純電動汽車輕量化途徑研究

譚妍瑋

純電動汽車輕量化途徑研究

譚妍瑋

（成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610000）

純電動汽車的動力性能和續(xù)航能力一直是該領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)，影響純電動汽車?yán)m(xù)航里程的因素之一為汽車整車質(zhì)量，因此汽車輕量化技術(shù)已逐漸成為汽車行業(yè)的研究熱點(diǎn)。文章探討了輕量化技術(shù)對純電動汽車的影響，分析了當(dāng)前輕量化技術(shù)的現(xiàn)狀，提出了實現(xiàn)輕量化的具體途徑，為純電動汽車輕量化設(shè)計提供了幫助。

輕量化；純電動汽車；制造工藝

前言

隨著社會的發(fā)展，汽車保有量越來越多，據(jù)公安部交管局公布的全國機(jī)動車最新數(shù)據(jù)顯示,截至2019年6月，我國汽車保有量為2.5億輛，其中新能源汽車保有量達(dá)344萬輛，汽車在給人們生活和出行帶來便利的同時也促發(fā)了能源緊缺和環(huán)境污染等問題，對此在國家的大力支持下，純電動汽車得以快速發(fā)展。但是，純電動汽車目前面臨續(xù)航里程短、充電時間長等問題。電池能量密度、電池容量等是影響車輛續(xù)航里程的因素，除此之外，車身自重也是其重要影響因素。據(jù)數(shù)據(jù)分析，與傳統(tǒng)燃油汽車每減少100kg，百公里油耗降低0.3-0.6L類似，新能源汽車每減少 100kg，續(xù)航里程可提高 6%-11%，日常損耗成本減少 20%。因此汽車輕量化技術(shù)成為降低能耗、減少排放的有效途徑。在《中國制造2025》關(guān)于汽車發(fā)展的整體規(guī)劃中也強(qiáng)調(diào)了“輕量化仍然是重中之重”，“輕量化”已然成為國家的重要戰(zhàn)略，越來越多的汽車企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)已開始從事輕量化技術(shù)的研究。

1 汽車輕量化技術(shù)研究現(xiàn)狀

汽車輕量化是指通過合理使用汽車輕質(zhì)材料以及優(yōu)化汽車總成、零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計和先進(jìn)制造工藝等方法，在強(qiáng)度和剛度得以保證，汽車滿足安全碰撞法規(guī)的前提下，通過降低整車質(zhì)量，達(dá)到提高能源利用率、降低能源消耗、減少污染物排放及增加續(xù)航里程的目的[1]。

在美國、歐洲汽車輕量化都是節(jié)能減排的重要戰(zhàn)略，早在1993年美國政府實施的新一代汽車伙伴計劃PNGV就提出汽車輕量化是項目實施的核心路線之一。歐盟在“地平線2020計劃”中支持了多個汽車輕量化相關(guān)的研發(fā)項目，用以推動歐盟汽車輕量化技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展[2]。目前在歐美汽車新型材料已在汽車上取得廣泛應(yīng)用，凱迪拉克CT6、奧迪A8以及特斯拉Model S采用了大量鋁合金材料。新型材料碳纖維的應(yīng)用也已取得突破性的進(jìn)展，如寶馬i3和i8的多項零件均采用了碳纖維。

與國外相比，我國在輕量化研究上起步較晚。目前汽車輕量化作為重要的低碳化技術(shù)在我國已成為國家的重要戰(zhàn)略，在《中國制造2025》中關(guān)于汽車發(fā)展的整體規(guī)劃和2016年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中都強(qiáng)調(diào)了輕量化的重要性。各大企業(yè)相繼對汽車輕量化進(jìn)行研究，大量國產(chǎn)汽車開始采用高強(qiáng)度鋼、全鋁車身和碳纖維車身，輕量化技術(shù)取得了一定進(jìn)步。

2 發(fā)展純電動汽車輕量化技術(shù)的必要性

續(xù)航里程短、充電時間長已成為制約純電動汽車快速發(fā)展的重要因素之一。而電池技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在也已達(dá)到瓶頸期，想要從動力電池方面來大幅度提高純電動汽車的續(xù)航里程存在一定難度。除開電池本身技術(shù)外，整車重量也會影響續(xù)航里程，汽車越重，在行駛中消耗的能量越多，續(xù)航里程就會減少。因此，在保證汽車安全和車身強(qiáng)度的情況下，減輕車身的重量，可以使純電動汽車的續(xù)航里程得以增加。

與燃油車相比，純電動汽車在結(jié)構(gòu)上取消了發(fā)動機(jī)、變速器、油箱等結(jié)構(gòu)，但是增加了動力電池。研究表明，汽車動力電池質(zhì)量占整車質(zhì)量比重越大，其續(xù)航里程越大，因此純電動汽車為達(dá)到續(xù)航能力的要求，電池系統(tǒng)的總體重量都非常重,根據(jù)某車型的數(shù)據(jù)，動力電池的重量為550kg，占到整車整備質(zhì)量的28%，有些車型動力電池甚至超過整車總質(zhì)量的30%。因此相較于傳統(tǒng)汽車而言，純電動汽車的輕量化技術(shù)研究更為迫切，需要通過輕量化設(shè)計來平衡動力電池增加的重量[3]。

3 實現(xiàn)純電動汽車輕量化的途徑

現(xiàn)階段，國內(nèi)外實現(xiàn)汽車輕量化的途徑有以下方面：

3.1 輕量化材料

目前大多數(shù)車輛中，最基本的構(gòu)成材料為鋼，汽車上的重要零件絕大部分用鋼制成，使用輕量化材料代替鋼可直接降低汽車質(zhì)量。為了減輕重量，首先汽車可選用高強(qiáng)度鋼，高強(qiáng)度鋼是一種屈服強(qiáng)度介于210MPa至510MPa，抗拉強(qiáng)度介于270MPa至700MPa的合金鋼，其用在汽車車身結(jié)構(gòu)件上既可以保證安全性能又可以提高輕量化水平。與傳統(tǒng)汽車低碳鋼相比，采用高強(qiáng)度鋼可減輕15%～25%的汽車重量。其次可選用低密度的材料，如鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等，比如純電動汽車懸架、發(fā)動機(jī)罩以及電機(jī)殼體等均可通過采用合金材料實現(xiàn)輕量化，采用該類材料可減輕40-50%的質(zhì)量。另外就是新型材料，如碳纖維，在汽車眾多輕量化材料中，碳纖維材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗沖擊和耐腐蝕等特點(diǎn)。同時，碳纖維復(fù)合材料比重不到鋼的1/ 5但強(qiáng)度卻是鋼的8倍，擁有比金屬材料高5倍的能量吸收能力因此具有優(yōu)越的安全性能。碳纖維材料可大幅度減輕汽車質(zhì)量，達(dá)到55%～60%的減重[4]。

3.2 先進(jìn)制造技術(shù)

在生產(chǎn)制造過程中，采用先進(jìn)的制造技術(shù)是實現(xiàn)輕量化的重要途徑。比如激光拼焊工藝，激光拼焊屬于焊接的一類，采用激光技術(shù)將不同材質(zhì)、不同厚度的鋼材、鋁合金等材料進(jìn)行自動拼合和焊接而形成一塊整體板材[5]。激光拼焊技術(shù)能減少零部件的數(shù)量、提高材料利用率、減少工廠的生產(chǎn)流程和成本及設(shè)備的投入。目前，激光拼焊技術(shù)已廣泛應(yīng)用于車身部位，如車身側(cè)圍采用激光拼焊，則不再需要加強(qiáng)筋及附屬的生產(chǎn)工藝，零部件數(shù)量和整車重量會減少。在車門處，拼焊的應(yīng)用減輕了部件質(zhì)量，提高了車門部件的穩(wěn)定性，省略了接縫處密封措施，環(huán)保性得以提升。其次是熱成型技術(shù)，當(dāng)前高強(qiáng)度鋼作為重要的輕量化材料在汽車上廣泛應(yīng)用，但是鋼板強(qiáng)度越高，越難成型，尤其是一些超高強(qiáng)度鋼，常規(guī)冷沖壓成型工藝基本無法完成，而熱沖壓成型可解決該類問題，熱沖壓成型是一項專門用于汽車高強(qiáng)度鋼板沖壓成型件的新技術(shù)，也是輕量化生產(chǎn)的重要技術(shù)[6]，它具備回彈性好、成型精度高、高延展率、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，同時具備極好的碰撞安全性，因此被應(yīng)用在橫梁和保險杠等零件的生產(chǎn)制造上。

3.3 集成化技術(shù)

隨著純電動汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，零部件集成化設(shè)計已成為必然趨勢。研究純電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的一體化，即將驅(qū)動電機(jī)、逆變器，減速器等新能源汽車部件集成一體，可實現(xiàn)輕量化和小型化的目的，同時達(dá)到節(jié)省空間降低成本等作用[7]。此外輪轂電機(jī)的應(yīng)用也推進(jìn)了電驅(qū)動系統(tǒng)的輕量化發(fā)展，它將動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)都整合安裝在車輪內(nèi)，可進(jìn)一步減輕汽車的重量。

3.4 電池技術(shù)

上述途徑從材料和設(shè)計制造技術(shù)層面分析了如何通過減輕整車質(zhì)量實現(xiàn)輕量化，對純電動汽車而言，如何做到動力電池的輕量化也是目前需要研究的內(nèi)容，其中史本鵬[8]對當(dāng)前車載動力電池包輕量化技術(shù)進(jìn)行了探討，提出：在保證電氣安全、碰撞安全及性能要求的前提下，可通過以下途徑降低整個動力電池包的質(zhì)量。具體包括：模組架采用注塑框架結(jié)構(gòu)；將鋁型材料應(yīng)用在動力電池下箱體；簡化熱管理系統(tǒng)；將碳纖維、玻璃纖維等材料應(yīng)用在動力電池包上蓋等。李日步等[9]提出純電動汽車輕量化的另一途徑，即對電動汽車的底盤和電池 Pack 結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成優(yōu)化。

4 總結(jié)

通過對當(dāng)前純電動汽車輕量化技術(shù)現(xiàn)狀和途徑梳理，可以得到以下結(jié)論：

（1）汽車輕量化是汽車工業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。尤其是現(xiàn)目前國家大力發(fā)展新能源汽車的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)政策下，加快推進(jìn)輕量化技術(shù)的研究與攻關(guān)是突破當(dāng)前純電動汽車一系列問題的最重要的途徑之一。

（2）純電動汽車輕量化技術(shù)將朝著集成化和系統(tǒng)化方向發(fā)展。

（3）汽車輕量化技術(shù)研究范圍很廣，涉及材料、設(shè)計以及工藝等，因此需要將材料、設(shè)計、工藝以及工程等匯集形成一體，協(xié)調(diào)各種汽車輕量化技術(shù)充分發(fā)揮當(dāng)前技術(shù)手段的優(yōu)勢，全方位減輕汽車質(zhì)量，提高能量利用率，達(dá)到更高的節(jié)能減排目標(biāo)。

[1] 郭淑穎.純電動汽車車身輕量化研究[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報,2019,35(02):85-87.

[2] 趙宇龍.2018中國汽車輕量化技術(shù)研討會在蘇州召開[J].汽車工藝師,2018(10):44-45.

[3] 王利剛,李軍,李彤光.我國乘用車輕量化進(jìn)展與發(fā)展思考[J].汽車工藝與材料,2017(09):56-60.

[4] 曾昆.新材料在汽車輕量化中的應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè),2015(02):5-7.

[5] 王文安.淺談激光焊接工藝的質(zhì)量控制要點(diǎn)[J].黑龍江科技信息, 2011(08):1.

[6] 陳亞柯.熱成形工藝在汽車輕量化中的應(yīng)用研究[D].湖南大學(xué), 2012.

[7] 門立忠.新能源汽車輕量化概述[J].汽車工程師,2019(06):15-17+ 50.

[8] 史本鵬.淺析純電動汽車的動力電池包輕量化[J].汽車與駕駛維修(維修版),2018(11):101-102.

[9] 李日步,王海林,吳東升,吳天男,高文龍,周瑞華.純電動汽車動力電池包輕量化技術(shù)綜述[J].汽車零部件,2019(07):101-107.

Research on Lightweight Path of Pure Electric Vehicles

Tan Yanwei

( Chengdu Industrial Vocational and Technical College, Sichuan Chengdu 610000 )

The power performance and endurance of pure electric vehicles have always been technical difficulties in this field. One of the factors affecting the cruising range of pure electric vehicles is the quality of complete vehicles. Therefore, automobile lightweight technology has gradually become a research hotspot in the automotive industry. This paper discusses the impact of lightweight technology on pure electric vehicles, analyzes the current status of lightweight technology, and proposes specific ways to achieve lightweight, which provides assistance for lightweight design of pure electric vehicles.Keywords: Lightweight; Pure electric vehicle; Manufacturing process

U469.72

A

1671-7988(2019)24-08-03

U469.72

A

1671-7988(2019)24-08-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.003

譚妍瑋，碩士研究生，就職于成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：新能源汽車技術(shù)，汽車制造與裝配技術(shù)。