A00 级电动车车身技术路线研究
文章来源：电动学堂
发布时间：2021-01-19
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。
当前，根据白车身（Body In White, 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Model 3、宝马7 系、Model S、广汽Aion LX 和北汽新能源Arcfox αT。
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”。
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：
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。
方案（1）采用100%钢质车身，三门两座车型车身质量预估为300 kg。
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159 kg、174 kg。
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。
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。
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6 181元，铝型材框架车身单车成本估算为10 732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。
（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。
全钢车身厂房（12 000 m2）、冲压线及模检夹设备由公司自行投入，共需投入34 660万元。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6 100万元，比全钢车身方案节省28 560万元（表4）。
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5 205万元。铝型材框架车身焊装，自建分总成焊装线，共计需投入5 495万元，比钢车身方案投入增加290万元（表5）。
全钢车身涂装投入按照传统模式估算，预计投入20 560万元，铝型材框架车身焊装需投入7 460万元，比全钢车身方案投入减少13 100万元（表6）。
根据以上投资分析，全钢车身总计需投入60 425万。铝型材框架车身总计需投入19 055万元，较全钢车身方案投入减少43 953万元。
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141 kg，较全钢车身降低159 kg，降重53%，轻量化效果显著。
结合行业平均水平，具体到本案例，141 kg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%。
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（10 732元）较全钢车身（6 181元）增加4 551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3 021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2 068元。从节约电池电量方面考量，铝型材框架车身可节约3 kW·h电量，较全钢车身可节省单车成本约3 000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。
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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