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北汽-A00级电动车车身技术路线研究

2021-12-01 21:37:12·  来源：电动学堂  作者：贾彦敏  
　
文章来源：北京新能源汽车股份有限公司1前言孙逢春院士在2017年中国汽车轻量化技术研讨会指出[1]，汽车整备质量减少10%，可以明显改善汽车动力经济性、可靠耐久
文章来源：北京新能源汽车股份有限公司
1前言
孙逢春院士在2017年中国汽车轻量化技术研讨会指出[1]，汽车整备质量减少10%，可以明显改善汽车动力经济性、可靠耐久性、环境油耗性、安全性、操控驾驶与舒适性，如：加速性能提升0.5s，油耗降低6%~8%，续驶里程增加5.5%，尾气排放减少7%，转向力减少6%，刹车距离减少5%等。同时，随着《企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》等国家法规对能耗、排放等的逐步加严，以及消费者对汽车使用经济性、续驶里程等的高度关注，将汽车轻量化作为重要技术途径是各企业的普遍共识。《节能与新能源汽车技术路线2.0版》作为指导汽车行业发展的纲领，明确了2020~2035年轻量化阶段目标及技术路线：2025年纯电动乘用车轻量化系数降低15%，2030年降低25%，2035年降低35%。预计超高强钢、铝镁合金及碳纤维增强复合材料的应用比例将逐步上升，以实现汽车轻量化目标。
车身系统作为汽车企业自主设计与制造的关键系统，是汽车轻量化的重要一环，汽车企业如何选择合适的轻量化技术路线，是平衡轻质材料应用成本及设备投入，实现收益最大化的关键。
因此，本文结合A00级两座及四座产品规划的制定，研究了目前车身的技术路线，从车身材料、平台化策略、工艺路线、成本估算、产线投资方面进行全方位分析，并通过投入及收益分析确定最优技术路线。
2车身技术路线应用现状
当前，根据白车身（BodyInWhite,BIW）用材、工艺及结构，行业采用的轻量化车身路线可归为4种。第1种：传统钢车身技术路线。钢制BIW及开闭件，局部辅以高强钢、超高强钢、热成型、拼焊等技术应用，该技术路线成熟度高、低成本，是汽车企业普遍采用的轻量化技术路线。
第2种：铝合金车身技术路线。该技术路线分冲压板材式及铝型材框架式2种。冲压板材式车身以冲压板材为主，技术相对成熟、成本较高，主要应用在中高端车型上，主要代表车型有I-PACE、蔚来ES8等。铝型材框架技术路线以铝型材作为BIW框架，外覆盖件采用塑料。技术也比较成熟，成本较铝合金车身技术路线低，主要应用于低端车型上，如EQ1。
第3种：钢铝混合车身路线。该技术路线以钢及铝合金冲压为主，下车体骨架兼有铝型材，钢与铝占比相当，兼有少量其他材料应用。目前主要应用于中高端车型，技术风险较高、成本也高。代表车型有Model3、宝马7系、ModelS、广汽AionLX和北汽新能源ArcfoxαT。
第4种：碳纤维复合材料车身路线。该技术路线以碳纤维复合材料用材比例最高，兼有部分热塑性塑料、弹性体、钢及铝合金材料应用。碳纤维复合材料车身用材及工艺复杂度较高，技术难度大，成本很高。主要用于跑车及高端车型。代表车型有宝马I3等。
拟开发的A00级两座及四座产品定位为低成本国民车，规划产量较低，基于以上4种技术路线分析初步确定“传统钢车身技术路线”及“铝型材框架式车身技术路线”。
3主要方案对比分析
基于以上选择的2种技术路线，细化形成了2种方案，分别为：
（1）全钢车身方案，
（2）铝型材框架（压铸铝接头）方案。
从车身用材、平台化策略、工艺路线、成本、产线投资方面进行全方位分析。
3.1车身用材
2种方案的用材及质量对比请见表1。
方案（1）采用100%钢质车身，三门两座车型车身质量预估为300kg。
方案（2）采用铝型材、板材及压铸铝，3种材料占比为64%，覆盖件采用低成本工程塑料，三门两座与五门四座车型车身质量分别下降159kg、174kg。
3.2平台化策略
为最大化降低车型开发成本，三门两座与五门四座车型在设计中充分考虑平台化和通用化，通过分析确定通用化率目标70%。在车身结构方面，五门四座车型白车身在三门两座车型基础上进行以下变化：
（1）重新框架布置，增加B柱总成及地板横梁总成，考虑角接结构；
（2）在车身前部造型一致情况下，保证前排前部结构不变，修改地板及梁架结构；
（3）三门两座车型加长后在角接点位置适当增加压铸件比例，保证车身框架刚度不低于目标值；
（4）车门模块化装配，造型充分考虑2个车型的通用性。
（5）铝型材借用供应商已有截面形状方案，减少模具投入。
3.3工艺路线分析
方案（2）与方案（1）相比，多了钢与铝连接类型，铝型材与钢的连接主要采用螺接形式，压铸铝与钢的连接主要采用铆接形式（表2）。在工艺策略上，方案
（2）主机厂不需投入冲压车间，但由于采用了塑料覆盖件，为保证外观质量，主机厂需投入塑料件涂装相应场地及设备。
3.4车身材料成本粗算
基于三门两座车型对车身材料成本进行估算及对比分析，详见表3。全钢车身单车成本估算为6181元，铝型材框架车身单车成本估算为10732元，铝型材框架车身较全钢车身上涨约105%。五门四座车型相比三门两座车型成本约上涨20%左右。
3.5产线投资分析
为更好进行产线投资分析，预定以下前提条件：
（1）按产能4万/年、生产时间为5年，每天2班计；
（2）总装费用差异较小，产线投资对比不计总装投入；
（3）三门两座与五门四座车型模具、检具和夹具考虑设计通用率目标为70%；
（4）全钢车身方案主机厂投入冲压、焊装、涂装与总装，铝型材框架车身方案主机厂投入焊装（含分总成焊装）、涂装与总装。
以下对各阶段投入进行估算分析。
3.5.1冲压投资分析
全钢车身厂房（12000m2）、冲压线及模检夹设备由公司自行投入，共需投入34660万元。铝型材框架车身公司不投入厂房及冲压线，仅投入模具、检具和夹具设备，且由于型材从供应商现有截面形状中选择，可与供应商分摊成本。经测算，铝型材框架车身方案需为冲压投入6100万元，比全钢车身方案节省28560万元（表4）。
3.5.2焊装投资分析
2种技术路线对于厂房都有需求，因此在此不做评估，仅评估差异性较大的部分。全钢车身焊装投入按照传统模式估算，预计投入5205万元。铝型材框架车身焊装，自建分总成焊装线，共计需投入5495万元，比钢车身方案投入增加290万元（表5）。
3.5.3涂装投资分析
全钢车身涂装投入按照传统模式估算，预计投入20560万元，铝型材框架车身焊装需投入7460万元，比全钢车身方案投入减少13100万元（表6）。
根据以上投资分析，全钢车身总计需投入60425万。铝型材框架车身总计需投入19055万元，较全钢车身方案投入减少43953万元。
4收益综合分析
4.1轻量化效果
以三门两座车型为例，在同等扭转刚度及模态目标下，铝型材框架车身质量共计141kg，较全钢车身降低159kg，降重53%，轻量化效果显著。
4.2性能提升收益
结合行业平均水平，具体到本案例，141kg降重预估可提升续驶里程8.3%，制动性能提升7.5%，转向力降低9%。
4.3投入产出综合收益
以三门两座车型为例。从单车成本估算方面，铝型材框架车身（10732元）较全钢车身（6181元）增加4551元。从产线投入方面，按20万辆产品周期计算，全钢车身单车投入3021元；铝型材框架车身单车投入953元，较全钢车身单车投入减少2068元。从节约电池电量方面考量，铝型材框架车身可节约3kW·h电量，较全钢车身可节省单车成本约3000元。综合以上主要方面，铝型材框架车身较全钢车身单车减少投入517元。
5结束语
车身轻量化技术路线选择应根据公司现有资源、车型投入等情况进行具体分析。针对本公司需全新投入产线及产量规划情况，选择铝型材框架车身能够用更低的前期投资，实现单车效益的最大化。
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