深挖細掘輕量化 讓新能源汽車跑更快更遠
“汽車輕量化的發展將更加聚焦於優化設計和多材料混合應用。隨着產品設計、成形和連接技術更加成熟，市場將出現多種技術和多種技術路線並存的格局。”
新能源汽車如何延長續駛里程一直備受行業關注。其中，車輛自重便是重要影響因素。
4月8～9日，由中國汽車材料網主辦的“2021年（第六屆）新能源汽車輕量化技術研討會暨展示會”在蘇州召開。本屆研討會吸引了來自整車企業、零部件供應商及科研院所的專業人士參加，從結構優化設計、輕質材料應用、先進成型工藝三方面闡述了新能源汽車輕量化的途徑，討論了其未來發展方向。
業內專家指出，新能源汽車輕量化技術的應用不僅能降低整車能耗，而且影響未來汽車的設計理念，成爲汽車技術革命的主要推力。
中國汽車輕量化技術創新戰略聯盟研究員羅巖對《中國汽車報》記者表示，輕量化的意義不僅是節能減排，而且成爲提升我國汽車產品競爭力的重要途徑。“輕量化將影響車輛的加速性能、制動性能、操縱穩定性、平順性和噪聲振動水平。合理的結構設計和輕量化材料的應用將有效提升車輛的各項性能，科學合理的用材策略也有助於控制車輛的生產成本。”他說。
此前，中國汽車工程學會發布了《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》（以下簡稱《路線圖2.0》）。《路線圖2.0》提出，到2035年，傳統能源動力乘用車將全部轉變爲混合動力，而新能源汽車將成爲主流，銷量佔比達到50％以上，其中純電動汽車將佔比95％以上。
據瞭解，對於電動汽車來說，整車減重更是對提升續駛里程有着非常明顯的作用。數據顯示，在動力電池重量不變的前提下，如果實現能量回收，每減重100kg，A級車可增加續駛里程12.3km，C級車可增加續駛里程13.0km；整車整備質量不變，動力電池以外的部件每減重10kg並將降低的重量分給動力電池，A級車可增加續駛里程12.5km，C級車可增加續駛里程9.3km。
事實上，輕量化也是帶動汽車產業鏈上下游相關領域轉型升級的源動力。羅巖認爲，汽車輕量化涉及冶金、化工、材料、裝備、設計、維修、回收再利用等多個相關產業，過去10餘年來對鋼鐵工業的帶動作用已經顯現。未來，輕量化將向產品多材料混合應用和生產智能化方向發展，將催生對汽車用材和生產裝備的更高要求。
圍繞三個“抓手”下功夫
來自東南（福建）汽車工業有限公司的參會代表江金壽表示，基於成本考量，輕量化的工作需要通過運用先進的結構設計方法，實現“恰當技術恰當用”，即合適的材料用於合適的地方。
中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司高級專家吳昊對記者表示，在汽車設計開發階段，通常採用CAE輔助分析方法對具體部位的零件形狀及材料種類應用進行分析與確定。作爲基礎數據，材料的相關力學性能輸入CAE仿真模型中進行結構性能分析計算，精準的材料模型與數據輸入會使結構設計餘量變得更加合理，從而使輕量化與整車性能更加完美地匹配。相反，如果材料模型與數據輸入精度不高，將導致前期結構設計偏軟或偏硬，進而對材料的精準應用產生影響，導致結構設計餘量不足或過多，不能精準實現將合適材料應用在合適位置的設計理念。在車身結構設計階段，材料與部件的精準仿真技術格外重要。
材料的應用是汽車輕量化最基礎、最核心的手段，既能保證車體結構的性能，又可大幅度降低車體重量的材料。目前，行業內實現汽車輕量化，普遍使用的是高強度鋼、碳纖維、鋁合金、鎂合金、工程塑料等材料。
一汽－大衆汽車有限公司工藝開發工程師吳雪松介紹稱，在鎂合金、碳纖維等輕質材料的成本下降到能大規模應用水平之前，鋁合金仍將是車身材料輕量化的最有效途徑之一。鋁材在輕量化中發揮着巨大的作用，但仍面臨着成本、安全、性能及生產工藝等方面的多重挑戰。
碳纖維材料也受到了不少與會代表的關注。數據顯示，2020年，中國汽車交通領域的碳纖維需求佔比達到1.8％。碳纖維複合材料是重要的汽車輕量化材料且非常具有市場潛力，吉林省華陽新材料研發有限公司工藝工程師宮元表示，華陽在行李箱護板、電池托架、板簧等方面都有應用碳纖維材料的案例，並在複合材料方面擁有成熟的產品設計流程和批量生產工藝。
“各種輕質材料都有其用武之地，汽車輕量化的發展將更加聚焦於優化設計和多材料混合應用。”羅巖表示，隨着產品設計、成型和連接技術更加成熟，汽車輕量化市場將出現多種技術和多種技術路線並存的格局，“恰當”是未來企業在選擇輕量化實現路徑時的核心要求。比如，車輛不同部位減重的價值和可接受成本不同，其中車輛上部和前端部件的減重意義更加重大，可接受的輕量化額外成本也相對較高。整車企業在確定所採用的輕量化技術路線時，應更加註重對車輛市場定位、用戶需求、性能與成本、產品效益和供應鏈體系的能力等因素的綜合考量。
連接技術值得更多關注
多材料混合應用帶來了新材料連接技術需求，鉚接、粘接和複合連接等多種連接方式在汽車行業得到了快速的發展。因此，解決異種材料連接過程中的結構設計、接頭力學模型、服役性能評價、工藝質量控制等一系列產業化的問題迫在眉睫。
對此，羅巖坦言，我國各種新型連接技術的研發工作都在推進，但現有成果與產業化應用仍有一定距離。與國外先進水平相比，國內企業連接結構的技術基礎理論沒有形成，設計規範沒有建立，所需的（系列化、標準化、通用化）基本單元（如鉚釘）缺失，連接工藝方法與裝備的參數控制以及生產過程的質量控制等方面，都因實踐不足而經驗積累甚微，高性能連接密封材料和摩擦穩定劑等產品基本依賴從國外進口。
“隨着輕量化需求越來越迫切，鋁在乘用車中的應用將逐年增加，連接工藝和成型工藝的逐漸成熟將促進鋁材的推廣應用。”江金壽說。
吳昊表示，多種材料在車身上混合應用使得整車輕量化水平不斷提高，爲了適應不同材料之間的連接，SPR（自衝鉚接）、FDS（熱融緊固）、粘接等連接方式在車身上得到了大範圍應用。這也對傳統以焊接爲主的連接測試與仿真方案提出了挑戰，需要多材料混合車身連接方式的精準仿真。鋼鋁混合電阻點焊爲鋼鋁連接提供了新的解決方案，電阻點焊工藝簡單成本低，所需設備、人員和供應鏈均成熟。直接用於鋁薄板及鋁－鋼異種材料焊接，可以節省大量投資及人力成本，簡化工藝流程，有着一定的技術優勢，通過工藝開發與性能研究，精準預測鋼鋁等材料的力學及疲勞性能。