新能源汽车铝合金轻量化发展现状

创业 2025-01-22 10:24 重庆

新能源汽车轻量化发展的背景

新能源汽车轻量化的技术途径

目前新能源汽车轻量化的技术途径主要有3种：

①材料轻量化，主要采用高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金和复合材料等；

②结构轻量化，主要进行尺寸形状优化、拓扑优化等；

③工艺轻量化，主要采用先进制造工艺如液压成形工艺、激光拼接成形工艺等。

新能源汽车铝合金材料轻量化的优势

目前轻量化材料中，铝合金相比高强度钢而言，其强度高，能最大程度降低车身重量，减重效果好，且耐腐蚀性强，回收难度低，回收利用率高，具有绿色环保的优势，能实现汽车产业链中铝资源的回收再利用；相比镁合金，铝合金强度更高，更容易加工，且目前的镁合金主要以Mg-Al合金为主，新能源汽车直接使用铝合金价格更低；相比钛合金，由于铝合金对加工工艺参数敏感性要求相对较低，铝合金的应用更具成本优势；相比塑料、碳纤维等复合材料，由于目前对复合材料的实际研发应用水平低，无法实现批量化生产，铝合金更具备大规模应用前景。因此，铝合金成为目前新能源汽车的首选轻量化材料，在保证新能源汽车质量、安全性、经济性的同时，降低整车的重量，增加车辆续航里程。

新能源汽车铝合金轻量化发展的背景

新能源汽车用铝合金的成形技术

新能源汽车用铝合金的成形技术以铸造成形技术及半固体成形技术为主，除此之外还有挤压成形、锻造成形等。铸造成形技术是新能源用铝合金最主要的成形技术，包括压力铸造、挤压铸造、精密铸造等。其中压铸成形技术成形的铝制品报废率低，成形尺寸精度高，成形质量好，应用最广。而半固体成形技术是一种新型成形技术，当铝合金处于固态和液态之间的半溶状态时，能获得较好的填充，对其进行相应的成形时，能提高成形的精度，从而获得更好的成形效果。但该技术尚未得到成熟应用，无法大批量生产铝合金制品。

新能源汽车轻量化中的铝合金分类

新能源汽车用铝合金主要分为铸造铝合金、变形铝合金、泡沫铝材和铝基复合材料等。铸造铝合金的成形质量稳定，适合大批量生产，汽车中77%的铝制品为铸造铝合金。由于其采用铸造的形式进行成形，因此在如轮毂、制动盘等复杂的新能源汽车构件中应用较广。变形铝合金强度、塑性高，组织紧密，成分均匀，可划分为以纯铝或Al-Si系合金为代表的不可热处理变形铝和以Al-Mg-Si系合金为代表的可热处理变形铝2类，广泛应用于如车门、保险杠、热交换器等新能源汽车构件中。泡沫铝材作为多孔材料，由于其金属基体中存在气泡，吸震性、阻尼性好，用于新能源汽车一些支撑性构件中，能提高相应构件的碰撞安全性。铝基复合材料相比非增强金属，其具有更轻的重量，卓越的耐磨性，适用于恶劣工况，应用于高压电池系统中的组件等。

新能源汽车轻量化的铝合金应用场景

新能源汽车主要由电力驱动系统、供电系统、辅助系统3部分组成，铝合金在新能源汽车车身、底盘、电池箱等都得到了广泛应用。

新能源汽车车身的轻量化应用

新能源汽车中，车身占汽车自重的比例较大，通过车身铝合金材料的应用在实现汽车减重的同时能提高续航里程。新能源汽车车身铝合金板材主要以6系铝合金材质为主，如6014、6016等。6系铝合金具有优良的成形性、包边性能、漆刷性、烘烤性，不容易在车身表面形成无法消除的波纹等优点，从而在车身外覆盖件方面得到广泛应用，如蔚来、特斯拉的全铝车身。而5系铝合金成形性能优良，易于成形复杂零部件，是新能源汽车结构件、内覆盖件的首选材料，如路虎发现者4的5系铝合金后背门内板，奔驰S级的5系铝合金车门内板，长城VV7的机盖外板。但5系材料在成形过程中容易出现形纹，因此在成形过程中需加以控制。除此之外，随着新能源车车身铝化率增加，需要加大在铝合金成形工艺、维修等方面的车身应用研究，降低铝合金车身的制造成本，从而在低端新能源汽车上也能普及铝合金车身。

新能源汽车底盘的轻量化应用

汽车底盘主要由传动系统、行驶系统、转向系统及控制系统等4部分组成。新能源汽车相对传统汽车，其传动系统发生变化，从原来的依靠发动机进行传动到以单电机传动、主电机+轮毂电机传动、双电机双轴传动等3种方案进行传动。除此之外，新能源汽车的转动系统和制动系统也发生变化，由于新能源汽车取消发动机，相应的由原来的液压助力转向变更为电动助力转向，液压真空助力泵变更为电动真空助力泵。因此新能源汽车相对于传统的汽车底盘，其底盘的作用基本相同，区别在于支撑及安装发动机的位置变动成为支撑及安装以电池模块单元为主的电机动力总成。当前汽车底盘材料主要以TRIP钢为主，因此，在新能源汽车底盘设计过程中可以选择铝合金来代替TRIP钢质材料从而达到汽车轻量化的设计。目前，铝合金铸件YL118、ZL119、ZL120等在汽车底盘中也得到了很好的应用。如美国福特汽车公司将铝合金应用于汽车制动盘，凯迪拉克、路虎等将铝合金应用于汽车悬挂系统，蔚来汽车采用高真空压铸工艺制得了铝合金减震塔。

新能源汽车电池托盘的轻量化应用

相对传统燃油车，动力电池是新能源汽车独有的动力系统部件。而在新能源汽车中，动力电池约占整车质量的30%，其中电池盒的重量就占动力电池重量的约20%，因此实现动力电池的电池盒轻量化发展是大势所趋。铝合金材料密度小、散热性好、化学性质稳定、压铸性好的优势，使其成为电池盒材料应用的主流方向。目前新能源汽车电池包箱体结构主要由上箱盖、电池托盘、下壳体组成。作为电池包的承载部件，电池包下箱体的结构及布局是否合理直接关乎电池包寿命。因此，下箱体铝合金型材结构设计中，除了在冲压过程中考虑轻量化适度减薄还需要考虑新能源汽车行驶过程中路面的复杂性及可能存在的多样化碰撞形式，对相应区域进行结构优化，适当增加加强筋，提高箱体刚度，有效避免冲击变形。如特斯拉、比亚迪、宁德时代、蔚来等都已生产出相应的铝质电池箱，在实现电池箱高强度的同时，达到轻量化的目标。

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