新能源汽車輕量化的關(guān)鍵技術(shù)

黃仕利

摘 要：汽車輕量化技術(shù)是汽車行業(yè)發(fā)展過程中，無法忽視的一種技術(shù)。在中國新能源汽車工業(yè)快速發(fā)展的現(xiàn)在，汽車輕量化已經(jīng)成為新能源汽車發(fā)展過程中的基礎(chǔ)技術(shù)。新能源汽車是依靠電池提供動力，在行駛里程方面不占優(yōu)勢，所以減輕汽車重量成為新能源汽車發(fā)展的重中之重。同時在使用輕量化技術(shù)之后，可以有效的做到節(jié)能，對車身的耐久性和安全性也有一定程度的提高。新能源汽車輕量化技術(shù)的主要組成部分在于激光技術(shù)、新材料和電池技術(shù)。本文將立足新能源汽車，簡述有關(guān)輕量化的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;輕量化;關(guān)鍵技術(shù)

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源汽車逐漸成為汽車行業(yè)的一匹黑馬。新能源汽車以環(huán)保、無污染等特點受到大量關(guān)注，但對于新能源汽車的研發(fā)人員來說，他們關(guān)注的不是新能源汽車如何，而是如何提高新能源汽車的質(zhì)量，其中輕量化技術(shù)是新能源汽車占據(jù)市場的關(guān)鍵。

1 注重新能源汽車輕量化發(fā)展

在2016年1月23日中國電動汽車百人論壇上，中國科學技術(shù)部部長萬鋼明確表示，新能源汽車要向輕量化方向發(fā)展。

在當時，新能源汽車輕量化發(fā)展概念的提出符合時代發(fā)展規(guī)律。大多數(shù)新能源汽車受制于自身重量，難以提高續(xù)航里程，所以輕量化一直是新能源汽車研發(fā)工作的重點。到今天，新能源汽車在續(xù)航能力上得到了極大的提升，但輕量化依舊是新能源汽車研發(fā)工作的重點，也是電動汽車技術(shù)革命中的重要組成部分。

當然，從全世界的角度出發(fā)，新能源汽車輕量化是各國汽車行業(yè)關(guān)注的重點，也是各個汽車工業(yè)共同的選擇。對于普通汽車而言，如何保證節(jié)能、環(huán)保和安全是汽車研發(fā)工作的關(guān)鍵。新能源汽車在節(jié)能和環(huán)保方面已經(jīng)超出普通汽車數(shù)倍，但是為了保證電力滿足行駛需求，電池包常重達幾百公斤，造成新能源汽車續(xù)航里程極大縮短。

在汽車輕量化設計上，優(yōu)秀的材料和先進的加工是新能源汽車的優(yōu)勢。從目前的形勢來說，汽車性能、重量、結(jié)構(gòu)、價格四方面屬于一個系統(tǒng)工程。如何提高汽車性能、減輕重量、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、合理安排價格是一個國家汽車技術(shù)提高的關(guān)鍵。

日本汽車企業(yè)在很多年前就已經(jīng)意識到，汽車輕量化可以有效緩解燃油供應矛盾的迫切需求，對尾氣排放的減輕也有一定程度的幫助，同時這也是未來新能源汽車健康穩(wěn)定發(fā)展的必然需求。

在歐美大陸中，一些頂級車企一直致力于汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展。其中一個重要原因是歐美各國對尾氣排放逐漸開始變得嚴格起來，例如在歐盟法律中，新登記車輛在尾氣排放需要將CO2的上限限制在均公里130克。

在各國公司推出新能源汽車后，汽車輕量化越來越受到重視。當盡可能的輕量化車身之后，“里程焦慮”問題將被有效緩解，續(xù)航里程也會有一定提高，這是整體汽車行業(yè)的選擇，也是大時代下汽車行業(yè)的必然選擇。根據(jù)大量實驗，相同動能的情況下，汽車重量每減少10%，行駛里程就增加5.5%。在我國“十三五”計劃期間，汽車行業(yè)也逐漸擺脫傳統(tǒng)的束縛，開始向智能化、輕量化的方向發(fā)展。這無疑都將推動我國新能源汽車在輕量化技術(shù)上進一步發(fā)展。

2 新能源汽車輕量化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 新材料、激光技術(shù)和電池技術(shù)的發(fā)展

在對新能源汽車進行輕量化的過程中，新材料的使用占據(jù)重要地位。輕量化技術(shù)的提升需要依賴新型材料的出現(xiàn)。當材料達到輕質(zhì)、高性能、易成型的特點的時候，新能源汽車輕量化才能走出關(guān)鍵的一步。

在眾多的材料中，車用高性能工程塑料、高強度鋼、碳纖維復合材料、玻璃纖維增強復合材料、擠壓鋁型材、工藝設備、全鋁車身、鎂合金零部件、碳纖維車身都是率先被應用的材料種類。

2016年，奇瑞新電動車開始進行鋁車身骨架純電動乘用車的研發(fā)，項目投資高達15.6億元人民幣。16年10月份，奇瑞推出的車型較以前車型相比，車重減少將近30%，為減排起到積極作用。

對于新材料的加工，激光技術(shù)占據(jù)舉足輕重的地位。尤其是對汽車零部件進行切割時，激光技術(shù)顯得尤其重要。

除開減輕車重，對于電池重量的優(yōu)化也是輕量化技術(shù)的關(guān)鍵所在。一般新能源汽車所帶有的電池重達幾百公斤，屬于新能源汽車中，技術(shù)含量最高的部位。從目前的技術(shù)看來，鋰電池是主要的處理對象，其在減輕車身重量方面存在局限。通過科學技術(shù)的發(fā)展，電池改造技術(shù)已經(jīng)相當先進。例如電池單位容量的提高已經(jīng)能夠做到工程化。在重新排列電池之后，系統(tǒng)能量密度得到提高，這也對電池重量的減輕有著極大的幫助。例如電芯尺寸經(jīng)過研究設計，可以匹配整車，更有效率的放置電池，在不改變電池箱的情況下，提高電芯數(shù)量，實現(xiàn)續(xù)駛里程的提高。例如日產(chǎn)聆風的改造，通過對鋰電池結(jié)構(gòu)的改造，降低了80千克的車重。

3 使用碳纖維技術(shù)

在現(xiàn)代新能源技術(shù)中，以塑代鋼成為大多數(shù)人的選擇，其中碳纖維屬于新能源汽車中所應用的最具影響力的技術(shù)之一。據(jù)了解，碳纖維屬于人工合成，是利用片狀石墨微晶等有機纖維按照纖維軸向方向進行堆砌，通過碳化和石墨化處理而得到的微晶石墨材料。從本質(zhì)上來看，碳纖維具備優(yōu)秀的力學性能，其比重不到鋼材的的1/4，但由碳纖維樹脂組合的復合材料在抗拉強度上，一般都能達到3500Mpa，是鋼材的7倍，其抗拉彈性達到了23000Mpa，遠遠高于鋼材。除此以外，碳纖維的耐腐蝕性、電磁屏蔽性也較為優(yōu)異，所以在實現(xiàn)新能源汽車輕量化中的過程中，碳纖維得到了大量運用。

在量產(chǎn)車上，碳纖維首次大規(guī)模的應用是在寶馬i3上。據(jù)了解，寶馬i3中的碳纖維復合材料達到300千克左右，主要存在于碳纖維增強復合材料。與寶馬之前的設計相比，i3整體重量減輕250-350kg。在這一次嘗試中，寶馬公司主要運用的是巴斯夫碳纖維材料。

雖然寶馬率先使用了碳纖維技術(shù)，但對于歐美各大整車廠，碳纖維技術(shù)的運用依舊處于探索階段，技術(shù)都不成熟。而在寶馬嘗試成功之后，碳纖維技術(shù)開始快速發(fā)展，其運用率也在不斷增加?，F(xiàn)在，各大汽車廠，例如奔馳、通用、福特等都與碳纖維企業(yè)開展各種形勢的合作。

過去中國對碳纖維年需求達到16000噸，但在國內(nèi)，碳纖維生產(chǎn)水平較弱，無法滿足需求，尤其是高端碳纖維的生產(chǎn)，國內(nèi)一直沒有明顯的突破。目前主要的高端碳纖維需求來自進口。在新能源汽車開始進軍市場之后，未來三年全球高端碳纖維將面臨極大的缺口。

在當下，中國碳纖維技術(shù)已經(jīng)取得跨越式發(fā)展，尤其是在新能源汽車領(lǐng)域，碳纖維技術(shù)得到廣泛運用。奧新新能源汽車公司屬于高新技術(shù)企業(yè)，在純電動車輛的研發(fā)方面首屈一指。在通過不斷研發(fā)、實踐后，碳纖維新能源汽車開始量產(chǎn)前幾年，該企業(yè)對奧新e25緊湊型A級車產(chǎn)品進行推廣，這一車型與寶馬i3相似，采用大量碳纖維材質(zhì)，對乘客艙設計更是使用全碳纖維材料。同時該車型也將智能能源管理系統(tǒng)與各種輕量化車身技術(shù)相結(jié)合，與同類型車輛相比，車重減輕將近50%、零部件減少40%。通過實驗，該類車行駛百公里僅耗10度電，續(xù)航里程高達440公里，已滿足日常需求。

碳纖維以其輕重量、高安全性的特點被廣泛運用于零件。隨著對碳纖維技術(shù)的要求逐漸提高，碳纖維快速成型技術(shù)已適用大部分零件的生產(chǎn)，其生產(chǎn)快速、成本較低的特點也為碳纖維材料的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供幫助。在新能源汽車這一行業(yè)中，碳纖維減重是提高續(xù)航能力的關(guān)鍵所在，新能源汽車與碳纖維技術(shù)的廣泛運用已經(jīng)形成了新能源汽車制造的一場“革命”。

4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計技術(shù)

汽車生產(chǎn)來源最初的設計。汽車的設計不僅僅決定汽車外貌如何，也決定汽車的作用。在進行汽車設計的過程中，設計者需要注意對汽車進行輕量化的考慮。尤其是在設計成果落實的過程中，安裝人員需要看懂設計圖，盡可能地進行輕量化的安裝。

汽車輕量化設計的主要目的既是進行“輕量”的分析，使汽車的整體結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，在設計的過程中，主要使用的是CAD /CAE /CAM一體化技術(shù)，它將設計、制作融合到一起，覆蓋整個過程。在使用這項技術(shù)之后，汽車的零部件可以得到精簡和輕質(zhì)，但汽車本身的壽命和功能并未發(fā)生變化。通過對汽車底盤和動力系統(tǒng)等大型部位的加工后，整體模塊可以做到精簡，也可以更好地實現(xiàn)輕量的目的，同時這是做到節(jié)能、環(huán)保的關(guān)鍵。在進行汽車輕量化的過程，有時候這項技術(shù)并不能完全滿足汽車整體性能的要求，這時候就需要相關(guān)人員通過反演技術(shù)和多目標全局優(yōu)化等設計技術(shù)進行改良。具體有以下三種表現(xiàn)：①在不改變汽車自身剛度和強度的條件下，汽車自身重量主要依靠結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計來實現(xiàn);②在不改變汽車性能的同時，改變汽車內(nèi)各個部件的尺寸;③通過發(fā)動機前置、超輕懸架等設置方式，可以促使汽車的結(jié)構(gòu)更加緊湊，而通過發(fā)動機后置、后輪驅(qū)動可以減小汽車體積，實現(xiàn)汽車輕量化。

總之，新能源汽車的出現(xiàn)，對傳統(tǒng)汽車市場產(chǎn)生了極大的沖擊。雖然因為續(xù)航里程的問題，新能源汽車在實際運用上無法達到預期效果，但隨著輕量化技術(shù)的不斷發(fā)展，未來汽車市場注定是屬于新能源汽車。而在目前汽車行業(yè)之中，輕量化技術(shù)無疑占據(jù)重要地位，需要國內(nèi)外汽車企業(yè)注重這一方面技術(shù)的提升。

參考文獻：

[1]新能源汽車全塑車身先進制造技術(shù)[J].秦柳，肖勇，丁玉梅，虞華春，朱國才，楊衛(wèi)民.中國塑料.2014（12）.

[2]鋁在現(xiàn)代汽車輕量化中的應用[J].王竑，陳昌明，吳憲.上海汽車.2004（12）.

[3]汽車輕量化[J].歐飛，任禾.中國經(jīng)濟和信息化.2013（10）.

[4]汽車輕量化新材料應用現(xiàn)狀分析[J].陳友鵬.南方農(nóng)機.2017（07）.

[5]汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其實施途徑[J].魯春艷.上海汽車.2007（06）.

[6]輕量化設計：安全的低碳經(jīng)濟[J].Andreas Deufel.中國制造業(yè)信息化.2012（04）.