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01
引言
目前，我国运输行业约77%仍以公路运输为主，商用车已成为重要的陆地运输工具，对我国经济发展做出了重要贡献。虽然商用车仅占到国内汽车保有量的 13.9%，但燃料消耗量和氮氧化合物、碳化合物等污染物的排放占机动车辆的49.2％以上，百公里排放量约为乘用车排放量的3-4倍。所以商用车节能减排已成为我国汽车产业的必然发展趋势和重点工作。据研究，对于中重卡每减少10% 整备质量，整车燃油消耗下降4%-5%；每减重1000kg，在典型长途标载工况下，对应节油率1.8%-2.2%，单车年节省燃油费用2.6万-3.4万元。轻量化成为实现汽车节能减排的最直接有效的手段之一。此外，在《中国制造2025》中关于汽车发展的整体规划中也强调轻量化仍然是汽车发展的重中之重。因此，针对商用车实施轻量化，对于整车传动效率、节能减排、燃油经济性、安全性、车辆控制稳定性等都大有裨益。
当前国内外车企正在加速推出高端和中高端卡车，细分市场增速快。高端化将促进大量先进材料在商用车上的应用；高端化的一大标志就是新能源化。新能源汽车是未来国家坚定支持的战略性新兴产业，未来新能源商用车中、长期成长趋势明确。目前市面上最大的重卡电池的容量约280kWh，续航里程200km，以中短途运输为主，集中在港口集装箱转运、煤矿倒短、坑口转运等固定路线，远无法满足长途里程要求，导致纯电物流车的动力电池系统体积大、质量重，极大地增加了整车整体重量，而整备质量又是影响新能源汽车能耗、尤其是载货量极其重要的一个因素。因此，对电池框架（一般数百千克级）进行轻量化具有重要意义。
展开剩余90%商用车，特别是重载卡车，电池框架需要支撑数吨重的电池组并承受振动载荷，对框架用钢材的强韧性、疲劳等有着较为严格的要求，典型新能源商用车电池框架示例见图1。目前商用车电池框材料强度普遍较低，但随着轻量化电池框的研发，高强钢已有应用。然而，电池框架材料强度提高也引发了一些应用问题，如强韧性匹配差、疲劳寿命低、氢脆及焊接性能差等。尤其商用车重卡这一类车型，为满足其可观的续航里程，会配备较一般乘用车更加庞大的电池模组系统，一旦电池框架因轻量化不当出现断裂失效，将带来更大的生命财产损失。基于此，应用具有良好强韧性和工艺制造性的各类微合金高强钢，开发轻量化的商用车电池框架，不失为一条兼顾轻量化、产品服役安全可靠性和综合成本的高性价比技术路线。
图1 典型新能源商用车电池框架示例
综上，作为国内知名商用车企业，近年来陕西重型汽车有限公司（以下简称陕重汽）、长城商用车正大力致力于新能源商用车研发和市场推广，为了满足重型商用车的物流续航里程需求，开发轻量化的电池框架迫在眉睫。基于此，本项目由陕重汽、长城商用车、中信金属股份有限公司、中国汽车工程研究院股份有限公司、宝武钢铁集团有限公司及首钢集团有限公司合作，基于高性能的铌合金化超高强汽车钢，开展新能源商用车轻量化电池框架产品开发，工作内容囊括了轻量化电池框架定制化材料方案设计、电池框架结构轻量化设计及性能CAE仿真分析、电池框架产品样品试制及检测验证等多方面。基于项目开展，最终形成一套先进、成熟化、通用化、模块化、低投入的轻量化商用车电池框架解决方案。项目成果最终实现了在陕重汽、长城商用车两家车企指定新能源重卡上产业化应用。
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02
技术路线
本项目面向陕重汽、长城商用车两家企业2款在研新能源重卡电池框架的紧迫轻量化需求，在其原用钢材方案基础上，集成应用抗拉强度≥700MPa的各类冷、热轧高强韧、高制造工艺性铌微合金化汽车钢板，辅之以先进的结构轻量化设计方法、合理的成形及焊接工艺匹配，开发出满足重量、服役安全可靠性、成本可控多目标的高品质电池框架产品，在两家商用车企业实现产业化应用。项目总体技术路线如图2所示。
图2 总体技术路线
03
钢种研发
针对陕重汽目标氢能驱动商用车储电型电池框架对其轻量化、生产工艺性及服役安全可靠性多目标要求，由宝钢牵头，基于钢板强度提升、疲劳寿命提升、优化冲孔质量控制等多目标，开展铌微合金热轧高强钢定制化开发。基于Nb-V-Ti系列微合金化成分系（表1），采用氧气转炉冶炼镇静钢工艺法，实现了产业化。所开发的铌微合金化高性能700MPa/750MPa级钢种性能指标如表2所示。
表1 700-750MPa高强钢成分（宝钢）
表2 700-750MPa高强钢力学和工艺性能（宝钢）
针对长城商用车目标纯电驱动商用车电池框架对其轻量化、生产工艺性及服役安全可靠性多目标要求，首钢牵头开发了一系列热轧型铌微合金化高强钢，并实现产业化。新一代全铁素体基纳米析出强化高强钢，选择在低C低Mn成分基础上（表3），选择性地添加Nb、Ti及Mo等元素，以细晶强化和析出强化两大强化机制作为主要的强化方式；为了保证材料高成形性的要求，组织设计和传统750MPa钢种组织主要以铁素体+珠光体为主不同，本项目应用钢种微观组织为全铁素体，同时具有高密度纳米尺度第二相析出物，保证组织均匀性以获得优异的局部变形能力，以满足不同制管方式对钢材成形性能的要求，避免因组织不均引起的局部应力集中，具有高强韧、高表面质量、高疲劳性能、高焊接工艺性等综合优势。新钢种的屈服强度≥780MPa、抗拉强度≥810MPa、延伸率≥22%（表4）。
表3 新型750MPa工业试制钢成分（首钢）
表4 新型750MPa工业试制钢力学性能（首钢）
此外，上述新型750L钢种具有细小均匀全铁素体组织，铁素体呈现出显著的双峰尺寸分布，大角度晶界比例达到70%左右。对比目前市面上一般750L钢种，当前材料均为铁素体和少量珠光体混合组织，铁素体晶粒大小不均匀，平均晶粒度在13级到13.5级，带状组织较显著。新钢种在微观组织尺寸及其均匀性、纯净度、特殊组织控制方面均具有显著优势。
04
产品轻量化设计
针对陕重汽、长城商用车两款新能源重卡电池框架轻量化需求，满足减重和满足性能两方面需求，基于SFE CONCEPT设计软件（以下简称“SFE”），通过截面优化和料厚优化，建立隐式参数化模型，以厚度、基截面形状作为变量，对多种典型工况进行静力学分析和动态分析，并通过试验设计方法对变量进行筛选，构建变量与目标响应的近似模型的数学拟合关系，同时对各种典型工况和模态性能进行优化，最终在保证性能不下降的情况下，降低电池框架的重量，提高了设计质量与设计效率。具体轻量化步骤如下。
1）参数化模型搭建及初始化性能分析：采用SFE软件以具体新能源商用车电池框架有限元模型为参照，建立隐式参数化模型。将电池框架模型分为电池框架横梁、纵梁、折弯件、加强支架、连接铸件等多个子系统。结合有限元模型对各子系统中的基础单元确定相应的基点，依据基点建立具有几何特征的基线，同时截取相应结构的基截面，通过基点、基线、基截面建立电池框架的梁单元和基面单元，依次对梁单元与面单元进行映射连接，通过装配的逻辑关系完成各子系统的建立，最后对各子系统进行封装和装配，完成全部参数化模型的建立。为简化模型，在参数化模型的建立过程中忽略了部分孔、加强肋等小零部件特征，同时依据SFE自带的网格生成功能，输出包含材料、属性、约束和焊点的有限元模型（图3）。
图3 基于SFE的商用车电池框架轻量化设计分析模型示例：（a）陕重汽； （b）长城商用车
2）轻量化电池框架结构设计：调整电池框架隐式参数化的板件厚度、形状和位置等参数改变框架的结构，并将这些结构变化作为设计变量，以电池框架强度和质量作为约束和目标，通过试验设计（Design of Experiment，DOE）的方法生成含有设计变量的样本数据，同时通过灵敏度分析进行筛选，根据筛选后的设计变量与目标约束拟合相应的数学模型，提高优化效率，针对建立的数学模型选取相应的优化算法进行优化分析。考虑约束模态和四种典型工况性能，对截面变量进行灵敏度分析，得到各截面变量对性能的敏感程度。对筛选出来的截面变量参数，考虑模态和强度两个学科的性能，通过ISIGHT 搭建多学科优化平台，其优化流程如图4所示。
图4 SFE联合ISIGHT多目标优化流程
对电池框架关键结构位置处的截面，利用SFE软件设置了多个截面几何变量。截面每个位置的局部形状改变均可以由一个参数来控制，通过 ISIGHT 软件调用变量表来驱动SFE 对模型的几何形状进行优化调整。进一步结合工程分析经验，通过灵敏度分析，选取影响最大的部分部件作为料厚优化变量，通过自动化截面及料厚优化，将截面优化和料厚优化后的参数化模型网格进行性能分析，并将优化后的结果与优化前进行对比。
3）轻量化电池框架结构性能分析：如图5、图6，模态计算模型边界条件为约束车架截断区域全部自由度，计算电池包约束模态。整车在行驶过程中，由于路面状况的差异会产生不同的行驶工况，从而造成电池包载荷条件随之变化。在整车行驶工况中，侧向冲击、过坑工况、倒车上台阶以及垂直冲击等工况较为常见，基于此确定常见的四种服役工况：①垂向冲击，②制动工况，③转弯工况，④加速工况。此外，设计过程中针对电池框架仿真分析，只考察电池框架区域，故为减少计算量，截取部分车架模型与电池包模型装配在一起。电池包采用质量点的形式添加，分别采用RBE2抓取质量点与电池包框架连接。
图5 轻量化设计后2款电池框架模态仿真分析结果示例：（a）陕重汽； （b）长城商用车
图6 轻量化设计后2款电池框架安全性能仿真分析结果示例：（a）陕重汽； （b）长城商用车
基于上述轻量化设计，通过优化10个零件，最终实现陕重汽目标新能源重卡电池框架的优化，大量应用宝钢开发的铌微合金高性能700L/750L及少量PHS1500钢种，产品重量由初始状态的403.4kg降低至372.0kg，减重了31.4kg，减重比例7.8%，实现既定轻量化目标，且新开发电池框架模态及垂向冲击、制动、转弯、加速4个工况下的安全性能满足整车企业技术要求。同样的，通过对长城商用车目标新能源重卡电池框架进行轻量化优化设计，实现框架主体大量采用首钢开发的铌微合金高性能750L（少量局部采用Q355B），重量由初始状态的704.8kg降低至663.6kg，减重41.2kg，减重比例5.8%，达成了既定轻量化目标，且产品模态及垂向冲击、制动、转弯、加速4个工况下的安全性能同样满足车企技术要求。
05
产品试制及验证
陕重汽：在产品轻量化方案冻结基础上，开展了目标车型电池框架新产品样件的试制，图7为陕重汽电池框架新产品实物样件。开展了新电池框架的质量验证，结果表明：新开发电池框架产品的基体力学性能、尺寸精度、装配性能等均满足要求。进一步开展了新开发轻量化电池框架道路试验验证，同样也均满足要求。此外，新开发轻量化电池框架的综合成本经核算，相比原产品降低了约3%，同样满足整车企业要求。
图7 陕重汽轻量化电池框架新产品样件
长城商用车：在产品轻量化方案冻结基础上，开展了目标车型电池框架新产品样件的试制，产品分成上下两层，先单独制造出来最后在车企进行组装。图8为长城商用车轻量化电池框架新产品生产过程及实物样件。开展了新电池框架产品的质量验证，结果表明：新开发轻量化电池框架产品力学性能、尺寸精度、装配性能等，同样均满足要求。如图9所示，进一步开展了新开发电池框架的振动耐久台架试验，结果表明：振动耐久台架试验结果为弯曲2阶60万次无损伤、扭转4阶40万次无损伤。此外，试制了ET样车10辆，其中2辆用于道路耐久试验，2辆ET样车累计耐久试验里程19622km（10辆样车试验总里程47465km），新开发电池框架无损坏情况发生。按照装配线调试要求试装PT样车5辆。PT样车累计行驶里程20918km，电池框架无损坏情况发生。截至2025年6月，累计共生产客户体验车15辆，客户体验车累计行驶里程292975km，电池框架无损坏情况发生。此外，进行了新产品综合成本核算，新开发轻量化电池框架产品的综合成本经核算低于原产品成本水平，同样满足整车企业要求。
图8 长城商用车新开发轻量化电池框架生产过程及其实物外观
图9 长城商用车新开发轻量化电池框架振动耐久台架试验：（a）陕重汽； （b）长城商用车
06
推广应用
基于上述相关工作开展，项目成果实现了在陕重汽、长城商用车两家商用车企业的产业化。首先，陕重汽将实现项目成果在其最新新能源2.0平台上的推广应用，率先在其最新新能源H6000E、L6000E等车型上应用。其次，长城商用车方面将实现项目成果首先在其4×2纯电牵引车型上进行应用。
07
总结
综上所述，本项目面向当前商用车正快速迈向新能源方向面临的巨大整车轻量化压力，针对其配备的电池框架这一总成件，基于铌微合金化的一系列高性能高强汽车钢（700L/750L/PHS1500）定制化开发，匹配高效精准的电池框架结构先进轻量化结构设计方法应用，实现了重量、安全性能、成本等多因素、多目标间的良好兼容，达成整车企业新产品开发相关技术要求，实现了产业化。项目成果面向行业，提供了一套基于铌微合金高强汽车钢的高品质轻量化电池框架开发综合技术解决方案，基于铌等微合金元素的应用，很好地解决了商用车电池框架轻量化后带来的使用风险，达到了典型成功案例示范效应，对未来国内新能源商用车轻量化产业链协同发展起到了促进作用。
（冯毅 路洪洲 王亮 王德财 周松）
《世界金属导报》
2025年第29期 B08、B09
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