汽車輕量化：助新能源汽車極致表現(xiàn)

周路菡

汽車輕量化技術(shù)已經(jīng)成為中國新能源汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向之一，這也是新能源汽車發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)

新能源汽車由于使用電池包作為動(dòng)力，為了增加其行駛里程和提高車身的耐久性和安全性，有目標(biāo)地減輕汽車自身的重量就成為必然的途徑。同時(shí)作為有效的節(jié)能手段，汽車輕量化技術(shù)已經(jīng)成為中國新能源汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向之一，這也是新能源汽車發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)。新能源汽車的輕量化，有賴于激光技術(shù)、新材料和電池技術(shù)的發(fā)展。預(yù)計(jì)未來10年內(nèi)，新能源汽車的車身和零部件將大量應(yīng)用鋁合金、鎂合金、碳纖維加強(qiáng)的熱塑性和熱固性材料、高強(qiáng)度鋼等新材料，并帶來千億規(guī)模的材料市場。

新能源汽車輕量化發(fā)展更為重要

今年1月23日，2016中國電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇在釣魚臺(tái)國賓館舉行，全國政協(xié)副主席、中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部部長萬鋼在論壇中為大會(huì)致辭。萬鋼明確表示，新能源汽車要向輕量化方向轉(zhuǎn)型。

萬鋼部長在此時(shí)拋出新能源汽車的輕量化發(fā)展路徑是有深刻原因的，因?yàn)槟壳靶履茉雌嚨睦m(xù)航里程在很大程度上受制于車子的重量，輕量化一直是電動(dòng)汽車制造商關(guān)注的重點(diǎn)。從輕量化的設(shè)計(jì)理念思考是電動(dòng)汽車技術(shù)革命的一個(gè)重要推力。

當(dāng)然，新能源汽車的輕量化發(fā)展也是世界各國發(fā)展汽車工業(yè)的共同選擇。當(dāng)今世界汽車工業(yè)的發(fā)展面臨著三大方向，分別是節(jié)能、環(huán)保和安全。對(duì)于節(jié)能和環(huán)保來說，新能源汽車當(dāng)然有著顯著的特征，但是重達(dá)幾百公斤的電池包也讓很多新能源汽車的續(xù)航里程大打折扣。目前我國推出的電動(dòng)車的續(xù)航里程基本在100—300公里之間，但價(jià)格與普通燃油車相比沒有太多優(yōu)勢。隨著國家對(duì)于新能源汽車的補(bǔ)貼逐年降低，電池技術(shù)又沒有重大的突破的情況下，輕量化就顯得異常重要了。以特斯拉為例，整備質(zhì)量2.1噸，而鋰電池的電池組就高達(dá)900kg，占比達(dá)到45%左右，而車身通過使用鋁合金和玻璃纖維增強(qiáng)塑料（特斯拉頂蓋），相比于傳統(tǒng)車型，減重比接近40%。這也是目前特斯拉在兼具動(dòng)力和續(xù)航里程上獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的關(guān)鍵所在。

此外，由于汽車輕量化是設(shè)計(jì)、材料和先進(jìn)的加工成形技術(shù)的優(yōu)勢集成，是汽車性能提高、重量降低、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、價(jià)格合理四方面密切結(jié)合的一個(gè)系統(tǒng)工程。所以也成為提升一個(gè)國家汽車技術(shù)水平的關(guān)鍵。

日本車企很早就認(rèn)識(shí)到汽車輕量化是緩解燃油供應(yīng)矛盾、減少尾氣排放的迫切需要，也是未來世界汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的必然選擇，所以汽車輕量化就作為普通汽車和新能源車的共性關(guān)鍵技術(shù)獲得廣泛的推廣和應(yīng)用。

目前日本正在試圖將自己的汽車輕量化技術(shù)推向世界。比如2016年1月13—15日，在東京bigsite舉辦了“第6屆汽車輕量化技術(shù)展”。本次展會(huì)是介紹汽車輕量化材料與技術(shù)的綜合型技術(shù)展，亞洲最高級(jí)別的汽車先進(jìn)技術(shù)展，以汽車自動(dòng)化、輕量化以及先進(jìn)技術(shù)為主題，匯集了來自全球的汽車制造商和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)。共有600多家企業(yè)參展，參觀人數(shù)高達(dá)25000人。

歐美等頂級(jí)車企也一直在推動(dòng)汽車輕量化的發(fā)展。一個(gè)重要的原因是歐洲各國及美國的尾氣規(guī)定越來越嚴(yán)格。比如歐盟法律規(guī)定，目前新登記車輛尾氣排放CO2的上限是平均每公里130克；到2021年，歐盟范圍內(nèi)所銷售新車平均碳排放不得高于95克/公里，到2025年有望將汽車碳排放控制在每公里68-78克。所以我們看到寶馬2013年11月在歐洲推出了新能源汽車EVi3，該車的大部分車身采用了CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）等輕質(zhì)材料的技術(shù)。美國福特汽車則為最暢銷的皮卡車型F-150的2015年款配備了全鋁車身。英國捷豹，路虎2015年春季在歐洲推出了XE，鋁材在該車的白車身表面積中所占的比例高達(dá)約75%。

隨著新能源車的迅速發(fā)展和普及，車身輕量化也越來越受到重視。因?yàn)檐嚿磔p量化將是緩解“里程焦慮”、增加續(xù)航里程的必然選擇，試驗(yàn)表明，整車重量減少10%，單次充電的行駛里程增加5.5%。此外，“十三五”期間我國汽車產(chǎn)業(yè)也將重點(diǎn)專項(xiàng)布局智能化、輕量化、底盤一體化方面。這都將推動(dòng)中國新能源汽車輕量化的進(jìn)一步發(fā)展。

有賴于新材料、激光技術(shù)和電池技術(shù)的發(fā)展

新能源汽車輕量化的途徑中，新型材料的應(yīng)用具有重要作用，只有開發(fā)出輕質(zhì)、高性能、易成形、環(huán)保的新型材料，才能為新能源汽車輕量化提供可能。

在眾多的材料中，車用高性能工程塑料、高強(qiáng)度鋼、碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、擠壓鋁型材、工藝設(shè)備、全鋁車身、鎂合金零部件、碳纖維車身都是率先被應(yīng)用的材料種類。

比如寶馬新上市的i3首度采用了寶馬的LifeDrive架構(gòu)。LifeDrive架構(gòu)由兩個(gè)模塊組成：乘員模塊和行走模塊，乘員模塊主要是由CFRP（碳纖維強(qiáng)化塑料）制成的客艙，而行走模塊則采用了全鋁制底盤。i3的車身覆蓋件也是全部采用了CFRP。目前i3算上230kg的電池組，也只有1195kg，比同尺寸的車型來說，要輕了300Kg左右。當(dāng)然其續(xù)航里程只有160km，與其電池組小是相關(guān)的。

在中國，位于蕪湖弋江區(qū)高新技術(shù)開發(fā)區(qū)的奇瑞新電動(dòng)車生產(chǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目總投資15.6億元人民幣，新工廠將投產(chǎn)鋁車身骨架純電動(dòng)乘用車，年產(chǎn)能可達(dá)6萬輛，主要生產(chǎn)S51EV、小螞蟻、AOEV等系列電動(dòng)車。此外新工廠投產(chǎn)后，將成為奇瑞兌現(xiàn)年產(chǎn)20萬輛新能源車產(chǎn)能目標(biāo)的重要一環(huán)。奇瑞總經(jīng)理助理劉志佳表示，奇瑞后續(xù)的新能源汽車產(chǎn)品，都是以鋁合金框架（含電池鋁合金框架）和分體式碳纖維于一體的輕量化產(chǎn)品構(gòu)架平臺(tái)。今年10月，奇瑞將推出該輕量化平臺(tái)打造的首款車型，車身減重將達(dá)到30%，該車型的推出會(huì)為減排起到很大作用。

有了材料，就需要對(duì)材料進(jìn)行加工。在對(duì)新材料的加工工藝中，激光技術(shù)涉及到汽車零部件的切割以及焊接等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以激光技術(shù)對(duì)于促進(jìn)汽車輕量化也起到了重要作用。

比如在鋁合金的焊接方面，連續(xù)激光器的優(yōu)勢很明顯。與傳統(tǒng)的焊接方法相比，生產(chǎn)效率高，且無需填絲；與脈沖激光焊相比可以解決其在焊后產(chǎn)生的缺陷，如裂紋、氣孔、飛濺等，保證鋁合金在焊后有良好的機(jī)械性能；焊后不會(huì)凹陷，焊后拋光打磨量減少，節(jié)約了生產(chǎn)成本。但是在連續(xù)激光器技術(shù)領(lǐng)域，目前主要還是以外企特別是德企為主。德國的Rofin-Sina公司和Trumpf公司主要生產(chǎn)CO2激光器，HAAS公司則主要生產(chǎn)固體（Nd：YAG）激光器，而IPG公司生產(chǎn)新型的光纖激光器，Laserline公司生產(chǎn)半導(dǎo)體激光器，形成相互競爭又互相補(bǔ)充的激光技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)鏈。大眾汽車、寶馬汽車、奔馳汽車是德國應(yīng)用激光焊接技術(shù)的示范企業(yè)。

有報(bào)道顯示，遼寧忠旺集團(tuán)鋁合金車體制造廠新進(jìn)的一臺(tái)G6020F型新式光纖激光切割機(jī)，采用的就是德國大功率IPG光纖激光器，該設(shè)備配備有精密直線導(dǎo)軌及德國進(jìn)口的高精度齒輪齒條等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可滿足對(duì)鋁板等材料的高精切割加工需要。目前忠旺集團(tuán)已經(jīng)用該設(shè)備切割和成形鋁板、不銹鋼板、碳鋼板等中薄板材料，促進(jìn)鋁合金車體制品的生產(chǎn)。

當(dāng)然，對(duì)于新能源汽車來說，除了車身的輕量化，另外一項(xiàng)輕量化的目標(biāo)就是電池。當(dāng)然，電池作為新能源汽車中最“值錢”的部分，以目前的鋰電池的技術(shù)來看，其減輕車身重量的能力還非常有限。但是已經(jīng)有很多企業(yè)在試圖來對(duì)電池技術(shù)進(jìn)行改造。例如增加單位體積的電池容量以實(shí)現(xiàn)輕量化，目前對(duì)這一技術(shù)已能工程化。通過電池的重新排列布置也是提高系統(tǒng)能量密度的有效手段之一。例如通過對(duì)電芯尺寸的研究設(shè)計(jì)，與整車布置相匹配，更高效放置更多的電池，從而使電池箱體積不變，增加電芯數(shù)量，實(shí)現(xiàn)更長的續(xù)駛里程。比如日產(chǎn)對(duì)聆風(fēng)進(jìn)行改款，在鋰電池結(jié)構(gòu)上做文章，將車身重量降低了80千克；大眾直接取消了e-up！的電池冷卻系統(tǒng)。

新能源汽車將大量應(yīng)用碳纖維

以塑代鋼也是目前發(fā)展的潮流之一。

在以塑代鋼的諸多案例中，碳纖維在新能源汽車中的應(yīng)用是最具影響的技術(shù)之一。據(jù)悉，碳纖維是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7—9倍，抗拉彈性模量為23000—43000Mpa，這也明顯高于鋼。另外碳纖維還具有耐腐蝕、電磁屏蔽性好等特性，所以碳纖維成為新能源汽車輕量化非金屬材料中的重點(diǎn)。

碳纖維首次大規(guī)模應(yīng)用于量產(chǎn)車還是寶馬i3。據(jù)悉，寶馬i3上大約使用了200-300千克左右的碳纖維復(fù)合材料，通過大量使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，i3整體重量較之于原來設(shè)計(jì)之初減輕了250-350kg，而此次創(chuàng)舉中，寶馬主要應(yīng)用的是巴斯夫碳纖維材料。

目前歐美各大整車廠都有碳纖維應(yīng)用上的探索和技術(shù)積累。在寶馬的帶頭示范下，碳纖維的大規(guī)模批量應(yīng)用正在加快步伐。目前各大汽車廠商如奔馳、奧迪、通用、福特和特斯拉等都已經(jīng)和碳纖維企業(yè)開展了多種形式的合作。

目前中國碳纖維年需求16000噸，而我國每年只能生產(chǎn)低端碳纖維2000噸左右，高端碳纖維的研發(fā)與生產(chǎn)長期被國外壟斷并對(duì)中國嚴(yán)格封鎖，因此我國目前主要依賴進(jìn)口。資料顯示，在新能源電動(dòng)車的帶動(dòng)下，未來3年全球高端碳纖維需求總量缺口將達(dá)60%。

但中國碳纖維技術(shù)已經(jīng)在新能源汽車領(lǐng)域取得應(yīng)用。位于江蘇鹽城的奧新新能源汽車公司是專業(yè)從事純電動(dòng)和增程式純電驅(qū)動(dòng)車輛研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高新技術(shù)企業(yè)，此前該公司主要研發(fā)用于城市短途代步、物流、郵政、環(huán)衛(wèi)等領(lǐng)域的純電動(dòng)轎車、純電動(dòng)貨車等車型。去年，中國首輛碳纖維新能源汽車在江蘇鹽城奧新工廠正式下線。奧新碳纖維新能源汽車工程也被認(rèn)為是中國第一個(gè)具備2萬輛產(chǎn)能的碳纖維純電動(dòng)汽車制造工廠，并擁有中國第一條高溫高壓真空輔助碳纖維成型生產(chǎn)線。目前該企業(yè)正在積極推廣奧新e25緊湊型A級(jí)車產(chǎn)品，據(jù)悉該車型首次采用全碳纖維材質(zhì)乘客艙設(shè)計(jì)，融合智能能源管理系統(tǒng)、碳纖維輕量化車身技術(shù)、輕質(zhì)高強(qiáng)高韌鋁合金底盤等核心技術(shù)，與同類汽車相比車重減輕50%、零部件減少40%，百公里耗能低于10度電，續(xù)航里程最高可達(dá)440公里。

此外，中國的康得新、海源機(jī)械等企業(yè)也正在加大科研力度，力圖突破碳纖維車身制造技術(shù)難點(diǎn)。比如北汽已經(jīng)與康得新達(dá)成了合作協(xié)議，后者將為北汽未來的新能源汽車產(chǎn)品提供汽車車體輕量化、高性能儲(chǔ)能設(shè)備等新材料。海源機(jī)械則募集資金進(jìn)行新能源汽車碳纖維車身部件產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。目前公司已掌握包括動(dòng)態(tài)瞬間四角調(diào)平技術(shù)、模內(nèi)涂裝等技術(shù)工藝，并成功開發(fā)高性能熱塑型復(fù)合材料模壓機(jī)。有望成為全球第二家碳纖維模壓生產(chǎn)線供應(yīng)商。

碳纖維部件具備重量輕、安全性高等特點(diǎn)。碳纖維快速成型技術(shù)已取得突破，快速、低成本的工業(yè)化生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料已基本能夠滿足汽車大規(guī)模生產(chǎn)需要。對(duì)于新能源汽車產(chǎn)業(yè)來說，通過碳纖維減重后可以極大提高其續(xù)駛里程，新能源+碳纖維將帶來新能源汽車工業(yè)制造“革命”。

將帶來千億材料市場

新能源汽車的輕量化與新材料密不可分。權(quán)威專家指出，新能源汽車輕量化未來主要涉及5大材料：鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼、碳纖維加強(qiáng)的熱塑性材料、碳纖維加強(qiáng)的熱固性材料。對(duì)這些材料的使用，相關(guān)汽車企業(yè)會(huì)從成本、與材料的加工和連接、車體修復(fù)及材料回收等方面進(jìn)行綜合考量來確定用量。

但從目前的市場接受情況來看，在眾多的輕質(zhì)材料中，鋁合金的比較優(yōu)勢卻為明顯。在2014-2015年歐洲汽車車身大會(huì)上，鋁合金以諸多的優(yōu)良性能和成熟的應(yīng)用技術(shù)被新能源汽車材料工程師們?cè)u(píng)為汽車輕量化首選材料。

其中最具人氣的特斯拉鋁制電動(dòng)汽車，2015年產(chǎn)銷量達(dá)到2.4萬輛，排名美國新能源汽車首位。資料顯示，在構(gòu)成新能源汽車的2萬多個(gè)零件中，約有86%為金屬材料。因此，可以通過使用輕金屬來減輕汽車自重，而汽車鋁化率達(dá)到60%以上也是完全可取的。全球目前約有12%至15%耗鋁量用于汽車工業(yè)，有些發(fā)達(dá)國家甚至已超25%。一份報(bào)告指出，歐美乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁制蓋罩占比已接近45%，乘用車鋁合金防撞梁占比已達(dá)到30%以上。北美汽車鋁使用量2012年為每輛車156千克，預(yù)計(jì)到2025年這個(gè)數(shù)字將達(dá)到249千克。

可以看出，新能源汽車輕量化發(fā)展與鋁合金材料的應(yīng)用必將在產(chǎn)業(yè)鏈上產(chǎn)生強(qiáng)烈的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，上下游企業(yè)的密切合作將產(chǎn)生巨大的企業(yè)效益和社會(huì)效益。

中國的鋁合金加工企業(yè)也在緊緊跟隨這個(gè)潮流。

如中國忠旺緊抓汽車輕量化需求，爭當(dāng)車企用鋁先鋒。中國忠旺執(zhí)行董事兼副總裁路長青表示：“在未來，汽車鋁材的開發(fā)與應(yīng)用主要集中在三個(gè)方面：一是車身、車架全鋁化及大型鋁合金型材的開發(fā)應(yīng)用；二是防沖擋及車門剛性結(jié)構(gòu)的全鋁化；三是轉(zhuǎn)動(dòng)部分零部件的全鋁化。尤其是鋁制車身將會(huì)成為今后的一種發(fā)展趨勢，將給我國的鋁加工業(yè)提供廣闊的市場并帶來發(fā)展機(jī)遇。”

2016年2月，中鋁與浙江吉利集團(tuán)簽署汽車輕量化戰(zhàn)略合作協(xié)議。根據(jù)協(xié)議，雙方將在汽車輕量化用鋁合金材料、零部件開發(fā)及維修技術(shù)等方面開展深度合作。雙方共建汽車用鋁合金聯(lián)合開發(fā)實(shí)驗(yàn)室，共同開展鋁合金在乘用車、商用車，尤其是在新能源車方面的應(yīng)用研究和技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)行新材料、新工藝和新技術(shù)的開發(fā)及推廣應(yīng)用。

隨著一大批新材料項(xiàng)目陸續(xù)建成投產(chǎn)，一批科技含量高、前景廣闊的新材料產(chǎn)品進(jìn)入市場，汽車輕量化新材料成為高科技和高附加值的產(chǎn)業(yè)。據(jù)測算，到2015年全國汽車輕量化新材料產(chǎn)業(yè)的銷售收入總額達(dá)1500億元左右，2020年達(dá)到3000億元以上。未來基于輕量化新材料需求在中國和世界范圍內(nèi)強(qiáng)勢增長，中國市場還會(huì)對(duì)該市場進(jìn)行高質(zhì)量的細(xì)分，以輕量化新材料為原料的零部件還有很大的發(fā)展空間。