铝合金在新能源汽车轻量化中的应用及前景分析

摘要：汽车轻量化是全球汽车工业的发展方向，而汽车轻量化的首选材料是铝合金。铝合金材料在汽车上的应用对解决我国能源短缺、环境污染、运输效率低下等问题具有重要意义。本文分析了铝合金材料在新能源汽车轻量化中的应用，介绍了新能源汽车的快速发展将为铝合金材料的发展带来巨大的市场前景，指出铝合金等轻量化材料的应用、新型结构设计是新能源汽车安全、节能、环保的核心技术优势和主要轻量化措施。

关键词：铝合金；新能源汽车；轻量化

新能源汽车轻量化背景需求及战略意义

1.1 能源与环境压力

近20年来，全球能源与环境问题日益严重，降低汽车自重、降低油耗成为各大汽车厂商提升竞争力的关键。在所有消耗石油的行业中，汽车行业是石油消耗最大的行业，交通运输产生的温室气体排放量仅次于电力行业，因此汽车行业的节能减排对一个国家的能源供应、环境保护乃至国家安全都具有重要意义。

发展新能源汽车是低碳经济的重要组成部分，对缓解能源供需矛盾、改善环境、促进经济可持续发展具有重要作用。发展新能源汽车已成为世界各国共识。为实现“2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%”的目标和汽车产业“弯道超车”的历史使命，我国已将新能源汽车列入七大战略性新兴产业。2012年，国务院正式印发《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》，将电动汽车作为新能源汽车的主攻方向。到2020年，我国纯电动汽车和插电式混合动力汽车产能达到200万辆，累计产销量突破500万辆，燃料电池汽车、车用氢能源产业与国际水平同步发展。

1.2 汽车轻量化的意义

2013年，我国汽车销量突破2000万辆，同比增长13%以上，其增速远高于经济和人口的增长速度。汽车产业的发展在给人们的生活带来便利的同时，也带来了资源、安全和环保三大问题，给可持续发展带来了严峻的挑战。对于汽车工业来说，降低燃油消耗的主要方法是：减轻重量占50%，提高发动机效率占20%，降低行驶阻力占30%，其中最有效的方法就是汽车轻量化。轻量化材料在汽车发展中起着重要作用，也使得新能源汽车向着更高性能的方向发展。目前，汽车轻量化主要通过轻量化外形(如泡沫夹芯夹层结构)、轻量化材料(如纤维复合材料和铝镁合金材料)、轻量化制造(如内高压成形和整体结构成形)、轻量化设计(如结构虚拟仿真分析)、轻量化功能(如功能集成优化)的综合运用来实现。 新能源汽车产业的发展主要涉及两个方面：一是新能源领域的动力电池；二是新材料领域的汽车轻量化材料。新能源汽车通过采用全铝车身可以减轻重量、提高续航能力，并降低电池成本，使得整体制造成本更低，取得更好的经济效益。研究表明，燃油消耗的75%左右与汽车重量有关，减轻汽车重量可以有效降低油耗和排放。表1列举了汽车轻量化对节油和减排的效果。从表1可以看出，汽车重量每减轻10%，油耗下降8%，排放下降4%。

1.3 铝合金在新能源汽车领域的研发及应用

全球铝应用分布如图1所示。从图1可以看出，铝在交通运输领域使用量最多。铝合金自进入汽车行业以来发展迅速，使用量逐年增加。目前，美国、日本、德国是汽车使用铝合金最多的国家，如德国大众奥迪A8、A2、日本NXS，车身使用铝合金量达80%。新能源汽车不同于传统汽车，是以新能源作为动力驱动车辆，受到动力电池重量、动力电池续航里程、汽车节能减排政策限制等制约。在车辆设计和材料应用方面，车身轻量化成为车企首先要考虑的问题，部分零部件采用铝材成为新能源汽车厂商的首选。 奥迪A8L Hybird所采用的混合动力系统由于电池包、电机等部件额外增加了130kg重量，但是由于其采用全铝车身框架结构，整车重量仅为2035kg；而东风全铝车身混合动力客车，与国内同类钢制车身相比，铝合金车身减重40%，使得整车重量比同类客车减轻15.2%。特斯拉Model S为了延长续航里程，配备了500kg的电池组，因此必须通过缩小车身来减轻整车重量。Model S的车身95%以上采用铝材，2014年北美车型用铝量达到158kg/辆左右；2015年欧洲车型用铝量达到300kg/辆；而我国每辆轿车平均用铝量仅为115kg/辆左右。 一般家用车的材料构成为：钢材54%、铸铁10%、塑料8%、铝合金8%、镁合金1%、橡胶及玻璃7%、其他12%，铝合金在新能源汽车市场仍有很大的提升空间。

选取CNKI数据库，以“新能源汽车铝”组合作为检索词，检索2017年以前的我国专利及论文产出，结果如图2所示。从搜索结果中可以看出，铝合金在新能源汽车轻量化方面的研究呈逐年增多的趋势。

铝合金在汽车轻量化方面的优势

铝合金密度小、耐腐蚀性能好、塑性优良，在生产成本、零件质量、材料利用率、制造工艺、力学性能、可持续发展等方面具有其他轻量化材料无法比拟的优势，因此铝合金将成为汽车行业首选的轻量化材料。

1）减重效果显著。铝具有良好的力学性能、密度小、导热性好，表面自然形成的氧化膜具有良好的耐腐蚀性，是汽车轻量化最理想的材料。而且铝合金带来的轻量化，让刹车等零部件也能减轻重量，也就是实现了二次轻量化。根据美国铝业公司的数据，汽车典型铝制零部件一次减重效果可达30%~40%，二次减重可提高到50%。

2）冲击吸收能力强。铝的冲击吸收能力是钢的两倍，在碰撞安全性方面具有明显的优势。另外，铝合金汽车在不降低汽车载重量的情况下减轻了汽车自重，车身重心降低，使汽车行驶更加平稳，驾驶舒适性更好。

3）易于回收利用。使用过程中仅发生轻微腐蚀，且铝合金熔点低，易于重熔回收，回收率达80%以上。汽车使用的铝合金材料60%以上为再生铝。回收1吨铝合金比再生产1吨铝合金节能95%，铝的损失仅为5%左右。使用铝所节省的能源是原铝生产该部件所消耗能源的6至12倍。

4）装配效率高。铝合金汽车整体结构焊接点少，减少了加工工序，整体铝合金车身比钢焊接车身重量轻35%左右，且无需防锈处理，仅有25%~35%的零部件需要点焊，可大大提高汽车的装配效率。

铝合金在新能源汽车上的应用

汽车用铝合金主要有轧制材、挤压材、锻造材、铸造铝合金等，目前各类铝合金在汽车上的应用比例大致为：铸铝77%、轧制材10%、挤压材10%、锻造材3%。新能源汽车所用铝合金零部件主要有车身、车轮、底盘、防撞梁、地板、动力电池及座椅等。车身包括高性能铝型材制成的车身骨架和高精度铝板制成的蒙皮、车门等。铝合金车轮及底盘包括高强度大截面铝型材结构件及铝合金锻件、铝型材制成的防撞梁、保险杠、新能源客车地板、锂离子电池、铝离子电池（包括电池正极铝箔、电池铝壳及电池铝托盘）、新能源客车座椅系统等。铝合金材料在新能源汽车上的应用因车企理念不同、整车设计不同而有所差异。 全铝车身新能源汽车的用铝量非常大。

铸造铝合金主要用于制造新能源汽车底盘上的发动机部件、壳体部件等，如汽车发动机缸体、缸盖、离合器壳体、保险杠、车轮、发动机支架等几十种零部件。轧材、锻材、挤压材等变形铝合金主要用于汽车车身，如发动机罩、车顶、车门、挡泥板、行李箱盖、地板、车身框架、覆盖件等。新能源汽车使用的铝合金主要有2×××系、3×××系、5×××系、6×××系、7×××系铝合金。其中2×××系铝合金主要用于车身，3×××系铝合金主要用于热交换器、动力电池外壳，5×××系铝合金主要用于车身覆盖件，6×××系铝合金主要用于挤压型材及各类动力、悬架部件。 散热器所用材料主要由3×××系、4×××系、7×××系或6×××系铝合金组成。3×××系铝合金由于具有冲压性能好、屈强比低、加工硬化指数高、塑性指数大、变形抗力小、厚度各向异性指数小等特点，通常用作动力电池壳体。电池壳体用板材要求铝合金具有较好的加工成形性。图3给出了新能源汽车结构件中可使用的铝合金零件。表2列出了新能源汽车结构件中常用的铝合金材料牌号及主要性能要求。

3.1 车身、覆盖件等

汽车车身占总质量的30%以上，减轻车身重量对轻量化至关重要。铝车身的质量性能比钢结构车身提高23%，扭转刚度提高74%，抗弯性能提高62%。铝合金汽车车身覆盖件除满足标准规范所要求的力学性能、耐腐蚀性能外，还必须具有良好的成形性、焊接性、抗老化稳定性、油漆光泽均匀性、抗凹陷性、表面平整性和优良的烘烤硬化性能。

奥迪公司分别于1994年和1999年推出了A8和A2全铝轿车，使这两款车的车身重量比传统钢制车身减轻了43％和50％，平均油耗降低到3升/百公里。美国铝业公司、加拿大铝业公司、神户制钢所等均开发了5×××和6×××系列异形铝合金汽车覆盖件，并已批量生产应用。我国西南铝业公司、东北轻合金公司、南山铝业公司等企业也在积极进行汽车覆盖件的研究和生产。目前，车身覆盖件主要为5×××和6×××系列铝合金。对汽车内板材料的要求主要是深拉成形性和粘接性(焊接和连接性)，主要采用5×××系列合金和部分6×××系列合金。 外板要求强度较高，因此目前汽车外板主要采用可热处理强化的6×××系列铝合金。国内外汽车外板所采用的铝合金牌号有：AA6016、AA6022、AA6111、AA6005、AA6009、AA6010、AA5182、AA5754、AA5052等。如普利茅斯Prowler采用6022铝合金作为车身板，奥迪A8采用6016铝合金作为车身板，讴歌NSX采用5052铝合金作为车身和6×××系列铝合金作为外板，捷豹XJ220、GMEV1采用5754铝合金作为车身覆盖件材料。国产变形铝合金的物理力学性能与国外有较大差别，特别是冲压性能。

3.2 发动机、底盘、悬架等

发动机一般约占汽车重量的18%，发动机气缸体约占发动机总重量的25%。美国通用汽车公司采用全铝缸套，法国轿车铝缸套普及率已达100%，铝缸体已达45%。通用汽车在悬挂系统中采用铝合金部件，在副悬挂系统​​转向节的制造中也加大了用铝代替铸铁的规模。铝合金材料可用于发动机活塞、散热器、油底壳、缸体和缸盖、曲轴箱、连杆、滤清器等零件上。5×××系列铝合金具有强度高、成形性好、耐腐蚀性好、表面处理性能高、焊接性能好等优点，因而广泛应用于汽车燃油箱、结构件、发动机内盖等。 汽车使用的5×××系列铝合金板材一般以5052、5182铝合金及各铝公司自主研发的5×××系列铝合金高成形性材料为主，汽车悬架部件使用的合金主要是6061-T6铝合金，6A02-T6、6060-T4、6082-T6铝合金可作为汽车防撞梁型材，铝保险杠可达到轻量化的目的。

3.3 车轮

美国铝业公司对锻造铝合金进行了大量研究和试验，结果表明锻造铝合金轮毂具有强度高、抗冲击性能好、导热性好、耐腐蚀性能好、尺寸精度高、使用安全、减小纵横向振动、维护成本低、回收利用率高等优点，是未来新能源汽车轮毂的发展方向。铝合金轮毂温度比钢制轮毂可低10℃~15℃，可减少轮胎跑偏和温度，延长轮胎寿命10%·13%，增加行车安全性。使用铝合金轮毂的轻型车比传统钢制轮毂轻30%~40%，中型车可轻30%左右。随着汽车ABS的日益普及，为了减轻非悬挂部件的重量，减少制动系统的负荷，铝合金轮毂的使用越来越普遍。因此，在轮毂制造业，采用铝轮毂的厂家越来越多。 据统计，铝合金车轮的装车率已达45%左右，部分国家已超过60%。适用于乘用车铝合金车轮的铝合金有A3562、AC4C、H5052、5054、5052、6063铝合金等。美国、加拿大、欧洲、南非、澳大利亚等国家的商用车大多装配锻造铝合金车轮。我国秦皇岛戴卡车轮有限公司已试制商用车锻造铝合金车轮，并通过了一些使用试验；达到了轻量化、节能减排的效果。

3.4 热交换器

新能源汽车燃料电池汽车热负荷很大，在燃料电池系统中，约有50%的能量转化成热量散发到大气中，相比传统内燃机约33%的热负荷，对散热器的散热能力提出了更高的要求，这些都需要高性能的散热器来辅助。散热的好坏对发动机的动力性、经济性和可靠性影响很大，目前欧洲国家轿车上铝合金散热器的普及率已达100%，美国为65%-75%，日本为30%-40%。由于低速电动汽车基本可以实现自冷却，电机、控制器、电池的热量也能自行散发，所以不需要水箱散热装置，但对于高速高功率密度电动汽车，必须进行水冷，需要相应的电动汽车热交换器。 图4为新能源汽车常用的散热器结构。

风冷散热器底板通常采用6063铝合金挤压成型，再插镶1050铝合金翅片。水冷散热器采用4×××系列/3×××系列铝合金复合板加工成型后钎焊而成的冷却管与翅片。铝合金复合材料是制造汽车散热器等钎焊式热交换器的关键原材料，主要为2-3种合金经层压、轧制后形成的多层复合材料。 包覆层(皮层材料)多为高硅合金或低电位合金，如4004、4045、4047、4343、7072铝合金等，基体(芯层材料)主要为3003、3003Zn及3004铝合金等。该类复合材料可采用载气钎焊、真空钎焊等方式与热管、散热片连接，实现热交换。复合钎焊铝箔汽车散热器重量比铜箔约轻37%～45%，比铜散热器轻20%～30%，热交换效率高12%。表3为新能源汽车散热器用料对比。

3.5 电池和电池盒

新能源汽车充电设施等设备的零部件中，用铝及铝合金制成的有锂电池外壳（薄板），用挤压材料制成的有电子驱动装置、变速器、变流器、发电机、压缩机壳体（铸造、挤压材料）、储氢装置、电池充电器、超级电容器壳体（挤压材料）。为提高续驶里程，新能源电动汽车需要大量的锂电池组合模块，每个锂电池组合模块又由若干个电池盒组成，这样每个电池盒的质量对整个电池模块的质量影响很大。因此，采用密度小、强度高、拉伸成形性能好、焊接性能好的3003铝合金材料制作电池外壳成为动力电池封装的必然选择。3003铝合金材料易加工成型、耐高温腐蚀性能好、传热性能好、导电性能好，被选为汽车动力电池铝壳，与不锈钢壳体相比，可省去箱体底部焊接工序。 另外，由于铝和锰的沸点温度相差不大，焊接时不会出现因金属元素烧坏而导致焊缝质量下降等问题。图5为方形和圆形动力锂电池铝壳。

铝合金在新能源汽车应用中的问题及发展趋势

4.1 铝合金在新能源汽车应用中面临的问题

铝及铝合金在新能源汽车上得到广泛应用，尤其在汽车动力及悬架部件、汽车车身、热交换器部件、动力电池壳体、电池盖等，受到汽车行业的青睐，使用量在短时间内将快速增长。预计到2020年，我国新能源汽车保有量将达到500万辆。随着原材料成本的降低、成形技术的进步、防腐技术的提高，铝合金也将在新能源汽车中发挥越来越重要的作用。高强度车用铝合金、铝基复合材料、超塑性铝合金、粉末冶金铝合金、固体泡沫铝合金等新型铝合金材料的开发和应用，必然会进一步扩大铝合金材料在汽车工业中的使用范围。扩大铝合金在汽车上的应用将产生巨大的经济效益和社会效益，但铝材料在制造技术和应用方面还面临一些问题。

1）加工性能。铝合金的加工难度比钢大，成形性有待进一步提高，铝合金板材的性能也有待提高。

2）材料成本。铝的价格约为钢材的3.5倍，铝合金的应用虽然提高了汽车的综合性能，但也增加了整车成本。西方国家已量产的6011、6016铝合金汽车覆盖板市场价格为3.8万元/t，而汽车钢板市场价格仅为8000元/t。除去密度的差异，铝合金覆盖件的材料成本还是比钢制覆盖件高出很多。

3）研发风险。用铝合金板替代原有钢板，需要花费相当多的实验费用，研究新的生产工艺和工序。新产品在投入批量使用前，需要进行大量的实验，才能达到使用要求，必要时还需要更换现有的生产设备和模具，这会增加企业的成本和风险。

4）运输与维修。由于铝比钢软，在生产运输过程中的碰撞、各种灰尘的粘附都可能造成铝件表面出现碰伤、划伤等缺陷。维修市场对铝合金结构件、覆盖件碰撞后的修复恢复原理，以及开裂后的补焊，都缺乏经验和方法。

5）标准体系。目前，新能源汽车国家标准不完善，很多车型在示范推广过程中，需要车辆用户和车辆生产企业就产品技术标准进行协商，缺乏相关基础，不利于产业健康有序发展。

4.2 汽车用铝合金发展趋势

未来新能源汽车用铝材料的发展将集中在两个方面，一是开发新工艺，改进现有的加工技术，不断改进熔铸工艺和热处理工艺，进一步改进铝型材、铝板的加工、成型和连接工艺，提高汽车用铝材料的安全性、可靠性和实用性。二是开发新品种。目前已开发的有快速凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、纤维增强铝合金、泡沫铝材料等。此外，高强高韧铸造铝合金、铝基复合材料等也在研究中。因此，改进现有铝合金的成分和生产工艺，提高其各项性能以及开发新型铝合金是今后的主要研发方向。

1）设计方法。研究开发铝合金零部件的设计方法、结构计算方法和焊接工艺方法，开发先进的计算机仿真设计软件。将板梁框架结构车身替换为整体型材无框架结构车身，建立完整的汽车用铝合金材料数据库。开展汽车轻量化应用研究，为轻量化材料的拓展应用和产业发展建立改进的开发平台和数据库。

2）新型合金开发。轻量化、高性能、长寿命是铝合金材料的发展趋势。开发低成本、耐蚀性优良、疲劳强度高的新型铝合金挤压型材和压铸材料；开发转向机构、制动部件用承压能力强、耐蚀性和强度好的专用铸造铝合金。考虑制动器耐热性的影响，开发铸造性能良好的Al·Cu系列铸造合金。同时，应加强锻铝半固态成形和高性能铝合金板材的开发和应用，满足汽车一些轻量化、特殊功能要求的零部件的需求。

3）连接技术。汽车车身大部分零部件都是通过焊接组装而成的，而铝的焊接比钢的焊接难度大得多。汽车覆盖件所用铝合金汽车板的焊接技术。铝合金板的焊接性通常比钢板差，如何改善铝合金汽车覆盖件的焊接性能，提高焊接质量，是近年来扩大铝合金在汽车覆盖件应用需要解决的难题。英国焊接研究所开发了搅拌摩擦焊技术（FSW），并与日本马自达公司联合开发了铝合金点焊技术（FST）。该技术具有节能、清洁、高质量、设备简单等诸多优点，在汽车上得到了广泛的应用。未来多材料结构乘用车的发展，需要两种不同类型的材料（如铸铁-铝、钢-铝、铝-镁等）的连接。 这些连接技术和材料、零部件防腐表面处理技术也是未来扩大铝合金在汽车上应用的重要课题。

4）制造技术。如热成形技术、超塑性成形技术、电磁复合冲压成形技术、半固态成形技术、整体型材无框架制造技术等。近年来半固态成形工艺多采用触变铸造，目前该类铸件在车轮、部分高压泵体等产品上得到广泛应用，以提高性能、减轻重量、提高成品率。

5）评估和测试。

6）回收技术。进一步降低铝合金的生产成本。

结论

由于电池重量和电池的影响，在汽车的轻量级材料中，新的能量的重量更为紧迫，铝材料的全面成本性能比钢铁，镁，塑料和复合材料更高，并且在申请技术方面具有比较的能量。一定会促进铝在新的能源车领域的广泛应用。 ，有必要充分考虑产品的成本是否具有优势以及成本性能是否出色。 只有当它的全面性能和使用成本尽可能接近汽车钢板并且成本性能都出色时，铝合金的重量减小优势才能得到充分利用。