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A00级电动车车身技术路线及成本分析

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。

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”。

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。

一、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。

二、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。

三、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。

四、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。

五、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。

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)。

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)。

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。

收益综合分析

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。

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%。

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。

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。

关键词: 技术路线 复合材料

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