕量化材料應(yīng)用起步成本高。目前大部分車(chē)企的新能源車(chē)型都是由傳統(tǒng)車(chē)型改造而來(lái)，車(chē)身框架材料幾乎一致。新材料從實(shí)驗(yàn)到量產(chǎn)周期長(zhǎng)，研發(fā)成本高，同時(shí)供應(yīng)鏈很少，且受限于
加工工藝，導(dǎo)致采購(gòu)成本高，多數(shù)車(chē)企都很少大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用，基本都是處在技術(shù)儲(chǔ)備階段或小批量試制中。

挑戰(zhàn)三，材料的合理布局。材料強(qiáng)度要在安全傳遞路徑上的合理布局，才能有效吸收碰撞能量并保障乘員艙的安全。車(chē)身不同部位對(duì)剛強(qiáng)度以及碰撞吸能要求不同，企業(yè)一般都是基于各部位真
實(shí)受力情況及性能要求來(lái)合理分布不同強(qiáng)度等級(jí)的材料，以滿足碰撞安全性、疲勞耐久及NVH靜、動(dòng)態(tài)剛度等性能指標(biāo)，同時(shí)還要兼具系統(tǒng)成本的考慮，這并不是一件容易的事。

挑戰(zhàn)四，先進(jìn)材料的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致連接工藝的變化，還有多材質(zhì)材料的應(yīng)用，這些都會(huì)對(duì)整個(gè)車(chē)身開(kāi)發(fā)的方向帶來(lái)一些影響。先進(jìn)材料的應(yīng)用也將帶來(lái)顛覆性變化，從設(shè)計(jì)理念、工藝、裝備都將
面臨改變。