汽车轻量化：助新能源汽车极致表现
汽车轻量化技术已经成为中国新能源汽车工业发展的重要方向之一，这也是新能源汽车发展的基础技术
文/周路菡
新能源汽车由于使用电池包作为动力，为了增加其行驶里程和提高车身的耐久性和安全性，有目标地减轻汽车自身的重量就成为必然的途径。同时作为有效的节能手段，汽车轻量化技术已经成为中国新能源汽车工业发展的重要方向之一，这也是新能源汽车发展的基础技术。新能源汽车的轻量化，有赖于激光技术、新材料和电池技术的发展。预计未来10年内，新能源汽车的车身和零部件将大量应用铝合金、镁合金、碳纤维加强的热塑性和热固性材料、高强度钢等新材料，并带来千亿规模的材料市场。
新能源汽车轻量化发展更为重要
今年1月23日，2016中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆举行，全国政协副主席、中华人民共和国科学技术部部长万钢在论坛中为大会致辞。万钢明确表示，新能源汽车要向轻量化方向转型。
万钢部长在此时抛出新能源汽车的轻量化发展路径是有深刻原因的，因为目前新能源汽车的续航里程在很大程度上受制于车子的重量，轻量化一直是电动汽车制造商关注的重点。从轻量化的设计理念思考是电动汽车技术革命的一个重要推力。
当然，新能源汽车的轻量化发展也是世界各国发展汽车工业的共同选择。当今世界汽车工业的发展面临着三大方向，分别是节能、环保和安全。对于节能和环保来说，新能源汽车当然有着显著的特征，但是重达几百公斤的电池包也让很多新能源汽车的续航里程大打折扣。目前我国推出的电动车的续航里程基本在100—300公里之间，但价格与普通燃油车相比没有太多优势。随着国家对于新能源汽车的补贴逐年降低，电池技术又没有重大的突破的情况下，轻量化就显得异常重要了。以特斯拉为例，整备质量2.1吨，而锂电池的电池组就高达900kg，占比达到45%左右，而车身通过使用铝合金和玻璃纤维增强塑料（特斯拉顶盖），相比于传统车型，减重比接近40%。这也是目前特斯拉在兼具动力和续航里程上独领风骚的关键所在。
此外，由于汽车轻量化是设计、材料和先进的加工成形技术的优势集成，是汽车性能提高、重量降低、结构优化、价格合理四方面密切结合的一个系统工程。所以也成为提升一个国家汽车技术水平的关键。
日本车企很早就认识到汽车轻量化是缓解燃油供应矛盾、减少尾气排放的迫切需要，也是未来世界汽车产业持续健康发展的必然选择，所以汽车轻量化就作为普通汽车和新能源车的共性关键技术获得广泛的推广和应用。
目前日本正在试图将自己的汽车轻量化技术推向世界。比如2016年1月13—15日，在东京bigsite举办了“第6届汽车轻量化技术展”。本次展会是介绍汽车轻量化材料与技术的综合型技术展，亚洲最高级别的汽车先进技术展，以汽车自动化、轻量化以及先进技术为主题，汇集了来自全球的汽车制造商和汽车零部件生产企业。共有600多家企业参展，参观人数高达25000人。
欧美等顶级车企也一直在推动汽车轻量化的发展。一个重要的原因是欧洲各国及美国的尾气规定越来越严格。比如欧盟法律规定，目前新登记车辆尾气排放CO2的上限是平均每公里130克;到2021年，欧盟范围内所销售新车平均碳排放不得高于95克/公里，到2025年有望将汽车碳排放控制在每公里68-78克。所以我们看到宝马2013年11月在欧洲推出了新能源汽车EVi3，该车的大部分车身采用了CFRP(碳纤维增强复合材料)等轻质材料的技术。美国福特汽车则为最畅销的皮卡车型F-150的2015年款配备了全铝车身。英国捷豹，路虎2015年春季在欧洲推出了XE，铝材在该车的白车身表面积中所占的比例高达约75%。
随着新能源车的迅速发展和普及，车身轻量化也越来越受到重视。因为车身轻量化将是缓解“里程焦虑”、增加续航里程的必然选择，试验表明，整车重量减少10%，单次充电的行驶里程增加5.5%。此外，“十三五”期间我国汽车产业也将重点专项布局智能化、轻量化、底盘一体化方面。这都将推动中国新能源汽车轻量化的进一步发展。
由于汽车轻量化是设计、材料和先进的加工成形技术的优势集成，是汽车性能提高、重量降低、结构优化、价格合理四方面密切结合的一个系统工程。所以也成为提升一个国家汽车技术水平的关键。
有赖于新材料、激光技术和电池技术的发展
新能源汽车轻量化的途径中，新型材料的应用具有重要作用，只有开发出轻质、高性能、易成形、环保的新型材料，才能为新能源汽车轻量化提供可能。
在众多的材料中，车用高性能工程塑料、高强度钢、碳纤维复合材料、玻璃纤维增强复合材料、挤压铝型材、工艺设备、全铝车身、镁合金零部件、碳纤维车身都是率先被应用的材料种类。
比如宝马新上市的i3首度采用了宝马的LifeDrive架构。LifeDrive架构由两个模块组成：乘员模块和行走模块，乘员模块主要是由CFRP（碳纤维强化塑料）制成的客舱，而行走模块则采用了全铝制底盘。i3的车身覆盖件也是全部采用了CFRP。目前i3算上230kg的电池组，也只有1195kg，比同尺寸的车型来说，要轻了300Kg左右。当然其续航里程只有160km，与其电池组小是相关的。
在中国，位于芜湖弋江区高新技术开发区的奇瑞新电动车生产项目，项目总投资15.6亿元人民币，新工厂将投产铝车身骨架纯电动乘用车，年产能可达6万辆，主要生产S51EV、小蚂蚁、AOEV等系列电动车。此外新工厂投产后，将成为奇瑞兑现年产20万辆新能源车产能目标的重要一环。奇瑞总经理助理刘志佳表示，奇瑞后续的新能源汽车产品，都是以铝合金框架（含电池铝合金框架）和分体式碳纤维于一体的轻量化产品构架平台。今年10月，奇瑞将推出该轻量化平台打造的首款车型，车身减重将达到30%，该车型的推出会为减排起到很大作用。
有了材料，就需要对材料进行加工。在对新材料的加工工艺中，激光技术涉及到汽车零部件的切割以及焊接等关键环节，所以激光技术对于促进汽车轻量化也起到了重要作用。
比如在铝合金的焊接方面，连续激光器的优势很明显。与传统的焊接方法相比，生产效率高，且无需填丝；与脉冲激光焊相比可以解决其在焊后产生的缺陷，如裂纹、气孔、飞溅等，保证铝合金在焊后有良好的机械性能；焊后不会凹陷，焊后抛光打磨量减少，节约了生产成本。但是在连续激光器技术领域，目前主要还是以外企特别是德企为主。德国的Rofin-Sina公司和Trumpf公司主要生产CO2激光器，HAAS公司则主要生产固体(Nd：YAG)激光器，而IPG公司生产新型的光纤激光器，Laserline公司生产半导体激光器，形成相互竞争又互相补充的激光技术研发与生产链。大众汽车、宝马汽车、奔驰汽车是德国应用激光焊接技术的示范企业。
有报道显示，辽宁忠旺集团铝合金车体制造厂新进的一台G6020F型新式光纤激光切割机，采用的就是德国大功率IPG光纤激光器，该设备配备有精密直线导轨及德国进口的高精度齿轮齿条等传动机构，可满足对铝板等材料的高精切割加工需要。目前忠旺集团已经用该设备切割和成形铝板、不锈钢板、碳钢板等中薄板材料，促进铝合金车体制品的生产。
当然，对于新能源汽车来说，除了车身的轻量化，另外一项轻量化的目标就是电池。当然，电池作为新能源汽车中最“值钱”的部分，以目前的锂电池的技术来看，其减轻车身重量的能力还非常有限。但是已经有很多企业在试图来对电池技术进行改造。例如增加单位体积的电池容量以实现轻量化，目前对这一技术已能工程化。通过电池的重新排列布置也是提高系统能量密度的有效手段之一。例如通过对电芯尺寸的研究设计，与整车布置相匹配，更高效放置更多的电池，从而使电池箱体积不变，增加电芯数量，实现更长的续驶里程。比如日产对聆风进行改款，在锂电池结构上做文章，将车身重量降低了80千克；大众直接取消了e-up!的电池冷却系统。
新能源汽车将大量应用碳纤维
以塑代钢也是目前发展的潮流之一。在以塑代钢的诸多案例中，碳纤维在新能源汽车中的应用是最具影响的技术之一。据悉，碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7—9倍，抗拉弹性模量为23000—43000Mpa，这也明显高于钢。另外碳纤维还具有耐腐蚀、电磁屏蔽性好等特性，所以碳纤维成为新能源汽车轻量化非金属材料中的重点。
碳纤维首次大规模应用于量产车还是宝马i3。据悉，宝马i3上大约使用了200-300千克左右的碳纤维复合材料，通过大量使用碳纤维增强复合材料，i3整体重量较之于原来设计之初减轻了250-350kg，而此次创举中，宝马主要应用的是巴斯夫碳纤维材料。
目前欧美各大整车厂都有碳纤维应用上的探索和技术积累。在宝马的带头示范下，碳纤维的大规模批量应用正在加快步伐。目前各大汽车厂商如奔驰、奥迪、通用、福特和特斯拉等都已经和碳纤维企业开展了多种形式的合作。
目前中国碳纤维年需求16000吨，而我国每年只能生产低端碳纤维2000吨左右，高端碳纤维的研发与生产长期被国外垄断并对中国严格封锁，因此我国目前主要依赖进口。资料显示，在新能源电动车的带动下，未来3年全球高端碳纤维需求总量缺口将达60%。
但中国碳纤维技术已经在新能源汽车领域取得应用。位于江苏盐城的奥新新能源汽车公司是专业从事纯电动和增程式纯电驱动车辆研发、生产和销售的高新技术企业，此前该公司主要研发用于城市短途代步、物流、邮政、环卫等领域的纯电动轿车、纯电动货车等车型。去年，中国首辆碳纤维新能源汽车在江苏盐城奥新工厂正式下线。奥新碳纤维新能源汽车工程也被认为是中国第一个具备2万辆产能的碳纤维纯电动汽车制造工厂，并拥有中国第一条高温高压真空辅助碳纤维成型生产线。目前该企业正在积极推广奥新e25紧凑型A级车产品，据悉该车型首次采用全碳纤维材质乘客舱设计，融合智能能源管理系统、碳纤维轻量化车身技术、轻质高强高韧铝合金底盘等核心技术，与同类汽车相比车重减轻50%、零部件减少40%，百公里耗能低于10度电，续航里程最高可达440公里。
此外，中国的康得新、海源机械等企业也正在加大科研力度，力图突破碳纤维车身制造技术难点。比如北汽已经与康得新达成了合作协议，后者将为北汽未来的新能源汽车产品提供汽车车体轻量化、高性能储能设备等新材料。海源机械则募集资金进行新能源汽车碳纤维车身部件产业化项目。目前公司已掌握包括动态瞬间四角调平技术、模内涂装等技术工艺，并成功开发高性能热塑型复合材料模压机。有望成为全球第二家碳纤维模压生产线供应商。
碳纤维部件具备重量轻、安全性高等特点。碳纤维快速成型技术已取得突破，快速、低成本的工业化生产碳纤维复合材料已基本能够满足汽车大规模生产需要。对于新能源汽车产业来说，通过碳纤维减重后可以极大提高其续驶里程，新能源+碳纤维将带来新能源汽车工业制造“革命”。
将带来千亿材料市场
新能源汽车的轻量化与新材料密不可分。权威专家指出，新能源汽车轻量化未来主要涉及5大材料：铝合金、镁合金、高强度钢、碳纤维加强的热塑性材料、碳纤维加强的热固性材料。对这些材料的使用，相关汽车企业会从成本、与材料的加工和连接、车体修复及材料回收等方面进行综合考量来确定用量。
但从目前的市场接受情况来看，在众多的轻质材料中，铝合金的比较优势却为明显。在2014-2015年欧洲汽车车身大会上，铝合金以诸多的优良性能和成熟的应用技术被新能源汽车材料工程师们评为汽车轻量化首选材料。
其中最具人气的特斯拉铝制电动汽车，2015年产销量达到2.4万辆，排名美国新能源汽车首位。资料显示，在构成新能源汽车的2万多个零件中，约有86%为金属材料。因此，可以通过使用轻金属来减轻汽车自重，而汽车铝化率达到60%以上也是完全可取的。全球目前约有12%至15%耗铝量用于汽车工业，有些发达国家甚至已超25%。一份报告指出，欧美乘用车发动机铝制盖罩占比已接近45%，乘用车铝合金防撞梁占比已达到30%以上。北美汽车铝使用量2012年为每辆车156千克，预计到2025年这个数字将达到249千克。
可以看出，新能源汽车轻量化发展与铝合金材料的应用必将在产业链上产生强烈的联动效应，上下游企业的密切合作将产生巨大的企业效益和社会效益。
中国的铝合金加工企业也在紧紧跟随这个潮流。
如中国忠旺紧抓汽车轻量化需求，争当车企用铝先锋。中国忠旺执行董事兼副总裁路长青表示：“在未来，汽车铝材的开发与应用主要集中在三个方面：一是车身、车架全铝化及大型铝合金型材的开发应用；二是防冲挡及车门刚性结构的全铝化；三是转动部分零部件的全铝化。尤其是铝制车身将会成为今后的一种发展趋势，将给我国的铝加工业提供广阔的市场并带来发展机遇。”
2016年2月，中铝与浙江吉利集团签署汽车轻量化战略合作协议。根据协议，双方将在汽车轻量化用铝合金材料、零部件开发及维修技术等方面开展深度合作。双方共建汽车用铝合金联合开发实验室，共同开展铝合金在乘用车、商用车，尤其是在新能源车方面的应用研究和技术攻关，进行新材料、新工艺和新技术的开发及推广应用。
随着一大批新材料项目陆续建成投产，一批科技含量高、前景广阔的新材料产品进入市场，汽车轻量化新材料成为高科技和高附加值的产业。据测算，到2015年全国汽车轻量化新材料产业的销售收入总额达1500亿元左右，2020年达到3000亿元以上。未来基于轻量化新材料需求在中国和世界范围内强势增长，中国市场还会对该市场进行高质量的细分，以轻量化新材料为原料的零部件还有很大的发展空间。