智能網聯新能源汽車整車結構輕量化關鍵技術工藝應用

摘要：隨著新時代綠色發展理念的持續深化，我國越來越重視智能網聯新能源汽車產業的發展，當前汽車結構輕量化是推進新能源汽車產業發展的關鍵途徑。將輕量化技術用于新能源汽車整車結構設計，有助于降低車身的整備質量，提高汽車續航里程和動力利用效率，進而降低能源損耗，起到環境保護的作用。基于此，從輕量化概念出發，分析新能源汽車整車結構輕量化的作用，重點探討輕量化的關鍵技術，以期為新能源汽車產業升級提供參考。關鍵詞：新能源汽車；智能網聯；輕量化；碳纖維技術；復合塑料

0 前言

輕量化技術是融合了材料技術、設計開發、工藝改進等諸多汽車制造產業及多種學科的綜合性技術，其應用水平為國內新能源汽車產業發展奠定了扎實的基礎。輕量化技術的應用提升了汽車零部件的生產水平，增強了整個汽車行業的創新能力，對于產業綠色發展具有重要的現實意義，是目前汽車制造業重點研究的技術路線之一。

1 汽車輕量化概念

汽車輕量化是指在不影響汽車安全行駛、抗振效果、舒適程度及耐撞性能的前提下，采取相應技術手段來針對性地減輕汽車質量，以達到提高動力利用效率的目的。汽車輕量化的概念主要可以從以下3 個方面來闡述：① 在保持汽車原功能不受影響的基礎上，利用技術手段實現車身質量輕量化；② 對于功能尚不完善的汽車，通過應用輕量化技術來提升汽車的強度、安全性能、操控性能等；③將輕量化概念引入汽車產業，就是既要改進和提升汽車性能，又要實現降低車重的良好效果［1］。

2 整車結構輕量化

當前，汽車輕量化技術是促進汽車產業節能減排的重要措施之一，也是實現汽車產業綠色可持續發展的主要方式。相關研究表明，汽車整備質量每降低10%，汽車燃油消耗可以降低8% 左右，相當于直接降低了大氣中CO2、硫化物、氮氧化物等有害物質的排放，起到了環境保護的作用。電池、電機、電控是新能源汽車必備的三電系統，能夠有效提升新能源汽車的性能水平，但同時也增加了汽車自重，直接影響新能源汽車的續航、動力、電池消耗速度及安全性能等。數據表明，新能源汽車自重每降低10%，就能夠直接增加5% 左右的續航性能，節省10% 左右的電池應用成本，降低新能源汽車使用損耗，因此降低新能源汽車自重對于提升性能體驗是十分必要的［2］。實現新能源汽車整車結構的輕量化可以從汽車本身出發，降低汽車名義密度。通常來說，汽車名義密度與同等體積下的質量呈正比，新能源汽車名義密度越大，質量也會相應加大，那么汽車的續航能力、電池效率及安全性就很難得到有效提升。因此，將輕量化概念引入新能源汽車整車結構設計中，通過降低名義密度來提升汽車的續航水平、動力性能，這對推動新能源汽車產業的發展有重要意義。

3 輕量化關鍵技術

3. 1 集成化超輕新能源汽車

在采用成熟的電池和電機驅動技術的基礎上，通過開發出半承載式全塑車身和整車成型組裝設備，能夠制造出一種集成化超輕新能源汽車，實現汽車的輕量化。全塑車身技術是實現超輕新能源汽車的關鍵技術，車身一體化、組件整體化、模塊化是全塑車身技術的總體設計思路，主要是通過高度集成各種細小零部件，減少零部件的使用數量，有效降低組裝難度和生產成本，最終達到輕量化的目的。當前，車身整車質量最輕、技術最先進的超輕新能源汽車的整備質量約為850 kg，其主要結構包含駕駛系統、電池驅動單元、專項系統、車身構架及復合材料車身等。

3. 2 集成化纖維增強熱塑性地板

發展集成化纖維增強熱塑性地板也是新能源汽車應用最關鍵的技術之一。該技術需要使用強度較高的塑料車身、鋁制車架及熱塑性材料地板，通過汽車車身內部的孔槽、通孔及預埋金屬零部件等完成車身、地板及車架之間的有效連接，最終形成一種整體的封閉式結構。該結構能夠促使整體車身和其他部件協調配合，共同承擔車輛行駛載荷，同時還能傳遞和吸收撞擊能量。熱塑性材料地板不僅不會影響新能源汽車的車輛性能，還有效降低了汽車整備質量。熱塑性地板加工工藝主要是將纖維增強微分發泡材料加入常用材料中，利用橫向軸、縱向軸帶動模具進行旋轉加熱，保證熔化的材料涂抹在模具表面，然后采用水冷工藝技術將模具進行冷卻，最終開模制作成熱塑性材料地板。經過該工藝制作的材料晶體均勻且細小，可以增強車身強度，降低車身質量［3］。

3. 3 優化電池的質量

新能源汽車的電池容量都是固定的，為了保證汽車行駛里程及安全運行，一輛汽車需要完整的電池包，而每個電池包由大量具有固定容量的單個電池構成，這就造成了汽車電池包的質量可達幾百千克。在新能源汽車整備質量中，電池包的質量占據比例較大，因而要實現整車結構的輕量化，必須對電池進行優化。在優化時，可以采取增加單個電池容量的方法，即提高單個電池的實際容量，這樣既能夠滿足汽車運行所需電池包的容量要求，也能夠減少單獨電池的數量，進而降低電池包的質量及新能源汽車整車結構質量。除此之外，還可以優化單體電池的電芯結構尺寸及電芯結構布置，提升電池放電功率，并且在不影響電池用量的基礎上，盡可能地提升汽車續航里程。例如，對日產某車型電芯內部結構布置及尺寸進行了優化，電池包質量降低了80 kg 左右，在一定程度上降低了新能源汽車的整車質量。

3. 4 碳纖維技術的應用

碳纖維技術是通過人工合成的方式，把碎狀或片狀的石墨晶體等有機纖維材料，按照特定的結構形式，采取軸向鋪設的方式來達到最強的力學性能，進而滿足材料應用的力學結構要求。研究表明，在結構、尺寸相同的汽車零部件中，碳纖維材質的零部件質量約為鋼鐵材質零部件質量的四分之一左右，而其抗拉性能卻比后者強了約7 倍。同時，在力學性能試驗中，碳纖維材料零部件的各項測試指標都超過了汽車所需零部件的性能標準。

此外，碳纖維材料零部件具有較強的耐腐蝕性能，和鋼鐵材料相比，其對電池結構的屏蔽功能也超強。因此，將碳纖維技術應用于新能源汽車及零部件生產制造中，能夠確保原車性能指標不受影響，還能夠有效促進汽車輕量化目標的實現。但從目前情況來看，各汽車廠商對于碳纖維技術的應用研究仍處于積極探索與持續深化階段。例如，在寶馬i3 車型中，應用了大規模的碳纖維材料，降低了約300 kg 的整車結構質量，這是碳纖維技術成功應用的典型案例［4］。從國內市場來看，部分汽車廠商將碳纖維技術應用到整車或者零部件的批量化生產中，也實現了良好的降重效果，有效提高了新能源汽車續航能力。

3. 5 優化整車結構設計技術

在新能源汽車輕量化發展中，優化整車結構設計也是最有效的途徑之一，能夠降低新能源汽車整備質量。通常來說，對新能源汽車整車結構改良優化可以從以下3 個方面進行：① 在不影響汽車本身強度參數的前提下，簡單化設計汽車的整車結構能夠大大減少零部件的需求數量，進而起到整車輕量化的作用。② 在不影響新能源汽車本身性能的情況下，設計人員可以采取縮小零部件尺寸和控制零部件體積的方法，來達到輕量化的目標。③ 在新能源汽車零部件生產鋪排過程中，可以采用緊湊型結構布局的方式，盡可能地減少汽車整車結構體積，來實現新能源汽車的輕量化。

3. 6 復合塑料車身技術

通常來講，復合塑料車身所選擇的材料較為特殊，一方面多種材料的有效融合，在一定程度上彌補了單一材料的缺陷，另一方面充分挖掘了每一種材料的優勢，最大化地提升復合材料的使用性能。復合塑料車身成型通常采用的是吹塑成型工藝，在車身生產過程中，采用多次多種加料的工藝，促進整車性能的強化。此種材料車身和傳統金屬車身材料相比，靈活性和可塑性更強，不僅降低了汽車車身的制造難度，還能夠靈活地滿足車身不同形狀的要求，進一步提高了汽車生產效率。

4 輕量化技術發展趨勢及建議

4. 1 輕量化產業技術發展路線

近年來，全球各國在集中資源、技術、經濟等因素的影響下都開始發展新能源汽車產業。而國內對于新能源汽車輕量化技術的研究起步較晚，仍處于初級探索階段，高分子復合材料、鋁鎂合金等輕量化材料的研發不足，應用率較低。但隨著新能源汽車產業的蓬勃發展，各新能源廠商加大了對整車結構和輕量化技術的研發和推進，研究成果也正在逐漸顯現。調查表明，中國汽車要在2025 年完成減重20% 的輕量化目標，提高整車結構車身復合材料、鎂鋁合金等材料的應用比例，加大力度推進碳纖維技術的研發和應用，共同為新能源汽車輕量化發展而努力。

4. 2 新能源汽車整車結構質量發展趨勢

現階段，新能源汽車廠商在整車質量管理過程中，主要的研究方向包括信息化數據庫搭建、質量管理標準優化、流程優化再造及優化系統設計等。在這些發展方向中，新能源汽車整車結構質量發展的重中之重在于信息化數據庫搭建及物料清單（BOM）管理流程的優化再造。通過搭建信息化數據庫，能夠實時查詢新能源汽車的整車質量數據，便于為生產商提供參考依據，同時通過優化BOM管理流程，能夠有效監管汽車整車結構質量管控的全過程，進而為汽車輕量化設計提供信息數據［5］。

4. 3 新能源汽車整車結構輕量化發展建議

首先，應全面放開輕量化發展中的技術研發及應用壁壘。當前，大部分人對輕量化概念理解比較淺顯，技術人員只是將研發停留在車身材料的優化、替換以降低車輛自重方面，未能將輕量化技術進行有效創新。技術研發人員應通過技術應用，規劃輕量化發展路線，明確各結構參數設計，全面梳理汽車結構設計、材料研發、制作設計等關系，為實現汽車整車結構輕量化打好基礎。其次，全面分析各種輕量化材料的結構特點、市場優勢，選擇性價比高且輕量化效果佳的新型材料，將其逐步應用于新能源汽車制造中，促進整車結構輕量化發展。最后，建立新能源汽車輕量化發展數據庫，通過智能化手段來獲取真實的新能源汽車質量數據，實時跟進輕量化技術設計成果及技術突破等，建立動態化的新能源汽車產業輕量化數據庫，便于各汽車廠商對標工作，進而優化自身的結構設計、車型設計、參數性能等，同時還可以與國家的科研機構建立聯系，完善數據共享機制，加強國內各廠商之間的交流合作，共同深入輕量化技術的研發和應用。

5 結語

總之，新能源汽車產業已經駛入發展“ 快車道”。對新能源汽車整車結構進行輕量化設計，持續加大對輕量化技術、輕量化材料的研發，能夠有效提升新能源汽車續航能力，增強汽車企業市場競爭力，推動新能源汽車行業蓬勃發展。

參考文獻

［ 1 ］ 劉增平，崔紅軍，冷永磊，等. 新能源汽車輕量化穩定桿的協同開發[J]. 重型機械，2023（4）：107-112.

［ 2 ］ 田萌. 新能源汽車輕量化技術路線和應用策略[J]. 汽車與新動力，2022，5（4）：17-19.

［ 3 ］ 曹文衛. 新能源汽車輕量化底盤懸架系統智能制造技術[J]. 新能源科技，2022（7）：24-27.

［ 4 ］ 楊博. 高分子材料在新能源汽車輕量化中的應用及營銷研究[J]. 塑料助劑，2021（6）：53-56.

［ 5 ］ 耿金華，吳嘉聰，陳偉豪，等. 新能源汽車輕量化設計探討[J]. 農業工程與裝備，2021，48（3）：22-24.