作為汽車產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向之一，國內(nèi)外各大汽車企業(yè)從未停止過對輕量化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。BMW i3作為第一款進(jìn)入量產(chǎn)的碳纖維車身設(shè)計(jì)的車輛，成為碳纖維應(yīng)用于汽車的里程碑項(xiàng)目。但由于目前碳纖維復(fù)合材料成本較高，一直沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的推廣應(yīng)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(chǎn)思路及理念，再一次引發(fā)了業(yè)內(nèi)對電動(dòng)汽車輕量化技術(shù)的高度關(guān)注。由于通過超級輕量化技術(shù)平臺(tái)打造的“全鋁空間架構(gòu)+全復(fù)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(dāng)前碳纖維復(fù)合材料成本居高不下的情況下，給我國電動(dòng)汽車輕量化的發(fā)展開辟了新的途徑。
目前，國內(nèi)外在輕量化材料、整車設(shè)計(jì)、制造工藝等方面的研究和應(yīng)用已取得突破性進(jìn)展。然而，輕量化技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)汽車的制造工藝，帶來整個(gè)產(chǎn)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(jià)及測試標(biāo)準(zhǔn)尚未完善、產(chǎn)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(diào)整思路，面臨行業(yè)變革所帶來的挑戰(zhàn)。
電動(dòng)汽車輕量化技術(shù)取得突破性進(jìn)展
實(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);三是采用先進(jìn)的制造工藝。國內(nèi)外車企紛紛從這幾方面入手，推動(dòng)電動(dòng)汽車輕量化發(fā)展，并取得了一定成績。
1. 應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料減重顯著
高強(qiáng)度鋼和鋁合金都可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)車身減重，而汽車用工程塑料和復(fù)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(dá)國家已將汽車用塑料量的多少作為衡量汽車設(shè)計(jì)和制造水平的一個(gè)重要標(biāo)志。2015年，我國車用塑料的用量已經(jīng)達(dá)到1046萬噸，而且呈逐年上升的趨勢。
復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)。在復(fù)合材料中，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用一直備受矚目。選用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作結(jié)構(gòu)件、覆蓋件，可減輕質(zhì)量達(dá)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(qiáng)復(fù)合材料有更大的應(yīng)用潛力，在未來汽車輕量化中將會(huì)起到舉足輕重的作用。寶馬i3在碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用方面取得了令人矚目的成績，是第一款實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的采用碳纖維車身設(shè)計(jì)的車輛，其整備質(zhì)量僅為1224kg，比設(shè)計(jì)之初減輕了250-350kg，很大程度上彌補(bǔ)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(yīng)用將會(huì)帶來一場革命，其原因在于碳纖維在汽車上的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)汽車的設(shè)計(jì)思想、開發(fā)流程及制造工藝。碳纖維材料是可設(shè)計(jì)的，其零件工藝是多樣化的，未來碳纖維應(yīng)用于汽車沒有標(biāo)準(zhǔn)化的材料，整個(gè)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(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。其中，碳纖維總成的方式已取得突破性進(jìn)展。在蘭博基尼Sesto Elemento的項(xiàng)目中，將前圍、地板、后圍集成為一個(gè)整體式座艙，取代了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的48個(gè)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(zhì)量在加注燃料和其它液體之前只有960 公斤。
3. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高材料利用率
汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以在保證車身結(jié)構(gòu)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(dá)到車身結(jié)構(gòu)輕量化的目的，結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。
拓?fù)鋬?yōu)化作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種，不同于車輛構(gòu)件的尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，是對布局和節(jié)點(diǎn)聯(lián)接關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)的某種性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化。汽車廠在新車開發(fā)時(shí)，公司決策層會(huì)給出一個(gè)整車定義，包括車多大多重，涉及到成本控制，同時(shí)希望車達(dá)到什么性能。拓?fù)鋬?yōu)化能夠在給定設(shè)計(jì)空間，給定設(shè)計(jì)重量、設(shè)計(jì)性能的約束下，迅速得到一個(gè)布局和節(jié)點(diǎn)聯(lián)接基本判斷，為設(shè)計(jì)人員提供結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕、性能最優(yōu)的力學(xué)傳遞路徑方案。
目前，湖南大學(xué)已經(jīng)用拓?fù)鋬?yōu)化的辦法對電動(dòng)汽車的骨架進(jìn)行優(yōu)化?；谕?fù)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(shí)間、多減重22.4kg，同時(shí)還可以不同程度的提升整車性能。拓?fù)鋬?yōu)化的方法已在電動(dòng)汽車全鋁車身的輕量化上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了成功的探索。湖南大學(xué)研制的第二代樣車實(shí)現(xiàn)了比第一代純電動(dòng)汽車整備質(zhì)量減重18.5%，白車身骨架質(zhì)量(不包括門蓋)由120kg減為90kg，減超過20%，實(shí)現(xiàn)了通過車身減重來降低電池成本的目標(biāo)。此外，湖南大學(xué)利用拓?fù)鋬?yōu)化的方法通過五輪迭代，將電池包的結(jié)構(gòu)和整車結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，可將電池直接裝在車體本身。
電動(dòng)汽車的輕量化不能僅僅追求材料、制造工藝或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的某一方面，而是需要三者互相結(jié)合、互相制約，需要根據(jù)實(shí)際情況平衡各方面的關(guān)系，以便最大程度的實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化。如奇瑞新能源汽車eQ1在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，采用了更加適應(yīng)電動(dòng)車的全新的架構(gòu)設(shè)計(jì)、平臺(tái)化的整車及系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及高安全性設(shè)計(jì)。生產(chǎn)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(tái)的共享理念。
我國電動(dòng)汽車輕量化道路仍面臨阻礙
我國輕量化技術(shù)的發(fā)展起步較晚，缺乏經(jīng)驗(yàn)，與國外先進(jìn)水平有較大差距，發(fā)展電動(dòng)汽車輕量化仍面臨阻礙。
1. 輕量化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系缺失，發(fā)展目標(biāo)尚不明確
目前，我國還沒有完整的汽車塑料零部件技術(shù)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，包括技術(shù)方面的測試標(biāo)準(zhǔn)以及輕量化技術(shù)的完整評價(jià)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(dǎo)行業(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
從國際上看，美、日、歐都有輕量化明確的發(fā)展指標(biāo)和路線。以美國整車輕量化的發(fā)展目標(biāo)為例：2020年要在2013年的基礎(chǔ)上降重20%，2025年降重30%，該目標(biāo)還對整個(gè)組成系統(tǒng)各部分的減重指標(biāo)提出了要求，要求整個(gè)車身系統(tǒng)減重35%，底盤減重25%，動(dòng)力總承減重15%。說明該目標(biāo)非常細(xì)致的研究了輕量化實(shí)現(xiàn)的路徑，對我國汽車輕量化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定有一定的借鑒作用。
2. 產(chǎn)業(yè)融合缺乏，產(chǎn)業(yè)鏈尚未建立
輕量化技術(shù)需要運(yùn)用多學(xué)科交叉融合所形成的的綜合性、系統(tǒng)性知識(shí)，實(shí)現(xiàn)跨產(chǎn)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(guān)系，跨國公司也已形成“碳纖維復(fù)合材料+零部件供應(yīng)商+主機(jī)廠”的產(chǎn)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(jìn)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(tuán)的材料標(biāo)準(zhǔn)和制品性能標(biāo)準(zhǔn)自成體系，國內(nèi)供應(yīng)商實(shí)質(zhì)上很難進(jìn)入跨國汽車集團(tuán)的供應(yīng)鏈。目前，鋁合金、碳纖維等材料供應(yīng)鏈在國內(nèi)也較為稀缺。對于汽車輕量化而言,加快建立起涉及“先進(jìn)材料研發(fā)-原材料生產(chǎn)-零部件制造-整車集成應(yīng)用-回收再利用”等全產(chǎn)業(yè)鏈的需求迫在眉睫。
3. 材料和加工成本高，新型材料應(yīng)用有限
目前車用輕量化新材料的成本普遍都偏高，國內(nèi)每噸鋁合金的材料成本達(dá)4.5萬左右，碳纖維的材料成本則每噸高達(dá)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(fù)合材料，由于目前國內(nèi)技術(shù)尚未達(dá)到一定水平，加工效率低，導(dǎo)致成本進(jìn)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(chǎn)設(shè)備的改造，四大工藝中沖壓、焊接、涂裝生產(chǎn)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(cái)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(nèi)汽車企業(yè)帶來四大方面的挑戰(zhàn)：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、新材料應(yīng)用、新工藝的創(chuàng)新以及整個(gè)開發(fā)流程的變革。特別是碳纖維的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)汽車的設(shè)計(jì)，開發(fā)流程、設(shè)計(jì)思想以及制造工藝。在實(shí)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(yīng)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(gè)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(qiáng)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(shù)研發(fā)能力不足
輕量化技術(shù)的發(fā)展需要既懂材料又懂汽車的跨學(xué)科人才，目前由于缺乏交叉學(xué)科人才，材料、工藝、整車廠之間互不了解，廠商與科研團(tuán)隊(duì)之間溝通不暢，產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合程度不緊密，沒有合理分工，基礎(chǔ)性研究和技術(shù)開發(fā)研究有機(jī)銜接不夠，嚴(yán)重阻礙了輕量化進(jìn)程。
對我國發(fā)展電動(dòng)汽車輕量化的建議
1.建立標(biāo)準(zhǔn)體系
零部件生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的缺失會(huì)導(dǎo)致企業(yè)沒有明確的研發(fā)、生產(chǎn)目標(biāo)及規(guī)范，不利于行業(yè)持久健康的發(fā)展。目前應(yīng)盡快建立我國自身的材料認(rèn)證體系，進(jìn)行材料的性能檢測、應(yīng)用驗(yàn)證、技術(shù)穩(wěn)定性與安全可靠性評價(jià)等。
2.加強(qiáng)各領(lǐng)域結(jié)合，盡快建立產(chǎn)業(yè)鏈
輕量化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)是各相關(guān)領(lǐng)域相互協(xié)調(diào)、相互配合，要鼓勵(lì)產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作，組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，支持汽車工業(yè)與國內(nèi)材料行業(yè)之間深入交流，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，讓一部分性能穩(wěn)定、品質(zhì)過硬的國產(chǎn)材料優(yōu)先進(jìn)入汽車產(chǎn)業(yè)鏈。
3. 調(diào)整固有模式，廣泛利用資源
汽車電動(dòng)化顛覆了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，而輕量化則又顛覆了整個(gè)車身，由此帶來設(shè)計(jì)、工藝、裝備的變革，原有的技術(shù)存量將逐漸被淘汰。企業(yè)當(dāng)前應(yīng)直面科技革命和產(chǎn)業(yè)重構(gòu)帶來的影響，調(diào)整生產(chǎn)平臺(tái)及開發(fā)模式，利用廣泛的國際資源來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，建立新興組織結(jié)構(gòu)模式。在新的變革中，原料供應(yīng)商將變成部件供應(yīng)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(shè)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(shí)
目前我國汽車輕量化領(lǐng)域跨學(xué)科人才缺乏，導(dǎo)致技術(shù)研發(fā)能力薄弱，應(yīng)加強(qiáng)跨學(xué)科人才的培養(yǎng)，建立“外培項(xiàng)目”，提前儲(chǔ)備交叉學(xué)科人才。此外，面對產(chǎn)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(shí)，以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)變革的需要。
