純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)輕量化研究

任俊楠　查朦

摘 要：鑒于當(dāng)前環(huán)境和能源問題，大力發(fā)展純電動(dòng)汽車十分必要。動(dòng)力系統(tǒng)作為純電動(dòng)汽車中的重要機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行輕量化研究可有效減少能耗，提高行駛續(xù)航能力，對(duì)改善環(huán)境污染、節(jié)約能源具有重要意義。文章以動(dòng)力系統(tǒng)中的電池、電池包及電驅(qū)傳動(dòng)總成作為研究對(duì)象，分別從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新材料選用兩方面進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;輕量化;新材料

中圖分類號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）03-08-03

1 輕量化研究方法及意義

為應(yīng)對(duì)環(huán)境污染、能源短缺等問題，發(fā)展純電動(dòng)汽車是實(shí)現(xiàn)我國環(huán)境保、能源安全，走可持續(xù)發(fā)展道路的必然選擇。純電動(dòng)車電池儲(chǔ)能低、續(xù)航能力差的短板制約其大范圍普及，因此對(duì)電動(dòng)汽車輕量化的研究具有重要意義。輕量化不單是減輕零部件質(zhì)量，而是在保證性能前提下的優(yōu)化。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)汽車每減輕1kg，每100km能耗可降低5-10W· h^[1]。

目前實(shí)現(xiàn)輕量化的方法見圖1，本文從結(jié)構(gòu)和材料兩方面對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)輕量化進(jìn)行研究。

2 電池選用及電池包設(shè)計(jì)

電池質(zhì)量約占整車的1/3，它的引入使得整車質(zhì)量大幅增加，同時(shí)動(dòng)力電池的比燃料較燃油小很多，使得電動(dòng)汽車的續(xù)航里程遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)汽車。合理的電池選用及排布，既有效減輕質(zhì)量，又可裝載更多電池以提升續(xù)航能力。

2.1 電池類型

純電動(dòng)汽車的電池類型主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池^[2]。

鉛酸電池采用金屬鉛作為電極材料，雖成本較低，但質(zhì)量和體積較大，比能量低，且易受侵蝕，影響電池的使用壽命，正逐步被取代。鎳氫電池和鋰離子電池作為現(xiàn)今主流，都具有更高的比功率，較長的使用壽命。其中鋰離子電池重量輕、能量密度高、無污染、無記憶性，但其造價(jià)成本高，安全性能較差。而鎳氫電池電壓平臺(tái)較低、能量密度小，在高、低溫時(shí)存在比功率下降的問題，若要滿足純電汽車的要求，需成倍增加電池包體積，占據(jù)大量空間。通過對(duì)比電池的性能指標(biāo)發(fā)現(xiàn)鋰離子電池更具優(yōu)勢，所以在主流電動(dòng)汽車上使用較多。

2.2 電池包設(shè)計(jì)要求

電池包包含串聯(lián)（并聯(lián)）的多電池單體組成的電池模組、電池?zé)峁芾砥骷半姵匕踩獴MS 模塊等^[3]。電池包的設(shè)計(jì)應(yīng)具有良好的剛度、強(qiáng)度、散熱性、絕緣性、防水性等特點(diǎn)。

2.3 電池的布置

從整車驅(qū)動(dòng)形式、行駛安全性、空間使用率等方面考慮，目前主流的電池布置采用整體式布置，安裝在車身底板下端。整體式布置將所有電池組集中安裝，利于電池與電池連接及清晰緊湊的導(dǎo)線布置。安裝在車身底部下方，可有效利用空間，更好的保護(hù)電池組，提升碰撞安全性;同時(shí)也降低了整車重心，提高整車操縱穩(wěn)定性和平順性。

3 基于結(jié)構(gòu)性能的輕量化分析

3.1 電池包結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合電池包的設(shè)計(jì)要求及行車過程中的各種情況，對(duì)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。電池包頂蓋用來遮蓋箱體并防止外部雜質(zhì)進(jìn)入，通過螺栓與箱體連接，其受力較小，可在設(shè)計(jì)中對(duì)頂蓋板材厚度進(jìn)行優(yōu)化。邊緣采用圓整過渡，有利螺栓與箱體的緊密連接，并可避免應(yīng)力集中及大平面共振。箱體主要保證電池組的定位，其內(nèi)部支架、罩蓋可有效控制電池組與箱體周圍的碰撞，影響箱體及電池組的壽命。在進(jìn)行箱體輕量化時(shí)，采用形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化，通過分析可知底板需使用加強(qiáng)筋，來加強(qiáng)底板剛度。箱體底部設(shè)計(jì)縱橫梁，通過受力分析計(jì)算，確定縱橫梁的結(jié)構(gòu)、尺寸等，固定安裝后增加車身的承載強(qiáng)度。

3.2 電驅(qū)傳動(dòng)總成分析

傳動(dòng)總成主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器及傳動(dòng)軸等。設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，為減輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量，采用空心軸代替實(shí)心軸，或?qū)D(zhuǎn)子鐵心開孔來達(dá)到目的。利用CAE技術(shù)，首先使用三維軟件對(duì)傳動(dòng)總成建模，對(duì)殼體采用薄壁化、結(jié)構(gòu)緊湊化、部分結(jié)構(gòu)中空化等方式，然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分建立有限元模型，再進(jìn)行靜力性能及動(dòng)態(tài)性能的分析及優(yōu)化，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

傳動(dòng)總成正朝著高功率密度電機(jī)、電力電子集成和電機(jī)傳動(dòng)一體集成的方向發(fā)展，高功率密度意味增加單位體積的電容量。研究表明，當(dāng)動(dòng)力電池單體能量密度達(dá)到400W·h/ kg時(shí)，一次充電續(xù)航里程可達(dá)628Km，基本解決了電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航不足的問題。同時(shí)電機(jī)與變速箱的集成設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，減小尺寸，降低質(zhì)量。

4 基于新材料的輕量化分析

傳統(tǒng)的電池包殼體材料主要是鋼板焊接而成，再在表面進(jìn)行噴涂處理來滿足性能需求，減速器殼體主要是鑄鐵。隨著新材料的出現(xiàn)及工藝技術(shù)的成熟，輕質(zhì)材料的使用成為輕量化的重要途徑。

4.1 高強(qiáng)度鋼

鋼材作為汽車零部件的主要原材料，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、散熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，但質(zhì)量過大增加能耗。而高強(qiáng)度鋼具有更高的強(qiáng)度，在使用中可減薄零部件的厚度。2016年4月，由NanoSteel和Ak鋼鐵公司聯(lián)合開發(fā)的新一代高強(qiáng)度鋼已交付通用汽車進(jìn)行初期測試，它結(jié)合高強(qiáng)度與延展性，在達(dá)到1200Mpa抗拉強(qiáng)度時(shí)也擁有50%的延伸率，克服了傳統(tǒng)鋼板兩者不能兼顧的弊端。利用高強(qiáng)度特性可設(shè)計(jì)出更薄更輕的部件，而高延伸性易于加工，部件的生產(chǎn)無需投入高昂的加工技術(shù)、培訓(xùn)等額外資金。

4.2 鋁合金

鋁合金材料是替代鋼板的首選，在汽車上已得到廣泛使用，其具有質(zhì)量輕、熱穩(wěn)定性好、易成形等優(yōu)點(diǎn)，在相同機(jī)械性能下大大減輕零部件質(zhì)量。同時(shí)鋁合金的動(dòng)力電池包殼可一次拉伸成形，省去盒底焊接工藝，避免焊接時(shí)焊縫質(zhì)量下降等問題。

4.3 SMC復(fù)合材料

SMC復(fù)合材料主要由專用紗、不飽和樹脂、低收縮添加劑、填料和各種助劑組成^[4]。具有質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、絕佳的電絕緣性，很好的耐化學(xué)腐蝕性、工程設(shè)計(jì)的自由性、靈活性等都是其入選電池箱材料的重要保證。數(shù)據(jù)顯示，自重35k公斤的SMC材料外殼可承載340kg的電池，比金屬箱體重量約輕35%，并且該箱體能承受10倍重力加速度的撞擊。

4.4 碳纖增強(qiáng)復(fù)合材料

碳纖維及其復(fù)合材料是解決汽車輕量化發(fā)展的有效途徑之一。其與金屬材料相比，質(zhì)量更輕、耐沖擊性能好，密封性好，質(zhì)量只有鋁的一半，已成為傳統(tǒng)金屬材質(zhì)電池箱體的理想替代品。

5 總結(jié)

本文結(jié)合純電動(dòng)汽車的不足，以動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別對(duì)電池、電池包、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及新材料的應(yīng)用角度來實(shí)現(xiàn)輕量化，通過CAE分析可進(jìn)一步驗(yàn)證輕量化后的產(chǎn)品性能，保證其可靠性。

參考文獻(xiàn)

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[3] 薛雯.純電動(dòng)汽車電池結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的研究：[D]，天津：天津大學(xué)， 2016.

[4] 孫巍.高填充快速引發(fā)高性能SMC體系的研究：[D]，武漢：武漢理工大學(xué)，2008.