趙治 郝志莉

摘 要：純電動(dòng)汽車是新能源汽車中的重要一員，在我國(guó)備受矚目與歡迎，應(yīng)用的范圍也非常廣泛，大到城市，小到農(nóng)村都能見(jiàn)到它的身影。車身作為純電動(dòng)汽車的重要組成部分，對(duì)純電動(dòng)汽車的安全性、續(xù)駛里程等都有重要影響。近年來(lái)，除傳統(tǒng)的車身高強(qiáng)度鋼材外、鋁合金、碳纖維、塑料等強(qiáng)度高、密度小的材料在純電動(dòng)汽車車身上應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)純電動(dòng)汽車輕量化起著越來(lái)越重要的作用。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;車身輕量化;材料

Abstract： Battery electric vehicles （BEV） are an important member of new energy vehicles. They have attracted much attention and popularity in China， and their applications are also very wide. They can be seen in cities as well as small rural areas. As an important part of pure electric vehicles， the car-body has an important impact on the safety and driving range of battery electric vehicles. In recent years， in addition to traditional high-strength steel for car-body， high-strength， low-density materials such as aluminum alloys， carbon fibers， and plastics have been increasingly used in battery electric vehicle car-body， which has become increasingly important role for the lightweight of battery electric vehicles.

引言

目前，純電動(dòng)汽車車身材料與燃油汽車相同，仍然以車用薄鋼板為主，其低廉的價(jià)格與優(yōu)異機(jī)械加工性能目前無(wú)其他材料可以完全替代[1];但其不能適應(yīng)純電動(dòng)汽車的節(jié)能與輕量化的要求。在保證車身強(qiáng)度要求的同時(shí)，為減輕其質(zhì)量和降低電能的消耗，許多汽車廠家都積極研究和利用新型車身材料以滿足上述要求。

1 超高強(qiáng)度鋼材

一輛車的安全大致可以分為兩類，主動(dòng)安全和被動(dòng)安全，其中主動(dòng)安全與智能控制相關(guān)，諸如ECU、雷達(dá)、攝像頭、傳感器、執(zhí)行器等，可以通過(guò)收集信號(hào)來(lái)方便車主操控汽車。而被動(dòng)安全中，車身強(qiáng)度就是個(gè)非常重要的指標(biāo)，按照力學(xué)上的劃分，鋼材有抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，而汽車廠商宣傳的基本都是數(shù)值更好看的抗拉強(qiáng)度，不過(guò)抗拉強(qiáng)度更高也可以代表對(duì)于汽車安全更重要的屈服強(qiáng)度更高。簡(jiǎn)單說(shuō)屈服強(qiáng)度高的材料，可以承受更大外力的破壞。

更為關(guān)鍵的是，提高鋼材的強(qiáng)度以后，能在保證車身安全的情況下，采用更強(qiáng)更少的材料，大幅度減少車身配重，實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化設(shè)計(jì)[2]，而輕量化的優(yōu)點(diǎn)，大家也都知道，同等電能的情況下能夠帶來(lái)純電動(dòng)汽車行駛里程的提升，同時(shí)也能帶來(lái)加速性能的提升?？梢哉f(shuō)，大量采用超高強(qiáng)度鋼材料，能夠保證甚至提高車輛的安全性，還可以達(dá)到節(jié)能環(huán)保提升車輛加速性能的目的。

目前，中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)自主研發(fā)成功1000MPa強(qiáng)度至2000MPa強(qiáng)度的超高強(qiáng)冷軋汽車板，在中國(guó)乃至世界上是為數(shù)不多的優(yōu)秀汽車高強(qiáng)度鋼材生產(chǎn)商。河鋼集團(tuán)在研發(fā)超高強(qiáng)汽車鋼材方面也成績(jī)斐然，河鋼集團(tuán)生產(chǎn)的熱沖壓成型鋼最高強(qiáng)度級(jí)別也接近1500MPa，并達(dá)到一定規(guī)模，可供給汽車制造廠使用。

2 鋁合金

鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高的特性，鋁合金車體屬于綠色環(huán)保材料，純電動(dòng)汽車車身的輕量化已經(jīng)成為純電動(dòng)汽車車型發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。動(dòng)力電池輸出的功率不變，采用鋁合金遠(yuǎn)要比采用鋼材車身而言，無(wú)論從操控性，還有電池耗能方面都有明顯的改觀的。

總結(jié)來(lái)說(shuō)全鋁車身有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）突出的輕量化效果。鋁的密度約2.7克/立方厘米，而鋼的密度約7.8克/立方厘米。新能源汽車中車身約占整車重量的一半以上，如果采用鋁合金能減重約45%，而用高強(qiáng)度鋼替代普通鋼材能減重約15%。比如第四代路虎攬勝首次引入全鋁車身后，比第三代路虎攬勝輕了39%，成功減重350kg。從車上一下減掉這么多重量，可見(jiàn)全鋁車身的輕量化效果明顯。

（2）優(yōu)異的抗腐蝕性能。鋁氧化后會(huì)在表面形成一層致密的氧化膜，并且與基體牢固結(jié)合，穩(wěn)定性很高，所以能對(duì)鋁基體形成嚴(yán)密的保護(hù)。而且通常環(huán)境越潮濕，這個(gè)保護(hù)膜越厚。因此可以阻止鋁材近一步生銹。

（3）極佳的可塑性。這里不得提到一個(gè)典型的案例，鋁合金塑造極美的車身曲面的案例，如捷豹C-Type、D-Type、以及“最美汽車”E-Type的鋁制車體，現(xiàn)在來(lái)看依然極富美感，而這種靈龍浮凸的曲面造型，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)來(lái)說(shuō)，鋼材是極難做出來(lái)的。時(shí)至今日，沖壓、鈑金技術(shù)已經(jīng)可以讓鋼材呈現(xiàn)出復(fù)雜的曲面甚至是銳利無(wú)比的折角（奧迪是最好的代表），不過(guò)還是有很多車出于設(shè)計(jì)考慮，依然選用鋁合金材質(zhì)制造引擎蓋，只是這已經(jīng)屬于車身覆蓋件的范圍了，和主車身無(wú)關(guān)。

（4）提升操控性。輕量化能降低車身慣性，增加推重比，相同的動(dòng)力水平下動(dòng)力表現(xiàn)能有很大提升。而鋁合金車身鋼性和抗扭性極佳，能給懸架系統(tǒng)調(diào)校留出更充足的空間，提升車身速度極限。

（5）節(jié)省電能。由于車身輕量化，必然帶來(lái)電能的節(jié)省，在電動(dòng)車上使用全鋁車身，車重每降低10%，電耗可以降低5.5%，從而續(xù)航里程增加5.5%。而實(shí)現(xiàn)相同里程增量需要增加的電池成本遠(yuǎn)高于此。因而相比燃油車輕量化并不可觀的節(jié)油效果，輕量化能讓電動(dòng)車增加的續(xù)航里程有意義的多。例如大眾e-Golf，通過(guò)使用全鋁車身成功減重187kg，而同時(shí)優(yōu)化電池配置后成本降低了635歐元。

但是單從材料的性價(jià)比和材料的安全性上面來(lái)講，鋁合金覆蓋件一旦破壞維修的成本是非常高的。另外，在售后維修的時(shí)候會(huì)存在鋁合金車體尺寸精度不容易掌握，而且撞擊變形以后修復(fù)困難，并且在制造工藝上面來(lái)講鋁合金，車身成本也非常高;其次，從車輛的安全上進(jìn)行考慮的話，和傳統(tǒng)的鋼材車身相比鋁合金車身框架會(huì)存在強(qiáng)度不足的情況[4];最后，從裝配和研發(fā)上面來(lái)講的話，如果全部裝配全鋁合金車身的話，那么價(jià)格就高了，并且生產(chǎn)環(huán)節(jié)要求也非常的苛刻。

雖然全鋁合金車身存在不足，但也不失為純電動(dòng)汽車車身輕量化材料的重要一員，目前江淮蔚來(lái)ES6全系車型都將采用全鋁合金車身，減輕車身的質(zhì)量，讓整車的續(xù)航和加速性變得更加的出色。還有很多純電動(dòng)汽車車身通過(guò)采用大部分鋁合金加鋼材的手段來(lái)減重，北汽某車型，除了后地板總成、車門總成，其他全部為鋁合金件，鋁合金占車身的80%。

2018年歲首，“全鋁車身+全鋁底盤”的國(guó)內(nèi)首例城市客車項(xiàng)目順利通過(guò)了中國(guó)第一汽車股份有限公司的路試試驗(yàn)。該項(xiàng)目由遼寧忠旺集團(tuán)與中國(guó)第一汽車股份有限公司合作開(kāi)發(fā)，填補(bǔ)了鋁合金在客車底盤應(yīng)用方面的空白，也是新能源客車市場(chǎng)領(lǐng)域的又一大創(chuàng)新。

對(duì)于國(guó)內(nèi)車企而言，輕量化已經(jīng)成為各大車企競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)份額的必經(jīng)之路。新能源汽車過(guò)去幾年中發(fā)展迅速，隨著補(bǔ)貼加速減少，行業(yè)優(yōu)勝劣汰也將加速，具備核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力的龍頭企業(yè)有望受益于集中度提升，市場(chǎng)份額得以提高。

一個(gè)利好消息是電動(dòng)車時(shí)代的到來(lái)可能會(huì)讓全鋁車身有大的發(fā)展，目前世界范圍內(nèi)在政策的引導(dǎo)下，從傳統(tǒng)車企到新興的品牌都投入了電動(dòng)車的行列，大量資金的投入讓這個(gè)趨勢(shì)已經(jīng)不可逆。

盡管汽車企業(yè)與鋁型材制造企業(yè)紛紛加大對(duì)新能源、輕量化技術(shù)的研發(fā)投入，旨在新一輪的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。但輕量化是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，只有通過(guò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，搭配合適的材料，適當(dāng)控制成本，才能造出真正為市場(chǎng)所接受的輕量化車輛。

3 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維不是什么新型材料，但是目前在純電動(dòng)汽車上的應(yīng)用也不多。目前的碳纖維車身主要還是用于高端汽車以及賽道汽車上面，典型的就是寶馬的i3就用的是全碳纖維的車身，另外很多方程式賽車為了減重也有大量的部件用了碳纖維的材料[5]。就目前而言，碳纖維的成本對(duì)于應(yīng)用碳纖維是一個(gè)較大的限制。

下面說(shuō)一下碳纖維車身的好處。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它密度低、比性能高，無(wú)蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過(guò)性好。其工藝復(fù)雜程度非常之高，想要把碳加工成一塊適用的碳纖維板材需要經(jīng)過(guò)幾百道復(fù)雜工藝，成本很高。

碳纖維的強(qiáng)度高于超高強(qiáng)度鋼2倍以上，比鋁輕30%左右、比鋼輕50%左右，強(qiáng)度卻是鋼的7至8倍，最早用于軍工、航天、航空等高科技領(lǐng)域，因?yàn)橹亓繕O輕、吸震能力優(yōu)秀、舒適性高。但表面硬度不佳，當(dāng)施予之外力高于其破壞強(qiáng)度時(shí)，會(huì)造成斷裂，也因?yàn)檫@個(gè)原因，碳纖維具備了在發(fā)生碰撞時(shí)強(qiáng)大的吸能表現(xiàn)[6]。傳統(tǒng)的鈑金修復(fù)工作，對(duì)于碳纖維車身并不適用，發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的形變部件，同樣也是以更換為主。

碳纖維能夠在正面碰撞時(shí)破碎成無(wú)數(shù)細(xì)小不會(huì)對(duì)人造成傷害的碎片，這與汽車鋼化玻璃的破碎原理相似，因此碳纖維車身碰撞時(shí)可以吸收大量的沖擊動(dòng)能量，但由于碳纖維很難回收再利用，碰撞后的碎片即使通過(guò)高溫分解，重新加工生產(chǎn)出的復(fù)合材料只具有碳纖維一半的硬度，因此碳纖維也被稱呼為“一次性碰撞材料”。

但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，相信碳纖維材料成本會(huì)進(jìn)一步下降，而工藝會(huì)有不斷的改進(jìn)，碳纖維材料無(wú)疑會(huì)有更多的應(yīng)用空間。

4 塑料

塑料是一種常見(jiàn)的材料，在傳統(tǒng)的汽車生產(chǎn)領(lǐng)域，塑料件在車身其它部位有著廣泛的應(yīng)用如：前后保險(xiǎn)杠、儀表盤、進(jìn)氣管、擋泥板、門板、尾翼、后視鏡罩等等部位。但應(yīng)用

于新能源汽車車身，卻是近些年出現(xiàn)的。

全塑料車身會(huì)有哪些優(yōu)點(diǎn)？第一就是及其有利于輕量化，節(jié)省電能。第二是非常容易修復(fù)，當(dāng)金屬車身遭遇輕微碰撞后非常容易塌陷，因此在噴漆之前就需要做鈑金修復(fù)的工作，而塑料件的彈性變形能吸收大量的碰撞能量，再被輕微刮蹭之后一般只需打磨噴漆就可以了。第三是抗腐蝕性極強(qiáng)，不會(huì)銹蝕，哪怕在水里泡幾個(gè)月也毫無(wú)問(wèn)題，不會(huì)像金屬那樣容易腐爛。

目前國(guó)內(nèi)外的很多新能源汽車生產(chǎn)廠家在制造車身時(shí)，都有“以塑帶鋼”的趨勢(shì)。以奔馳旗下的smart為例，其車身80%都是塑料件，我國(guó)某科研機(jī)構(gòu)也成功攻關(guān)了新能源汽車全塑車身整體一次成型技術(shù)，相信未來(lái)全塑車身（或者部分塑料車身）會(huì)被純電動(dòng)汽車甚至燃油汽車逐漸采用。

5 結(jié)束語(yǔ)

純電動(dòng)汽車的發(fā)展符合汽車綠色環(huán)保的發(fā)展理念。車身輕量化材料的應(yīng)用在降低車重、增加續(xù)駛里程的同時(shí)，又可以提高車輛自身的加速能，對(duì)純電動(dòng)汽車的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，只是目前受制于成本與技術(shù)的瓶頸未能廣泛的應(yīng)用，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，通過(guò)我們汽車工程師的不斷努力，都一定會(huì)有所突破。

參考文獻(xiàn)

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[6] 郭淑穎.純電動(dòng)汽車車身輕量化研究[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2019（2）：85-87.