輕量化技術取得突破 行業(yè)發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)

（本文轉載自：中國電動汽車百人會）作為汽車產業(yè)的重要發(fā)展方向之一，國內外各大汽車企業(yè)從未停止過對輕量化技術的開發(fā)和應用。BMW i3作為第一款進入量產的碳纖維車身設計的車輛，成為碳纖維應用于汽車的里程碑項目。但由于目前碳纖維復合材料成本較高，一直沒有實現(xiàn)大規(guī)模的推廣應用。日前，中國首款鋁制車身的新能源車型——奇瑞小螞蟻（eQ1）的上市帶來了全新的汽車輕量化生產思路及理念，再一次引發(fā)了業(yè)內對電動汽車輕量化技術的高度關注。由于通過超級輕量化技術平臺打造的“全鋁空間架構+全復合材料外覆蓋件”，使整車重量比傳統(tǒng)車減少了30%到40%，在當前碳纖維復合材料成本居高不下的情況下，給我國電動汽車輕量化的發(fā)展開辟了新的途徑。

目前，國內外在輕量化材料、整車設計、制造工藝等方面的研究和應用已取得突破性進展。然而，輕量化技術顛覆了傳統(tǒng)汽車的制造工藝，帶來整個產業(yè)的變革，使行業(yè)的發(fā)展仍面臨一系列新問題，如輕量化評價及測試標準尚未完善、產業(yè)間缺乏融合、新型材料成本較高、固有開發(fā)模式尚未突破等。因此，亟需企業(yè)調整思路，面臨行業(yè)變革所帶來的挑戰(zhàn)。 

電動汽車輕量化技術取得突破性進展

實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑有三種：一是使用輕量化材料；二是優(yōu)化結構設計；三是采用先進的制造工藝。國內外車企紛紛從這幾方面入手，推動電動汽車輕量化發(fā)展，并取得了一定成績。

1。 應用碳纖維復合材料減重顯著

高強度鋼和鋁合金都可以在一定程度上實現(xiàn)車身減重，而汽車用工程塑料和復合材料則對車體的減重最為明顯，由此成為汽車輕量化的首選用材。發(fā)達國家已將汽車用塑料量的多少作為衡量汽車設計和制造水平的一個重要標志。2015年，我國車用塑料的用量已經(jīng)達到1046萬噸，而且呈逐年上升的趨勢。

復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點。在復合材料中，碳纖維復合材料的應用一直備受矚目。選用碳纖維增強復合材料制作結構件、覆蓋件，可減輕質量達30%左右，對于比燃油車更需要輕量化的新能源汽車，碳纖維增強復合材料有更大的應用潛力，在未來汽車輕量化中將會起到舉足輕重的作用。寶馬i3在碳纖維復合材料的應用方面取得了令人矚目的成績，是第一款實現(xiàn)量產的采用碳纖維車身設計的車輛，其整備質量僅為1224kg，比設計之初減輕了250-350kg，很大程度上彌補了電池增加的重量。

2。 全新制造工藝減少零部件數(shù)量

碳纖維的應用將會帶來一場革命，其原因在于碳纖維在汽車上的應用改變了傳統(tǒng)汽車的設計思想、開發(fā)流程及制造工藝。碳纖維材料是可設計的，其零件工藝是多樣化的，未來碳纖維應用于汽車沒有標準化的材料，整個車和零件的開發(fā)過程就是材料開發(fā)過程，也是工藝開發(fā)過程。

鋁型材的三維彎曲、鋼鋁焊接以及碳纖維零件的成型是目前面臨的全新工藝。采用新工藝可大大減少零部件使用數(shù)量，實現(xiàn)輕量化目標。其中，碳纖維總成的方式已取得突破性進展。在蘭博基尼Sesto Elemento的項目中，將前圍、地板、后圍集成為一個整體式座艙，取代了傳統(tǒng)結構的48個零件，把零件分為4—6大片，成型之后直接粘接，工藝簡單，減重效果突出。整備質量在加注燃料和其它液體之前只有960 公斤。

3。 結構優(yōu)化提高材料利用率

汽車車身結構輕量化采用結構優(yōu)化設計方法，可以在保證車身結構性能要求的前提下，提高材料的利用率，減少冗余的材料，而達到車身結構輕量化的目的，結構優(yōu)化主要包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。

拓撲優(yōu)化作為結構優(yōu)化的一種，不同于車輛構件的尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，是對布局和節(jié)點聯(lián)接關系進行優(yōu)化，使結構的某種性能指標達到最優(yōu)化。汽車廠在新車開發(fā)時，公司決策層會給出一個整車定義，包括車多大多重，涉及到成本控制，同時希望車達到什么性能。拓撲優(yōu)化能夠在給定設計空間，給定設計重量、設計性能的約束下，迅速得到一個布局和節(jié)點聯(lián)接基本判斷，為設計人員提供結構質量最輕、性能最優(yōu)的力學傳遞路徑方案。

目前，湖南大學已經(jīng)用拓撲優(yōu)化的辦法對電動汽車的骨架進行優(yōu)化?；谕負鋬?yōu)化方法的輕量化策略相比常規(guī)輕量化方法可節(jié)約30天左右的開發(fā)時間、多減重22.4kg，同時還可以不同程度的提升整車性能。拓撲優(yōu)化的方法已在電動汽車全鋁車身的輕量化上已經(jīng)實現(xiàn)了成功的探索。湖南大學研制的第二代樣車實現(xiàn)了比第一代純電動汽車整備質量減重18.5%，白車身骨架質量（不包括門蓋）由120kg減為90kg，減超過20%，實現(xiàn)了通過車身減重來降低電池成本的目標。此外，湖南大學利用拓撲優(yōu)化的方法通過五輪迭代，將電池包的結構和整車結構結合在一起，可將電池直接裝在車體本身。

電動汽車的輕量化不能僅僅追求材料、制造工藝或結構設計的某一方面，而是需要三者互相結合、互相制約，需要根據(jù)實際情況平衡各方面的關系，以便最大程度的實現(xiàn)車輛的輕量化。如奇瑞新能源汽車eQ1在產品設計上，采用了更加適應電動車的全新的架構設計、平臺化的整車及系統(tǒng)設計以及高安全性設計。生產工藝及制造方面將傳統(tǒng)的汽車制造四大工藝過程簡化為焊接和總裝并大量采用了線下分裝和模塊化供貨，縮短了流水線的長度。創(chuàng)造性的提出了全鋁骨架車身平臺的共享理念。

我國電動汽車輕量化道路仍面臨阻礙

我國輕量化技術的發(fā)展起步較晚，缺乏經(jīng)驗，與國外先進水平有較大差距，發(fā)展電動汽車輕量化仍面臨阻礙。

1。 輕量化技術標準體系缺失，發(fā)展目標尚不明確

目前，我國還沒有完整的汽車塑料零部件技術和產品標準，包括技術方面的測試標準以及輕量化技術的完整評價系統(tǒng)尚未完善，需要經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)積累來形成指導行業(yè)的統(tǒng)一標準。

從國際上看，美、日、歐都有輕量化明確的發(fā)展指標和路線。以美國整車輕量化的發(fā)展目標為例：2020年要在2013年的基礎上降重20%，2025年降重30%，該目標還對整個組成系統(tǒng)各部分的減重指標提出了要求，要求整個車身系統(tǒng)減重35%，底盤減重25%，動力總承減重15%。說明該目標非常細致的研究了輕量化實現(xiàn)的路徑，對我國汽車輕量化相關標準的制定有一定的借鑒作用。

2。 產業(yè)融合缺乏，產業(yè)鏈尚未建立

輕量化技術需要運用多學科交叉融合所形成的的綜合性、系統(tǒng)性知識，實現(xiàn)跨產業(yè)協(xié)同，但我國汽車企業(yè)與材料企業(yè)的融合仍十分缺乏。目前，國外主要車企均與材料企業(yè)形成緊密的戰(zhàn)略合作關系，跨國公司也已形成“碳纖維復合材料+零部件供應商+主機廠”的產業(yè)化布局。

碳纖維和新能源汽車的融合將帶來新一輪的革命，如果自主品牌不提早進行布局很可能在這一輪新的革命中被甩開。各跨國汽車集團的材料標準和制品性能標準自成體系，國內供應商實質上很難進入跨國汽車集團的供應鏈。目前，鋁合金、碳纖維等材料供應鏈在國內也較為稀缺。對于汽車輕量化而言，加快建立起涉及“先進材料研發(fā)-原材料生產-零部件制造-整車集成應用-回收再利用”等全產業(yè)鏈的需求迫在眉睫。

3。 材料和加工成本高，新型材料應用有限

目前車用輕量化新材料的成本普遍都偏高，國內每噸鋁合金的材料成本達4.5萬左右，碳纖維的材料成本則每噸高達80萬左右，讓很多中低端車型在碳纖維的使用上望而卻步。此外，材料的加工成本控制難度大，特別是碳纖維復合材料，由于目前國內技術尚未達到一定水平，加工效率低，導致成本進一步增加。對于企業(yè)來說，采用新型輕量化材料意味著傳統(tǒng)生產設備的改造，四大工藝中沖壓、焊接、涂裝生產線基本都需要面臨著大幅改造或者重建，需要投入大量人力及財力，增加了輕量化材料的推廣難度。

4。 固有開發(fā)思維難突破

汽車輕量化給國內汽車企業(yè)帶來四大方面的挑戰(zhàn)：產品結構創(chuàng)新、新材料應用、新工藝的創(chuàng)新以及整個開發(fā)流程的變革。特別是碳纖維的應用改變了傳統(tǒng)汽車的設計，開發(fā)流程、設計思想以及制造工藝。在實踐過程中，大多數(shù)企業(yè)難以突破固有思維模式，甚至以鈑金車體的思維來套用碳纖維的應用。此外，輕量化要求更多的創(chuàng)新思維，例如傳統(tǒng)的副車駕有八到十個零件，如果將包邊兒的概念用到副車駕上，零件數(shù)量則大大減少，焊接越少則強度越高。這不僅是新工藝的問題，而需要通過工藝創(chuàng)新的思維來解決。

5。 人才短缺，技術研發(fā)能力不足

輕量化技術的發(fā)展需要既懂材料又懂汽車的跨學科人才，目前由于缺乏交叉學科人才，材料、工藝、整車廠之間互不了解，廠商與科研團隊之間溝通不暢，產、學、研結合程度不緊密，沒有合理分工，基礎性研究和技術開發(fā)研究有機銜接不夠，嚴重阻礙了輕量化進程。

對我國發(fā)展電動汽車輕量化的建議

1。建立標準體系

零部件生產技術及產品標準的缺失會導致企業(yè)沒有明確的研發(fā)、生產目標及規(guī)范，不利于行業(yè)持久健康的發(fā)展。目前應盡快建立我國自身的材料認證體系，進行材料的性能檢測、應用驗證、技術穩(wěn)定性與安全可靠性評價等。

2。加強各領域結合，盡快建立產業(yè)鏈

輕量化技術的發(fā)展應是各相關領域相互協(xié)調、相互配合，要鼓勵產業(yè)鏈上下游合作，組建產業(yè)聯(lián)盟，支持汽車工業(yè)與國內材料行業(yè)之間深入交流，實現(xiàn)強強聯(lián)合，讓一部分性能穩(wěn)定、品質過硬的國產材料優(yōu)先進入汽車產業(yè)鏈。

3。 調整固有模式，廣泛利用資源

汽車電動化顛覆了傳統(tǒng)內燃機，而輕量化則又顛覆了整個車身，由此帶來設計、工藝、裝備的變革，原有的技術存量將逐漸被淘汰。企業(yè)當前應直面科技革命和產業(yè)重構帶來的影響，調整生產平臺及開發(fā)模式，利用廣泛的國際資源來實現(xiàn)目標，建立新興組織結構模式。在新的變革中，原料供應商將變成部件供應商，隨之而來的還有回收再利用的問題，以及零部件成本降低帶來的整車廠建設投資等一系列的改變。

4。 培養(yǎng)跨行業(yè)人才，提高創(chuàng)新意識

目前我國汽車輕量化領域跨學科人才缺乏，導致技術研發(fā)能力薄弱，應加強跨學科人才的培養(yǎng)，建立“外培項目”，提前儲備交叉學科人才。此外，面對產業(yè)的變革，研發(fā)人員需突破舊有的思維模式和研發(fā)思路，提高創(chuàng)新意識，以適應產業(yè)變革的需要。

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