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[新能源汽车用材] 纯电动汽车轻量化途径研究

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发表于 2020-4-27 09:03:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
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纯电动汽车轻量化途径研究

谭妍玮
(成都工业职业技术学院,四川 成都 610000)
【中国汽车材料网】摘 要:纯电动汽车的动力性能和续航能力一直是该领域的技术难点,影响纯电动汽车续航里程的因素之一为汽车整车质量,因此汽车轻量化技术已逐渐成为汽车行业的研究热点。文章探讨了轻量化技术对纯电动汽车的影响,分析了当前轻量化技术的现状,提出了实现轻量化的具体途径,为纯电动汽车轻量化设计提供了帮助。
关键词:轻量化;纯电动汽车;制造工艺

前言

随着社会的发展,汽车保有量越来越多,据公安部交管局公布的全国机动车最新数据显示,截至2019年6月,我国汽车保有量为2.5亿辆,其中新能源汽车保有量达344万辆,汽车在给人们生活和出行带来便利的同时也促发了能源紧缺和环境污染等问题,对此在国家的大力支持下,纯电动汽车得以快速发展。但是,纯电动汽车目前面临续航里程短、充电时间长等问题。电池能量密度、电池容量等是影响车辆续航里程的因素,除此之外,车身自重也是其重要影响因素。据数据分析,与传统燃油汽车每减少100kg,百公里油耗降低0.3-0.6L类似,新能源汽车每减少 100kg,续航里程可提高 6%-11%,日常损耗成本减少 20%。因此汽车轻量化技术成为降低能耗、减少排放的有效途径。在《中国制造2025》关于汽车发展的整体规划中也强调了“轻量化仍然是重中之重”,“轻量化”已然成为国家的重要战略,越来越多的汽车企业和科研机构已开始从事轻量化技术的研究。


1 汽车轻量化技术研究现状

汽车轻量化是指通过合理使用汽车轻质材料以及优化汽车总成、零部件结构的设计和先进制造工艺等方法,在强度和刚度得以保证,汽车满足安全碰撞法规的前提下,通过降低整车质量,达到提高能源利用率、降低能源消耗、减少污染物排放及增加续航里程的目的[1]。

在美国、欧洲汽车轻量化都是节能减排的重要战略,早在1993年美国政府实施的新一代汽车伙伴计划PNGV就提出汽车轻量化是项目实施的核心路线之一。欧盟在“地平线2020计划”中支持了多个汽车轻量化相关的研发项目,用以推动欧盟汽车轻量化技术的进步和发展[2]。目前在欧美汽车新型材料已在汽车上取得广泛应用,凯迪拉克CT6、奥迪A8以及特斯拉Model S采用了大量铝合金材料。新型材料碳纤维的应用也已取得突破性的进展,如宝马i3和i8的多项零件均采用了碳纤维。

与国外相比,我国在轻量化研究上起步较晚。目前汽车轻量化作为重要的低碳化技术在我国已成为国家的重要战略,在《中国制造2025》中关于汽车发展的整体规划和2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》中都强调了轻量化的重要性。各大企业相继对汽车轻量化进行研究,大量国产汽车开始采用高强度钢、全铝车身和碳纤维车身,轻量化技术取得了一定进步。


2 发展纯电动汽车轻量化技术的必要性

续航里程短、充电时间长已成为制约纯电动汽车快速发展的重要因素之一。而电池技术的发展,现在也已达到瓶颈期,想要从动力电池方面来大幅度提高纯电动汽车的续航里程存在一定难度。除开电池本身技术外,整车重量也会影响续航里程,汽车越重,在行驶中消耗的能量越多,续航里程就会减少。因此,在保证汽车安全和车身强度的情况下,减轻车身的重量,可以使纯电动汽车的续航里程得以增加。

与燃油车相比,纯电动汽车在结构上取消了发动机、变速器、油箱等结构,但是增加了动力电池。研究表明,汽车动力电池质量占整车质量比重越大,其续航里程越大,因此纯电动汽车为达到续航能力的要求,电池系统的总体重量都非常重,根据某车型的数据,动力电池的重量为550kg,占到整车整备质量的28%,有些车型动力电池甚至超过整车总质量的30%。因此相较于传统汽车而言,纯电动汽车的轻量化技术研究更为迫切,需要通过轻量化设计来平衡动力电池增加的重量[3]。


3 实现纯电动汽车轻量化的途径

现阶段,国内外实现汽车轻量化的途径有以下方面:


3.1 轻量化材料

目前大多数车辆中,最基本的构成材料为钢,汽车上的重要零件绝大部分用钢制成,使用轻量化材料代替钢可直接降低汽车质量。为了减轻重量,首先汽车可选用高强度钢,高强度钢是一种屈服强度介于210MPa至510MPa,抗拉强度介于270MPa至700MPa的合金钢,其用在汽车车身结构件上既可以保证安全性能又可以提高轻量化水平。与传统汽车低碳钢相比,采用高强度钢可减轻15%~25%的汽车重量。其次可选用低密度的材料,如铝合金、镁合金、复合材料等,比如纯电动汽车悬架、发动机罩以及电机壳体等均可通过采用合金材料实现轻量化,采用该类材料可减轻40-50%的质量。另外就是新型材料,如碳纤维,在汽车众多轻量化材料中,碳纤维材料具有质量轻、强度高、抗冲击和耐腐蚀等特点。同时,碳纤维复合材料比重不到钢的1/ 5但强度却是钢的8倍,拥有比金属材料高5倍的能量吸收能力因此具有优越的安全性能。碳纤维材料可大幅度减轻汽车质量,达到55%~60%的减重[4]。


3.2 先进制造技术

在生产制造过程中,采用先进的制造技术是实现轻量化的重要途径。比如激光拼焊工艺,激光拼焊属于焊接的一类,采用激光技术将不同材质、不同厚度的钢材、铝合金等材料进行自动拼合和焊接而形成一块整体板材[5]。激光拼焊技术能减少零部件的数量、提高材料利用率、减少工厂的生产流程和成本及设备的投入。目前,激光拼焊技术已广泛应用于车身部位,如车身侧围采用激光拼焊,则不再需要加强筋及附属的生产工艺,零部件数量和整车重量会减少。在车门处,拼焊的应用减轻了部件质量,提高了车门部件的稳定性,省略了接缝处密封措施,环保性得以提升。其次是热成型技术,当前高强度钢作为重要的轻量化材料在汽车上广泛应用,但是钢板强度越高,越难成型,尤其是一些超高强度钢,常规冷冲压成型工艺基本无法完成,而热冲压成型可解决该类问题,热冲压成型是一项专门用于汽车高强度钢板冲压成型件的新技术,也是轻量化生产的重要技术[6],它具备回弹性好、成型精度高、高延展率、高强度等特点,同时具备极好的碰撞安全性,因此被应用在横梁和保险杠等零件的生产制造上。


3.3 集成化技术

随着纯电动汽车技术的不断发展,零部件集成化设计已成为必然趋势。研究纯电动汽车电驱动系统的一体化,即将驱动电机、逆变器,减速器等新能源汽车部件集成一体,可实现轻量化和小型化的目的,同时达到节省空间降低成本等作用[7]。此外轮毂电机的应用也推进了电驱动系统的轻量化发展,它将动力系统、传动系统、制动系统都整合安装在车轮内,可进一步减轻汽车的重量。


3.4 电池技术

上述途径从材料和设计制造技术层面分析了如何通过减轻整车质量实现轻量化,对纯电动汽车而言,如何做到动力电池的轻量化也是目前需要研究的内容,其中史本鹏[8]对当前车载动力电池包轻量化技术进行了探讨,提出:在保证电气安全、碰撞安全及性能要求的前提下,可通过以下途径降低整个动力电池包的质量。具体包括:模组架采用注塑框架结构;将铝型材料应用在动力电池下箱体;简化热管理系统;将碳纤维、玻璃纤维等材料应用在动力电池包上盖等。李日步等[9]提出纯电动汽车轻量化的另一途径,即对电动汽车的底盘和电池 Pack 结构进行集成优化。


4 总结

通过对当前纯电动汽车轻量化技术现状和途径梳理,可以得到以下结论:

(1)汽车轻量化是汽车工业未来发展的必然趋势。尤其是现目前国家大力发展新能源汽车的战略性新兴产业政策下,加快推进轻量化技术的研究与攻关是突破当前纯电动汽车一系列问题的最重要的途径之一。

(2)纯电动汽车轻量化技术将朝着集成化和系统化方向发展。

(3)汽车轻量化技术研究范围很广,涉及材料、设计以及工艺等,因此需要将材料、设计、工艺以及工程等汇集形成一体,协调各种汽车轻量化技术充分发挥当前技术手段的优势,全方位减轻汽车质量,提高能量利用率,达到更高的节能减排目标。


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