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[行业动态] 车身轻量化技术对新能源汽车性能的提升研究

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发表于 2020-3-18 11:47:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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车身轻量化技术对新能源汽车性能的提升研究

袁博
(河南省社会科学院工业经济研究所,郑州 450000)
中国汽车材料网【摘要】车身作为汽车的四大基本组成部分之一,起到了抵御外来撞击、保护驾驶员安全的重要作用。但长期以来车身质量和其占整车质量比重较大,导致车辆性能下降,增加额外成本,影响驾驶者和乘客的驾乘体验。近年来,各大车企在材料轻量化的研究领域频频突破,正逐步降低车身质量,而快速发展的新能源汽车对加速、续航、节能等方面的要求更为苛刻,车身轻量化技术可以显著地提高新能源汽车的主要性能,改善驾驶者和乘客的驾乘体验。
主题词:车身轻量化 新能源汽车 性能提升

1 车身轻量化的相关理论综述
车身指的是车辆用来载人与装货的部分,也指车辆整体。车身是驾驶员操作驾驶和乘客乘坐车辆的场所,同时又提供了放置货物的空间。车身可以使汽车拥有符合大众审美观的外形,使车内环境适合驾驶和乘坐,同时减少汽车行驶过程中的空气阻力,降低噪音振动和能源消耗,抵御外来撞击、保护驾驶员和乘客的安全,在美学和实用性方面都发挥着重要的作用。


1.2 汽车车身的发展历史

1886年世界首辆汽车诞生了,早期的汽车是在马车的车身上安装内燃机而成。整个车身是以木质材料为主的敞篷结构,其车身造型基本上沿用了马车的形式,后来开始适合汽车的专用造型设计。不过,由于发动机的功率太小,为了减重,只能装用轻便、简单的车篷、挡风板、挡风玻璃。直到1900年,开始出现金属车身并取得专利,1914年全世界第一辆全金属车身的汽车由美国道奇汽车公司生产,此后,金属逐渐取代木材,成为汽车车身的主要材料并沿用至今。


1.3 车身轻量化技术发展历史及现状

车身轻量化技术是在保证汽车车身强度和安全性能的基础上降低其整备质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。轿车自重的20~25%在车身,车身材料的轻量化举足轻重[1]。实验证明,若汽车整车整备质量降低10%,燃油经济性可提高6%~8%[2];WILLIAM J.JOOST在其研究报告中提出,中型纯电动车整备质量降低10%,其续驶里程可以提高13.7%[2]。孙逢春院士在其研究项目中证明纯电动车整备质量降低10%,续驶里程可以增加5%~6%[3]。由于环保和节能的需要,汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的趋势之一。

对车身轻量化的研发始于20世纪70年代,1973年第一次石油危机爆发,导致全球出现普遍性的经济滞涨,以汽油为主要燃料的汽车的使用成本急剧增加,民众怨声载道,在此大背景下,汽车企业开始通过减轻汽车的整备质量降低汽油消耗量,生产轻量化、油耗低的汽车来吸引消费者购买产品,以此占领市场,全球主要汽车企业纷纷投入资金进行车身轻量化技术的研发。

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图1 车身轻量化技术路线图

目前车身轻量化技术包括结构优化、轻质材料、成形工艺、连接技术四大方面(图1),核心技术主要集中在新型轻质材料方面的应用,以钢、铝、镁、钛合金为代表的新型金属合金材料和以塑料、碳纤维为代表的新型非金属材料是车身轻量化材料的两大发展方向[4],据统计,2018年全球已有80%的新生产汽车采用新型的轻量化车身,相信在不久的未来,采用轻量化车身的汽车使用比例会进一步提升。


2 车身轻量化技术在提升新能源汽车性能方面的应用

新能源汽车相较于燃油汽车最显著的优势是加速性好,由于电动机没有挡位、不需要变速器,扭矩可以瞬间爆发,在起步阶段即可以完全释放,具备燃油汽车不可比拟的巨大优势;但另一方面受限于目前技术水平下的有限的电池容量,新能源汽车的续驶里程普遍不高,加之充电车位、充电桩等配套设施建设不完善,能量补给资源配置不足,导致新能源汽车目前还不能完全实现长途行驶,短期内无法替代燃油汽车。

车身轻量化技术可以进一步提高新能源汽车的加速性,一方面使其对传统燃油汽车的加速性优势更加明显,另一方面可以显著降低能耗,提高续驶里程,弥补自身的不足。在加速、续航、节能方面,车身轻量化都是最有效的解决方案之一。以汽车减重100 kg为例,如果从1 500 kg减到1 400 kg,加速时间可以缩短0.62 s,最大爬坡度提升2.29%,最大续驶里程增加6.28 km[5]。

车身轻量化对于新能源汽车整体性能的提升在目前的新能源汽车发展阶段尤为重要,对产业的发展起到了关键性作用,各大新能源汽车企业都在积极研发车身轻量化技术,提高其在新能源汽车方面的应用比例,本章将选取目前3种主要车身轻量化技术和代表新能源车型,就其对新能源汽车性能方面的应用进行详解。


2.1 高强度钢材(以比亚迪唐DM为例)

高强度钢材一般是指屈服强度在210 MPa~550 MPa之间的钢材,高强度钢材可以在不增加额外成本的基础上实现车身质量降低25%,更为重要的是静态扭转刚度提升80%,静态弯曲刚度提升52%,第一车身结构模量提升58%,显著提高汽车的安全性能,满足全部碰撞法规要求[6]。据相关权威机构的研究成果表明,车身钢板的90%现已使用高强度钢板,高强度钢材是目前使用最为广泛的车身轻量化材料[5]。

唐DM是比亚迪汽车公司在2018年6月推出的插电式混合动力SUV—比亚迪唐的全新一代车型,其百公里加速时间最快达到4.3 s,纯电续驶里程最高达到100 km,百公里的综合工况油耗低至1.6 L,同时配备了全新的BSG(Belt-driven Starter Generator)电机,进一步提高整车的NVH,在C-NCAP碰撞测试中取得了五星满分的好成绩,综合性能全面超越上一代车型,是目前全球综合性能最强的混合动力SUV。

唐DM之所以有如此优异的表现,一个重要原因是车身轻量化技术的使用,唐DM的车身采用了大量的3H高强度钢材,车身高强度钢比例达到63%,热成型钢比例达到10%,整备质量约为2 290 kg,与上—代车型的2 400 kg相比减重约为110 kg,同时全新的后电机矩扭达到380 N·m,使车辆的最大总扭矩较上一代增加130 N·m达到了950 N·m,在车身减重和扭矩增加的共同作用下,加速时间缩短了0.6 s,加速性能进一步提升,而由于车身减重释放更多额外质量,BSG电机得以加入,使整车的驾驶过程更加平顺、舒适、安静,能耗得到了进一步降低。

由于大量采用了高强度钢材,与上一代车型相比,扭转刚度提升30%,扭转模态提升35%,高强度笼式车身框架整体抗压强度达到9吨,车身刚性有了巨大的提升,在C-NCAP碰撞测试中取得的优异成绩正得益于此,整体安全性能十分突出,在日常行驶中,车身可以更好地保障驾驶者和乘客的人身安全[7]。

高强度钢材的大量使用使唐DM的车重有了明显的下降,同时加速、NVH、安全等方面的性能有了显著提高,使其成为一款优异的混合动力SUV。


2.2 全铝合金车身(以蔚来ES8为例)

铝合金密度较低,大约为钢的30%,但强度较高,接近甚至超过优质钢,而且可塑性好,能够加工成各种型材,具有优良的导热性、导电性和抗腐蚀性,在船舶、汽车、航空航天、机械制造等行业中已大量应用,目前铝合金是工业生产中应用最多和最为广泛的一类有色金属合金材料[8]。

铝合金是重要的车身轻量化材料,全铝车身可减轻车身质量,对环保大有益处,从80年代末开始,美国、欧洲、日本等汽车产业发达国家持续加大资金投入对铝制车身进行研发,并取得了突破性进展。1995年德国奥迪汽车公司率先进行铝制车身的大批量生产,把铝制车身从研发领域真正向应用领域转变,推向市场,之后铝合金在车身材料中的使用比例逐年提高。1990~1998这8年间,北美汽车工业的用铝量增长了102%。随着车身轻量化的需求进一步提高,铝合金的应用规模将会进一步扩大。

新能源汽车企业近年来在铝制车身的应用方面也有了长足的发展,其中,蔚来汽车公司在2017年12月推出的大型纯电动SUV蔚来ES8采用了全铝车身设计,在车身最关键的传力路径和承载部位上也使用了高性能铝材,在整车车身的材料使用率高达96.4%,是目前全球量产的铝合金应用比例最高车身的车型[9]。

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图2 白车身框架[10]

蔚来ES8的长宽高分别为5 022、1 962和1 756 mm,整备质量为2 460 kg,比同尺寸采用非全铝车身的新能源汽车轻约10%左右,整车轻量化的技术核心得益于白车身的减重,白车身(Body in White)是指在焊接之后到涂装之前阶段的车身,不包括四门两盖等运动件(图2)。ES8的白车身采用了源于飞行器的全铝架构平台,拥有着仅335 kg的白车身。在轻量化水平标准中,白车身轻量化系数越小,说明单位吸能指标付出的减重成本越低,它是综合了车身尺寸、质量和性能三方表现获得的数据,计算公式如下:

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L为车身轻量化系数;m为白车身骨架质量(不含四门两盖)(kg);CT为包括挡风玻璃和副车架等附件的油漆车身的静态扭转刚度(N·m/deg),A是由轴距、轮距决定的白车身投影面积(m2)。轻量化系数在2.5属于优秀水平,蔚来ES8的白车身轻量化系数为2.02,属于十分优秀的水平。蔚来ES8的前后双电机的最大总扭矩到达了840 N·m,由于车身轻量化技术使整车整备质量降低,最终实现了4.4 s的百公里加速时间,对于一款大型SUV是十分优异的成绩[11]。

全铝合金车身使新能源汽车的整备质量显著降低,对其加速性能有明显提升,但由于铝合金强度和刚性不如高强度钢,安全性能稍显不足,加之制造成本较高,目前采用全铝车身的车型比例还很低,不过随着技术的进一步发展,相信在不久的未来,全铝合金车身的车型会越来越多。


2.3 碳纤维复合材料(以前途K50为例)

碳纤维复合材料是由有机纤维经过一系列热处理转化而成的含碳量高于90%的无机高性能纤维,是一种力学性能优异的新材料。碳纤维复合材料强度较高(是钢铁的5倍),比重小(钢的1/5),热容量小(节能),具有出色的耐热性(可以耐受2 000℃以上的高温)、抗热冲击性、低热膨胀系数(变形量小)、抗腐蚀和辐射性能[11]。

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图3 碳纤维复合材料需求结构

如图3所示,碳纤维复合材料优点众多,是车身轻量化的理想材料,但由于现阶段其较高的技术门槛和制造成本,目前只有专业赛车和少数超级跑车会使用碳纤维复合材料,民用量产领域的适用车型极少[12],长城华冠集团在2018年8月推出前途K50纯电动跑车,车身采用碳纤维复合材料,成为全球首款大规模量产的采用碳纤维复合材料的新能源汽车。

前途K50车身采用大量碳纤维及铝合金等轻量化材料,全车碳纤维复合材料零件共有29个,这些零件的总质量仅为46.7 kg,比传统钢板材料减重40%以上,比铝合金材料减重超过20%,在轻量化技术的运用下,整备质量约为1 900 kg,比传统钢板车身的整备质量足足降低了250~300 kg。

得益于碳纤维复合材料对车身的减重,前途K50前后双电机最大总扭矩为680 N·m,百公里加速小于4.6 s,此外,车辆配备了79 kW的三元锂电池,实现了NEDC工况下的380 km的续驶里程,百公里能耗低至20.79 kW·h,车身轻量化技术对前途K50在起步加速和续驶里程两方面的性能都有显著的提升[13]。

除上述提到的3种车身轻量化技术之外,还有钛合金、镁合金、塑料等新型材料技术,不过由于技术工艺不成熟、制造成本高等因素,目前还没有实际投入到量产车的应用中。


3 结束语

在动力电池能量密度短期内无法快速提升的客观条件下,车身轻量化技术成为了现阶段提升新能源汽车综合性能的有效途径,随着电池技术的进一步突破和更多优异的新型轻质材料的应用,未来新能源汽车的综合性能必将得到进一步的提升。




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