整車輕量化對新能源汽車的影響

蔚佳彤　宋書江

摘 要：節(jié)能減排是現(xiàn)代社會(huì)的主要目標(biāo)，新能源汽車的日益增長也意味著汽車產(chǎn)業(yè)在發(fā)生著巨大的變革。目前，電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等新能源汽車的續(xù)駛里程較傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車比，續(xù)駛里程、加速性能仍有待提升。因此，在保障安全行駛的條件下，降低整備質(zhì)量一個(gè)必要的手段。本文主要從輕量化所用材質(zhì)、整車輕量化采取的具體措施和減輕新能源汽車動(dòng)力電池質(zhì)量三個(gè)方面對新能源汽車的輕量化進(jìn)行了討論，更希望新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展能夠更上一層樓。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;輕量化;鋁合金材料

當(dāng)今世界是一個(gè)能源需求量大、物質(zhì)生活水平豐富的時(shí)代，但是地球的資源不是取之不盡用之不竭的，因此各個(gè)領(lǐng)域都在研究生產(chǎn)生活中的各種環(huán)保高效材料。在我們交通運(yùn)輸領(lǐng)域，新能源汽車的誕生便是時(shí)代的一種產(chǎn)物，它避免了大規(guī)模使用化石燃料所造成的能源短缺，也有效的減少了空氣的污染，是目前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢。眾所周知，人類的體重一般是在100kg一下，而汽車的重量則在1t以上，也就是每一次行駛都在消耗著汽車自身的重量，因此減輕汽車自身的重量也是新能源汽車發(fā)展的一個(gè)必要手段。本文主要從三個(gè)方面探討了整車的輕量化對新能源汽車的影響，提高新能源汽車的應(yīng)用性能。

輕量化是一個(gè)完整的概念，是指汽車在保持原有的行駛安全性、抗震性、耐撞性和舒適性等性能不降低，并且汽車整車的造價(jià)不被提高的前提下，合理有效的減輕汽車自身的重量[1]。在2016年1月23日的中國電動(dòng)汽車百人論壇上，中國科學(xué)技術(shù)部部長萬鋼提出，新能源汽車要向輕量化的方向發(fā)展[2]。新能源汽車由于設(shè)計(jì)的原因，往往自身重量較高，在加速和續(xù)航里程方面都較傳統(tǒng)汽車弱一些，因此降低整車的質(zhì)量依舊是新能源汽車研發(fā)工作的一個(gè)重要部分，也是電動(dòng)汽車革命道路上一個(gè)必須砍斷的荊棘。

1 國內(nèi)外輕量化研究現(xiàn)狀

歐美、日韓等發(fā)達(dá)國家的汽車生產(chǎn)企業(yè)們對汽車輕量化研究的熱情一直只增不減，從1953年制造了第一臺(tái)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車GM Corvette后，輕量化材料的選擇成為了研究的首選[3]。

在輕量化研究領(lǐng)域，德國的寶馬公司稱得上是首屈一指的，在2008年他們宣布把CFRP（碳纖維復(fù)合材料）帶入汽車主流材料;并在2011年的法蘭克福車展首次發(fā)布i3電動(dòng)概念車和i8混動(dòng)概念跑車;隨后在2014年，在全球正式上市了批量化生產(chǎn)的i3和i8系列純電動(dòng)車，成為碳纖維產(chǎn)品在城用汽車領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。

德國大眾的奧迪A8L Hybird 采用的混合動(dòng)力系統(tǒng)的電池組、電機(jī)等組件增加了額外的130 kg的重量，不過因其使用了全鋁車身框架結(jié)構(gòu)車身，使得整車的質(zhì)量只有2035 kg; 還有美國的特斯拉電動(dòng)轎車系列，因其搭載了較沉的電池組，所以必須通過減輕車身質(zhì)量來控制整車質(zhì)量，特斯拉的車身95% 以上采用鋁材，大大提高了整車的續(xù)航里程。

國外的輕量化汽車研究如火如荼的時(shí)候，我們國內(nèi)的車廠也在努力將輕量化推入市場。東風(fēng)E30的車身采用鋁合金骨架結(jié)構(gòu)，工程塑料盒復(fù)合材料作為車身的覆蓋件，整備質(zhì)量僅有995kg。還有榮威E50純電動(dòng)汽車將高強(qiáng)度鋼應(yīng)用到車身重，SMC（片狀模塑料）輕量化復(fù)合材料做尾門，鋁合金做前緩沖梁和一體式座椅骨架，使整車的性能和舒適性大大提升。除了乘用車，我們國內(nèi)的客車也在朝著輕量化方向發(fā)展。比如東風(fēng)全鋁車身混合動(dòng)力公交車，鋁合金車身占總比的40%，與國內(nèi)同類鋼制車身相比，使整車的質(zhì)量較同類客車減少了15.2%。由此可見，汽車的輕量化的趨勢已經(jīng)勢不可擋，無論是纖維復(fù)合材料，鋁合金材料還是高強(qiáng)度鋼材料，都在汽車輕量化領(lǐng)域有著取足輕重的作用。

2 汽車輕量化的材質(zhì)

近些年來，可以用來減輕汽車重量的新型環(huán)保材料總體分為兩大類，一類是強(qiáng)度高的材質(zhì)，比如高強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度不銹鋼、結(jié)構(gòu)性鋼、高強(qiáng)度鑄鐵和粉末冶金材料等;另一類是質(zhì)量較輕的材質(zhì)，比如鋁合金、鎂合金、鈦合金、金屬基復(fù)合材料、非金屬基復(fù)合材料、復(fù)合塑料材質(zhì)和精細(xì)陶瓷等。這些材料由于其自身具有可回收和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，目前正在被廣泛應(yīng)用于汽車的輕量化領(lǐng)域。

2.1 高強(qiáng)度材質(zhì)

在高強(qiáng)度材質(zhì)中，高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼是汽車輕量化而又保證安全的基礎(chǔ)材料;近年來，作為汽車輕量化材料高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼發(fā)展很快，但是為了滿足其成形性和高強(qiáng)度的合理匹配，仍然在不斷研究新型的材質(zhì)。除雙相鋼之外，又出現(xiàn)了以鐵素體為基體的 TRIP鋼，貝氏體TRIP 鋼以及馬氏體出現(xiàn)的TRIP 鋼等等[1]，這些鋼都具有良好的成形性和高的力學(xué)性能，尤其是高的強(qiáng)塑劑，但其鋼材的處理工藝通常較為復(fù)雜，如果裝備的性能穩(wěn)定性不良，就會(huì)影響到工藝的穩(wěn)定性;從而影響到的材料性能的穩(wěn)定性。如何用簡單的工藝過程，生產(chǎn)出性能良好的工藝材料，是鋼鐵生產(chǎn)的企業(yè)的重要任務(wù);從這個(gè)意義說，處理工藝簡單、性能穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低和生產(chǎn)工藝設(shè)備成熟，又可以和涂層相結(jié)合的連續(xù)退火生產(chǎn)的雙相鋼是有廣闊應(yīng)用前景的鋼材，而目前這類鋼（不同強(qiáng)度級別）已在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用，其內(nèi)在原因就在于此， 而 TRIP 鋼和 TWIP 鋼在汽車行業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用尚有待時(shí)日，而納米貝氏體的 TRIP 鋼，由于其較高的碳含量所帶來的焊接性能、成形性等問題，其生產(chǎn)上應(yīng)用也有待改進(jìn)。

2.2 輕質(zhì)材料

在保證輕量化前提下，高強(qiáng)度材料雖然提高了整車的安全性能，但是它的焊接和熱沖壓成形工藝技術(shù)等方面仍需深入研究。而輕質(zhì)材料近些年研究較為廣泛，其中：鎂合金是六方結(jié)構(gòu)，室溫只有一個(gè)基面滑移系，但在一定的溫度下可以開動(dòng)其它滑移系，通過鍛造軋制及擠壓可以大幅度提升鎂合金的力學(xué)性能，但是鎂合金的電化學(xué)電位在所有的金屬材料中是最低的，因此它的腐蝕問題以及腐蝕產(chǎn)生后對疲勞和壽命的影響是人們所擔(dān)心的關(guān)鍵問題之一。目前應(yīng)用最廣泛的是鋁合金材料，鋁的密度約是鋼的三分之一，強(qiáng)度高、韌性好、耐熱耐腐蝕性能好，而且鋁的成本較低，因此在全球的金屬產(chǎn)業(yè)中都受到重用。為了滿足鋁合金汽車部件的組裝，還會(huì)將其他元素比如Fe，Mn，Mg，Si，Ti 和 Zn等合金成分加入到材質(zhì)中，來提高整體的性能和性價(jià)比。并且，鋁元素體現(xiàn)出綠色環(huán)保的優(yōu)勢，易回收再利用，有研究表明，國外鋁合金的回收利用率達(dá)到了80%以上，其中有60%的車用鋁合金材質(zhì)可以成為再生鋁，可見它在未來的市場環(huán)境中有著較大的發(fā)展空間。另外，塑料復(fù)合材料在輕質(zhì)材料中也占有一定的地位，目前已應(yīng)用的材料包括聚氯乙烯類（PVC 類）、聚碳酸酯圭類（PC 類）、聚乙烯類（PE）、聚丙烯類（PP 類）等[1]，它們可以應(yīng)用在汽車內(nèi)飾、棚頂材質(zhì)、后備箱材質(zhì)以及替代行駛系或轉(zhuǎn)向系的部分組件，這樣不僅降低了重量，還抵抗了環(huán)境中的一些化學(xué)腐蝕，也是整車輕量化的主要材質(zhì)之一。

對比國內(nèi)外新能源汽車用材和工藝對比：國內(nèi)新能源汽車與傳統(tǒng)燃料汽車相同，多采用以鋼為主、鋁合金、塑料與復(fù)合材料的多材料結(jié)構(gòu);少數(shù)新能源汽車采用以鋁合金為主、工程塑料、復(fù)合材料和高強(qiáng)鋼為輔。而國外新能源汽車有三種工藝路線：中高端車采用以鋁合金、CFRP復(fù)合材料為主，以工程塑料和高強(qiáng)鋼為輔;低端車也采用以鋼為主、鋁合金、塑料與復(fù)合材料的多材料結(jié)構(gòu);無論是高強(qiáng)度還是輕質(zhì)材質(zhì)，在汽車輕量化中都起到了十分重要的作用，更是新能源汽車的主要研究對象，它們的高性價(jià)比設(shè)計(jì)、輕量化部件的加入，大大減少了汽車在人類環(huán)境中的能源消耗，更加有效的減少了對環(huán)境的污染。

3 如何將新能源汽車整車輕量化

國內(nèi)外的新能源汽車除了對電池的充放電效能、使用環(huán)境和壽命進(jìn)行研究外，如何減輕汽車的負(fù)載也是主要的技術(shù)指標(biāo)。因此，將新能源汽車的材質(zhì)輕量化成為研究的一個(gè)關(guān)鍵因素。那么，汽車的主要構(gòu)成部件有哪些是可以被輕量化的呢？接下來，我們就從三個(gè)方面進(jìn)行討論和研究。

3.1 車身和面板的輕量化

首先，車身和面板的質(zhì)量占汽車總重量的三分之一以上，如果在保證安全性能不降低的情況下，減少車身和面板的重量可以更有效的降低整備質(zhì)量，提高行駛效率。其中，鋁制車身比鋼結(jié)構(gòu)車身質(zhì)量性能提高23%，扭曲剛性提高 74%，抗彎性能提高62%[4]，汽車車身板采用了鋁合金的材質(zhì)，除了可以滿足標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范要求的力學(xué)性能和抗腐蝕性能外，鋁的特殊屬性還可以有良好的可塑性、易焊接性、抗氧化性、噴漆光滑性、表面平整性和抗凹陷性等等，這也是國內(nèi)眾多新能源廠家多采用鋁合金作為汽車支撐組件材質(zhì)的原因。目前對鋁合金的研究從鑄造鋁合金到變形鋁合金，再到鋁基復(fù)合材料等，歐美市場更是“鋁化”現(xiàn)象嚴(yán)重，在很多地區(qū)鋁材的用量逐年提升，德國奧迪在1999年就已經(jīng)推出了全鋁制造的奧迪A2轎車，并且投入了大批量生產(chǎn)，它的車身和面板全面應(yīng)用了鋁的輕量化和環(huán)保性，并且90%以上的鋁材料可以回收并循環(huán)再利用，因此未來汽車鋁材的方向還是大有前景。

3.2 內(nèi)飾的輕量化

現(xiàn)代的汽車更多強(qiáng)調(diào)了給駕乘人員的舒適性，因此內(nèi)飾的美觀和環(huán)保也是新能源汽車的關(guān)注點(diǎn)之一。汽車的內(nèi)飾主要包括車門內(nèi)包裝飾、車廂的隔板、車棚頂裝飾。儀表板總成、扶手、地毯，座椅等零部件，大多數(shù)采用金屬、木材或塑料作為內(nèi)飾的主要材料，但是木制品的成本較高，譬如紅木、胡桃木等木材更是價(jià)格昂貴，如果造成整車的價(jià)格上升，非常不利于市場銷售，而且從環(huán)保的角度來看，過多的宣傳和使用木制品也會(huì)對植被的保護(hù)造成一定的影響，因此木制品作為汽車內(nèi)飾是小眾的。除此之外，金屬材質(zhì)的成本低也常作為車內(nèi)飾的材料，但是金屬材質(zhì)在手感和舒適度方面較差，因此經(jīng)常用在價(jià)格較低的車型產(chǎn)品中。最后，從輕量化的角度來看，塑料復(fù)合材料的使用改變了汽車內(nèi)飾所用材料的局限性，塑料復(fù)合材料的優(yōu)勢有很多，包括制造成本低、可塑性強(qiáng)、質(zhì)量輕、阻燃性高等等，它可以適應(yīng)各種車內(nèi)位置的彎曲和覆蓋，整體的美觀程度和駕乘人員的手感舒適性較好。因此，內(nèi)飾的輕量化設(shè)計(jì)首選材料是塑料復(fù)合材料，降低車身質(zhì)量的同時(shí)，還可以提高舒適性和安全性，受到國內(nèi)外新能源汽車廠商的青睞。

3.3 新能源汽車電池的輕量化

純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃料電池汽車相比，用電機(jī)替代了發(fā)動(dòng)機(jī)成了汽車的核心部件，而車載動(dòng)力電池包作為整車的動(dòng)力來源，也是新能源汽車輕量化的主要研究目標(biāo)。純電動(dòng)新能源汽車的動(dòng)力電池主要包括燃料電池、三元鋰離子電池、鉛酸電池和鎳氫電池等等。無論哪一種動(dòng)力電池，都是由動(dòng)力電池模組、熱管理系統(tǒng)、電池包殼體三部分組成的[5]。下面，我們分別從三個(gè)方向?qū)π履茉雌囯姵氐妮p量化進(jìn)行討論。首先，動(dòng)力電池的模組架是負(fù)責(zé)安裝單體的動(dòng)力電池，將它們組裝在一起，大多數(shù)結(jié)構(gòu)是是每個(gè)模組架內(nèi)安裝12只或6只電芯，根據(jù)車型電池包設(shè)計(jì)的不同，所安裝的電芯數(shù)量不同。而每組電芯都配有一套采樣板，上面安裝保險(xiǎn)、插件和 BMS的線束。過去的模組架多采用鈑金沖壓和焊接結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在已經(jīng)普遍采用注塑框架結(jié)構(gòu)，在提高安裝的標(biāo)準(zhǔn)化水平同時(shí)，大大降低了模組架的質(zhì)量，達(dá)到了輕量化的目的。

其次就是動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)，主要分為冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)兩種。冷卻系統(tǒng)包括冷氣直接傳導(dǎo)系統(tǒng)、空氣壓縮冷卻系統(tǒng)以及液體循環(huán)冷卻系統(tǒng)，而大多數(shù)的鋰離子電池在車輛低速下的升溫幅度不超過10℃，并在車輛高速行駛時(shí)的溫度大概達(dá)到20℃左右，因此可以直接通過金屬導(dǎo)體的散熱就可以將多余的溫度導(dǎo)出，所以很多純電動(dòng)乘用車基本不需設(shè)置冷卻系統(tǒng)，幫助實(shí)現(xiàn)了整車的輕量化;而純電動(dòng)汽車的加熱系統(tǒng)在我國東北高寒地區(qū)則是比較關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)，由于寒冷地區(qū)的冬季時(shí)間較長，車輛長期處于低溫環(huán)境下，需要利用加熱系統(tǒng)為動(dòng)力電池進(jìn)行預(yù)加熱來保證正常啟動(dòng)，而這樣的熱管理系統(tǒng)的質(zhì)量占動(dòng)力電池的比例較高，因此它的輕量化設(shè)計(jì)也是研究的熱點(diǎn)。熱管理系統(tǒng)的預(yù)加熱包括外來電源預(yù)先加熱、自身電源預(yù)先加熱、整車存放于溫暖房間充電以及動(dòng)力電池組電熱膜包覆四個(gè)方面。加熱的方式可以選擇電池包外包覆保溫層和電池模組保溫層兩種。由于保溫系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)會(huì)占據(jù)電池包空間，一定程度上降低了電池包能量密度，這也是當(dāng)前我國北方地區(qū)大力推廣純電動(dòng)車的主要障礙之一。動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)多采用鋁合金和鋼板等具有良好的導(dǎo)熱性的材料，而鋁金屬的高性價(jià)比和輕質(zhì)量屬性使其成為首選材料，目前市場上的鋁焊接結(jié)構(gòu)和鑄鋁結(jié)構(gòu)應(yīng)用的較多。

最后一方面就是動(dòng)力電池的電池包殼體輕量化，首先電池包殼體需要滿足：在車輛發(fā)生碰撞或動(dòng)力電池因特殊情況自燃的情況下，氣體、火、煙、液體等無法進(jìn)入駕駛艙內(nèi);有足夠的空間安裝插接器、傳感器、線束和熔絲等組件;人員觸電防護(hù)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求;防護(hù)的等級必須在 IP67 以上這些條件。綜合考慮，多采用由鈑金沖壓或鋼板焊接的電池包殼體，并進(jìn)行涂裝噴涂等處理。這種電池包殼體具有生產(chǎn)工藝簡單、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、密封性能良好以及防護(hù)性高等優(yōu)點(diǎn)，而唯一的缺點(diǎn)就是重量較大，不太符合我們新能源汽車輕量化的前提條件。所以，對比了鋼板材料后，之前也一直強(qiáng)調(diào)的鋁合金材質(zhì)再一次關(guān)注，它的強(qiáng)耐腐蝕性、高散熱性、輕質(zhì)量性和易回收性特點(diǎn)使其能夠在電池包殼體上長久應(yīng)用[6]。因此，對于新能源汽車動(dòng)力電池的輕量化設(shè)計(jì)來講，主要通過以下這些手段：采用注塑框架結(jié)構(gòu)作為動(dòng)力電池模組、精簡熱管理系統(tǒng)、利用玻璃纖維、碳纖維等材料作為電池包上蓋、采用鋁材作為電池包殼體。從整體上對動(dòng)力電池的形貌、材質(zhì)和性能上進(jìn)行調(diào)整，使其在降低質(zhì)量的同時(shí)達(dá)到更好的供電效果是新能源汽車輕量化設(shè)計(jì)的主要目的。

4 輕量化的未來發(fā)展趨勢

從環(huán)境保護(hù)和化石燃料有限的角度出發(fā)，新能源汽車在汽車領(lǐng)域地位逐年攀升。為了提高新能源汽車的使用效率，降低車身重量是一個(gè)關(guān)鍵的因素，因此本文從兩個(gè)方面探討了新能源汽車的整車輕量化，包括輕量化所使用的高強(qiáng)度和輕質(zhì)材質(zhì)、整車不同部件的輕量化工藝設(shè)計(jì)等。2015年5月，國務(wù)院發(fā)布了《中國制造2025》行動(dòng)綱領(lǐng)，現(xiàn)在是新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的歷史性交匯時(shí)期，而我們的汽車工業(yè)必須緊緊抓住這一重大歷史機(jī)遇，大力推廣和使用新型環(huán)保材料和輕量化綠色制造工藝，重視汽車輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，著力研究和開發(fā)汽車材料回收利用技術(shù)。創(chuàng)新是新時(shí)代的關(guān)鍵詞，無論是汽車廠商還是政府機(jī)構(gòu)，都要為我國的汽車輕量化發(fā)展提供保障，研發(fā)出更適合我國消費(fèi)者性價(jià)比高的輕量化新能源汽車，在世界的舞臺(tái)上站穩(wěn)腳跟，穩(wěn)步向前！

（本論文依托于項(xiàng)目吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目庫的《新能源汽車低溫動(dòng)力電池電極材料的研究》和吉林省發(fā)改委《寒區(qū)新能源汽車運(yùn)用工程實(shí)驗(yàn)室》兩個(gè)項(xiàng)目）

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