新能源客車減重設計研究

李寶龍 陳朝澤

（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450000）

2018年2月，國家四部委聯(lián)合發(fā)布新一輪新能源汽車補貼標準，補貼方案削低補高、進一步鼓勵技術進步，將“提高技術門檻要求”作為開宗明義的首條綱領，明確鼓勵高能量密度、低能耗車型應用，將補貼資金顯著傾斜于更高技術水平的車型。

研究結果顯示，新能源汽車整車質量每減少100kg，續(xù)航里程可提高6%～11%，日常損耗成本減少20%。新能源汽車電池組配置相似且重量過大，目前，除比亞迪外，其他客車企業(yè)的動力電池基本上均來自寧德時代、億緯鋰能等主流電池供應商，整車重量更輕的車輛具有比較明顯的能耗優(yōu)勢，所以，必須降低整車重量才能最大限度提高續(xù)航，同時也能減少客戶的運營成本，獲取更高的財政補貼。

1 新能源客車發(fā)展趨勢

2016～2018年，受國家新能源汽車財政補貼政策調整的影響，我國客車產(chǎn)業(yè)在動蕩中發(fā)展，但變化的驅動力和主旋律仍然離不開“新能源”。2017年，我國客車銷量為22.8萬量，同比下降9.3%，公路客車、公交客車和校車三大細分市場銷量均同比下滑。其中，公交客車銷量為9.9萬輛，同比下降17.5%，占全年客車銷量的比例最高，貢獻度為43.6%。盡管財政補貼政策有所調整，但在公交客車全年的銷量中，新能源公交客車的貢獻度仍然達到了76.3%。隨著我國城市化、城鎮(zhèn)化的推進以及國家環(huán)境保護力度的加大，預計未來幾年，新能源公交客車仍然會維持較高的產(chǎn)銷量。

2 新能源客車財政補貼政策變化的影響[1]

相比2017年，在相關技術考察指標上，2018年的新能源補貼方案增加了對單位載質量能量消耗量（Ekg）的分檔考察，提高了對動力電池系統(tǒng)能量密度的要求，在補貼額度上相比2017年降低30%及以上，相比2016年降低60%以上，詳細補貼方案如表1所示。

調整有兩個方向，一方面提高了補貼門檻，另一方面，減少低續(xù)航里程新能源汽車的補貼力度，并加大高續(xù)航里程新能源汽車的補貼力度。在純電動汽車方面，續(xù)航里程為100～150km的汽車已經(jīng)不納入補貼范圍，且續(xù)航里程低于300km，國家的補貼力度則不同程度減少。與此形成鮮明對比的是，對于高續(xù)航里程的汽車，國家則加大了補貼力度，高續(xù)航里為300～400km的電動汽車，補貼金額由原來4.4萬元/輛提升到4.5萬元/輛，同比提升2.3%，而對于高續(xù)航里不低于400km的電動汽車，補貼金額則由2017年的4.4萬元/輛提升到了5萬元/量，同比提升了13.7%。

對單位載質量能量消耗量（Ekg）總體要求：不高于0.21Wh/km·kg，0.15～0.21（含）Wh/km·kg的車型按1倍補貼，0.15Wh/km·kg及以下車型按1.1倍補貼。Ekg計算方法如下：

由此可見，國家對純電動客車的推廣，對續(xù)航里程要求越來越高。然而，在相同電量下，整備重量越大，續(xù)航里程越顯得捉衿見肘。想要讓Ekg變小，必須減小整備重量、增加續(xù)航里程，而整備重量降低可以減小Ekg，同時又可以降低能耗、增大續(xù)航里程。

表1 2018年新能源客車財政補貼政策

3 主要減重途徑介紹

減重設計是在保證整車強度和剛度的基礎上，通過結構的輕量化設計以及輕量化材料的使用，從而達到減輕整車重量的目的[2]。新能源客車減重主要貢獻來自車身。總的來說，車身減重設計主要有材料、結構和工藝三種途徑，如圖3所示。

圖3 客車減重設計主要途徑

首先，材料應用輕量化是汽車減重設計最基礎、最核心的手段。從技術路徑看，先進高強度鋼、碳纖維等復合材料、塑料、金屬合金是目前車企探索的幾大方向。其中，碳纖維復合材料由于密度低、強度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)秀特性，認為是未來汽車材料的主要發(fā)展方向。但目前國內車用碳纖維復合材料剛剛起步，還處于技術探索和積累階段，原材料成本高及加工效率低，阻礙著碳纖維復合材料的推廣應用；鋁合金因其較低的密度、優(yōu)質的性能以及巨大的存量，已經(jīng)成為實現(xiàn)汽車輕量化發(fā)展的主要方式。關于目前汽車主要輕量化材料，后面詳細介紹。

其次，結構輕量化是最容易實施也是花費成本最低的一種減重設計手段。不僅是車身，底盤動力等零部件的設計都可以大量運用結構輕量化設計。而綜合考慮整車性能進行的多目標優(yōu)化，是目前結構輕量化研究的熱點，例如：模塊化集成設計、結構拓撲優(yōu)化。

最后，先進輕量化成形和連接技術等制造工藝輕量化是減重設計的保障，主要包括成型工藝和連接工藝。先進的成型技術也保證了整車結構的安全性。目前，先進的成型工藝包括高強度鋼熱成型、內高壓成形、激光拼焊和液壓成型等；先進的連接工藝包括鉚接、粘結、焊接等。

4 新能源客車典型減重結構和材料介紹

4.1 PP蜂窩板

PP蜂窩板是由兩塊較薄的面板，牢固粘結在一層較厚的蜂窩狀芯材兩面而制成的板材，亦稱蜂窩夾層結構，材質主要是PP（聚丙烯）。PP蜂窩板能夠大量推廣在新能源客車上得益于其以下優(yōu)點：密度小、質量輕：15mm厚PP蜂窩板密度為0.26g/cm3，同樣厚度的竹編地板密度≥0.9g/cm3、PVC地板密度≥0.59g/cm3。所以，面積一樣的PP蜂窩板比竹編地板減重60%以上，比PVC地板減重50%以上；優(yōu)秀的防水防潮性能；特殊的蜂窩狀結構，有優(yōu)良的吸能特性，可有效吸收能量，抗沖擊并分擔負荷；蜂窩板能有效降低阻尼振動并吸收噪音。

4.2 高強度鋼

根據(jù)強度分類，屈服強度在210-550 MPa和抗拉強度在270～700 MPa的鋼為高強度鋼（HSS），而屈服強度大于550 MPa和抗拉強度大于700 MPa的鋼為超高強鋼（UHSS）。如果根據(jù)冶金學特征進行分類，分為普通高強度鋼（C-Mn鋼、高強度IF鋼、BH鋼、IS鋼、HSLA鋼）和先進高強度鋼（DP、CP、TRIP、M、HF）。圍繞汽車鋼強度高、易成形的發(fā)展趨勢，目前的汽車高強度鋼板可分為第一代、第二代、第三代。其中，第三代高強鋼引起汽車及冶金企業(yè)廣泛關注，彌補了第一代強塑積較小和第二代工藝復雜、生產(chǎn)成本高的不足，以強度高、吸能性強、塑性適中、冶金性能穩(wěn)定、成本適中為主要特點。目前，國內高強度鋼在車身上的使用量、高強度鋼的強度級別、使用技術水平、鍍層板的使用量，以及使用水平和車身設計水平等方面與國外還存在較大差距。未來，普通鋼材在汽車上的應用將逐漸減少，但高強度鋼的使用量將迅速提高。通過對在售熱銷車型車身高強度鋼的使用情況進行整理，目前高強度鋼已經(jīng)成為主流的車身制造材料。同時，在車身關鍵部位，強度1500MPa以上的超高強度鋼得到了一定程度的應用。

4.3 鋁合金

鋁合金具備易成形、比強度高、耐腐蝕等優(yōu)勢，采用鋁合金制造的汽車零件，與傳統(tǒng)鋼鐵材料相比，可減重30%～50%。與鎂合金、碳纖維等材料相比，鋁合金價格適中，約為4萬元/t，工藝成熟，生產(chǎn)效率高，比較容易適應汽車結構件對性能、價格、質量穩(wěn)定性和供貨響應速度等的多重要求，因此，是當前應用比較廣泛的輕量化材料。

4.4 鎂合金

鎂合金減重效果更加明顯，最高可達70%，但鎂的化學性質活潑，存在質量不穩(wěn)定、價格昂貴且不耐腐蝕等不利因素，制約了其在汽車上的大規(guī)模應用。據(jù)調查，我國單車用鎂量僅為1.5kg，歐洲單車用量已達14kg，成長空間較大。目前，新能源客車上已在逐步試裝鎂合金扶手管、鎂合金椅腿等零部件。

4.5 碳纖維復合材料

碳纖維復合材料作為性能先進的新材料，最早在航空、航天及軍工等高精尖科技行業(yè)開始應用。碳纖維復合材料獲得汽車行業(yè)輕量化的青睞，來源是由于其突出的物理特性：碳纖維復合材料密度小，比鋁輕30%，比鋼輕50%，抗拉強度卻是鋼的7～9倍。碳纖維替代鋼鐵結構可實現(xiàn)減重40%～60%。同時，碳纖維復合材料還易于集成化，可減少零部件數(shù)量。吸收沖擊性能是金屬的5倍，可提高碰撞安全性和減振性能。其特殊的模壓和粘結工藝則可代替沖壓和焊接工序。隨著國內碳纖維自給能力的提高，預計我國碳纖維需求也將得到較好的釋放。

5 結語

減重設計是客車產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向之一，也是國家技術進步、先進程度的重要標志。客車是我國城鄉(xiāng)交通的主要工具。從客車發(fā)展趨勢看，公共交通是發(fā)展主流，客車減重設計也是客車技術的發(fā)展方向[3]。在當前節(jié)能減排、新能源客車補貼政策收緊、技術門檻提高的大趨勢下，客車減重設計顯得尤為重要，雖存在一定的困難，但可以預見，隨著我國客車技術的不斷發(fā)展，客車減重設計一定會得到更廣泛的應用。