新能源汽車輕量化技術(shù)研究

汪海洪

摘 要：新能源汽車輕量化技術(shù)能夠提升新能源汽車的續(xù)航里程，有力推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。新能源汽車輕量化技術(shù)包括輕質(zhì)材料的應(yīng)用以及輕量化工藝的應(yīng)用。高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料復(fù)合材料都是理想的輕質(zhì)材料;通過內(nèi)高壓成型技術(shù)、熱壓成型技術(shù)、輥壓成型技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)新能源汽車的輕量化制造。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;輕量化技術(shù);輕量化材料

1 引言

2015年5月，國務(wù)院印發(fā)了《中國制造2025》，強(qiáng)調(diào)大力推動(dòng)包括節(jié)能與新能源汽車在內(nèi)的十個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域的突破發(fā)展，明確了新能源汽車作為未來汽車行業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。2016年10月，我國汽車工程學(xué)會(huì)組織編織的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》發(fā)布，為推動(dòng)《中國制造2025》在汽車技術(shù)層面的貫徹實(shí)施明晰了發(fā)展路徑。該路線圖從材料、工藝、設(shè)計(jì)等方面闡述了新能源汽車輕量化發(fā)展規(guī)劃，可以看出輕量化技術(shù)在新能源汽車開發(fā)中的重要地位。

2 新能源汽車輕量化的意義

新能源汽車中使用了“三電系統(tǒng)”，大大增加了自身質(zhì)量，影響了新能源汽車的制動(dòng)性能、動(dòng)力性能、被動(dòng)安全性、續(xù)航里程以及電力消耗。相關(guān)數(shù)據(jù)研究表示，新能源汽車質(zhì)量降低20%則可以增加5-10%的續(xù)航里程，節(jié)約15-20%的電池成本與日常損耗[1]。因此，新能源汽車的減重需求十分迫切。汽車名義密度是體現(xiàn)輕量化的核心指標(biāo)，名義密度越大則表明相同體積大小汽車的質(zhì)量越大。當(dāng)前新能源汽車的名義密度顯著偏大，在短時(shí)間內(nèi)無法顯著改善電池能量密度的基礎(chǔ)上應(yīng)用輕量化技術(shù)能夠顯著提升新能源車輛的續(xù)航里程。

3 新能源汽車輕量化技術(shù)

3.1 輕質(zhì)材料的應(yīng)用

新能源汽車實(shí)現(xiàn)輕量化中輕質(zhì)材料的應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：

第一，高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼分為普通高強(qiáng)度高以及先進(jìn)高強(qiáng)度鋼。其中，普通高強(qiáng)度鋼有無間隙原子鋼、高強(qiáng)度低合金鋼，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼有馬氏體鋼、復(fù)相鋼。高強(qiáng)度鋼應(yīng)用在新能源車輛車身結(jié)構(gòu)件中，尤其是車輛安全件的應(yīng)用中是保證汽車輕量化的同時(shí)提高汽車安全性能的重要材料。

第二，鋁合金材料。鋁合金比重只有2.68g/cm3，僅為鋼材料比重的30%。在相同彎曲剛度情況下鋼與鋁的厚度比為1.43;在相同彎曲剛度情況下鋁減重潛力高達(dá)49.0%。汽車中鋁質(zhì)零件的減重效果理想，可達(dá)30-40%，車輛的減重效果可以進(jìn)一步提升50%。根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，新能源汽車中每應(yīng)用1kg鋁可以讓新能源汽車在使用壽命中減少20kg的尾氣排放[2]。當(dāng)前我國汽車制造工業(yè)中常見鋁合金應(yīng)用形式有鋁合金鍛件、半固態(tài)鑄造件、金屬模鑄件等，如鋁合金鍛件主要應(yīng)用于新能源汽車中的結(jié)構(gòu)件，如懸架支架、鋁合金車輪等，這些結(jié)構(gòu)件要求較高的強(qiáng)度與的抗疲勞性;半固態(tài)鑄造件用于制造新能源車中強(qiáng)度較高、尺寸較小的鑄件;金屬模鑄件主要用于新能源汽車的電機(jī)機(jī)殼等。

第三，鎂合金材料。金屬鎂的密度為1.74g/cm3，是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一。鎂合金可以被用作鋼鐵材料的替代，從而有效減輕新能源汽車的自重。在相同彎曲剛度情況下，使用鎂合金替代鋼材料可以減輕61%的重量。在相同彎曲強(qiáng)度的情況下鎂合金可以替代鋼材料減重74%。鎂合金是十分環(huán)保金屬材料，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)?；厥?，可持續(xù)利用。雖然當(dāng)前鎂合金與鋁合金相同還存在一定差距，但鎂合金在新能源汽車輕量化技術(shù)中有著廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用鎂合金較為成熟的國家與地區(qū)主要為北美、日本、韓國等。我國汽車鎂合金產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)的發(fā)展相對不高，但當(dāng)前已有20余種汽車零部件可以使用鎂合金進(jìn)行制造。如行李架骨架、立柱梁可以使用AZ61制造;變速箱殼體可以使用AE44制造;方向盤芯骨、散熱器支架、大燈托座等可以使用AM60B制造[3]。

第四，塑料復(fù)合材料。塑料復(fù)合材料的密度較小，擁有良好的抗腐蝕性，容易成型，車輛中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件使用塑料復(fù)合材料加工簡單，耐沖擊性能好、設(shè)計(jì)空間大、外觀多元化、絕熱性能良好，是新能源汽車實(shí)現(xiàn)輕量化的重要材料。當(dāng)前新能源汽車輕量化的發(fā)展趨勢是不斷提升塑料復(fù)合材料的應(yīng)用比例，以塑料替代合金等材料。塑料的比重遠(yuǎn)低于鎂合金，是十分典型的輕量化材料。在相同彎曲剛度下，與鋼材料相比PC塑料可以達(dá)到35%的減重效果。在相同彎曲強(qiáng)度條件下，塑料復(fù)合材料與鋼材料相比可以減重72%。

3.2 新技術(shù)和工藝的應(yīng)用

第一，內(nèi)高壓成型技術(shù)。內(nèi)高壓成型技術(shù)是將管材作為原材料，在內(nèi)部灌充高壓液體，從而使得沿軸線方向不等界面的復(fù)雜零件實(shí)現(xiàn)一次成型。如A車型車架縱梁使用內(nèi)高壓成型，縱梁總長度為4.63m，沿軸線方向?yàn)榻孛娼Y(jié)構(gòu)，截面周長最小為308mm，最大為534mm，可以利用錐形管分若干次數(shù)進(jìn)行成型制作。內(nèi)高壓成型技術(shù)的應(yīng)用能夠減輕34%的質(zhì)量，提升30%的材料使用率[4]。新能源汽車的副車架、散熱器支架、下擺臂等構(gòu)件都可以使用內(nèi)高壓成型技術(shù)。

第二，熱壓成型技術(shù)。熱壓成型技術(shù)是在一定溫度的模具中進(jìn)行沖壓并淬火，以完成成型處理并強(qiáng)化相變的一種方法。當(dāng)前主流應(yīng)用的熱壓成型鋼為硼鋼，成型處理后強(qiáng)度大約為1500MPa。相對傳統(tǒng)沖壓技術(shù)來說，熱壓成型零部件厚度可以降低20%，在提升汽車零部件強(qiáng)度的過程中減少加強(qiáng)板的使用量，從而減輕車身重量。B車型的B柱將原經(jīng)激光拼焊板搭配兩個(gè)小加強(qiáng)板的方案轉(zhuǎn)為熱壓成型的B柱加強(qiáng)板，零部件厚度變薄，且減少了兩個(gè)小加強(qiáng)板的使用，單側(cè)質(zhì)量減少1.3kg。車輛A、B、C的柱加強(qiáng)板、地板、頂蓋邊梁等零部件都可使用熱壓成型技術(shù)處理。

第三，輥壓成型技術(shù)。輥壓成型采用了多個(gè)輥輪作為成型設(shè)備，伴隨著輥輪不斷旋轉(zhuǎn)位置，把鋼帶持續(xù)向前運(yùn)送的同時(shí)順次成型，以得到所需要斷面形狀的一種加工技術(shù)，如圖1所示。車輛中應(yīng)用輥壓成型技術(shù)制成的零部件有門檻梁、地板橫梁、車門窗框等。X車型使的門檻梁應(yīng)用輥壓成型技術(shù)，使用1.4mm的1180MS冷軋高強(qiáng)鋼替代2.0mm的B410LA冷軋結(jié)構(gòu)件鋼能夠降低30%的質(zhì)量，有著良好的減重效果。

4 新能源汽車輕量化發(fā)展建議

當(dāng)前全球各國都在全力發(fā)展新能源汽車，實(shí)現(xiàn)新能源汽車的輕量化。而我國新能源汽車輕量化發(fā)展起步相對較晚，與合資品牌相比在輕量化技術(shù)研究與材料應(yīng)用上都有一定差距，如鋁鎂合金與高分子材料等輕量化材料的應(yīng)用不夠成熟。近幾年伴隨著我國自主新能源車型的開發(fā)以及輕量化技術(shù)的推進(jìn)，新能源汽車輕量化得到了顯著的發(fā)展。我國新能源汽車輕量化技術(shù)發(fā)展路線計(jì)劃在2020年前完成8-15%的減重目標(biāo)，提升高強(qiáng)度鋼在新能源汽車中的使用比例，全面發(fā)展熱成型加工技術(shù)。同時(shí)，注重鋁合金覆蓋件等構(gòu)件的技術(shù)研究，加大塑料復(fù)合材料替代鋼材的比例;在2025年實(shí)現(xiàn)減重12-20%的輕量化發(fā)展目標(biāo)，提升車輛使用鋁鎂合金比例。針對當(dāng)前新能源汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀，提出以下建議：第一，全面開放新能源汽車輕量化共性基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究。目前還有部分人群對輕量化的認(rèn)識(shí)依然停留在單純的材料替換以及減輕車輛自重，尚未對輕量化形成全面的理解。因此，在新能源汽車輕量化技術(shù)發(fā)展過程中要深入了解輕量化的表征參數(shù)、參數(shù)的物理意義、輕量化設(shè)計(jì)、加工工藝、材料之間的關(guān)系等，全面進(jìn)行新能源汽車輕量化共性基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究，才能夠有力推動(dòng)新能源汽車輕量化的發(fā)展。第二，分析不同輕量化結(jié)構(gòu)材料特點(diǎn)，充分發(fā)揮每種輕量化材料的優(yōu)勢，明確汽車輕量化材料在新能源汽車發(fā)展中的價(jià)值。針對不同材料的特征選擇輕量化效果良好，性價(jià)比高的材料來拓展材料應(yīng)用范圍。第三，建立新能源汽車輕量化數(shù)據(jù)庫。建立重量對標(biāo)數(shù)據(jù)庫，提升新能源汽車輕量化設(shè)計(jì)能力，實(shí)時(shí)跟蹤新能源汽車輕量化技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)。打造以A2MAC1數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的重量對標(biāo)庫;探索車輛結(jié)構(gòu)輕量化結(jié)構(gòu)形狀與規(guī)格設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)材料、結(jié)構(gòu)、性能、成本等一體化設(shè)計(jì)方法;第四，積極參加全球汽車輕量化技術(shù)交流合作活動(dòng)，與相關(guān)科研結(jié)構(gòu)開展的信息成果共享。

5 結(jié)束語

在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展是一項(xiàng)長期的發(fā)展戰(zhàn)略任務(wù)。全面推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展是汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要技術(shù)路線之一。在發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)中，實(shí)現(xiàn)新能源汽車輕量化是十分重要的內(nèi)容，在實(shí)現(xiàn)新能源汽車輕量化過程中要全面考慮輕量化材料、輕量化工藝方面的選擇與配合，在不斷的探索研究下實(shí)現(xiàn)更高層次的新能源汽車輕量化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]王帥，孫洋.新能源汽車輕量化技術(shù)路線和應(yīng)用策略[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（10）：46-48+65.

[2]袁博.車身輕量化技術(shù)對新能源汽車性能的提升研究[J].汽車文摘，2019（05）：39-42.

[3]佟國棟.國內(nèi)外鋁鎂材料在汽車零部件上的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].鑄造縱橫， 2008（3）：29-34.

[4]倪紹勇，王金橋，王書，et al.輕質(zhì)材料在純電動(dòng)汽車輕量化中的應(yīng)用[J].時(shí)代汽車， 2016（7）：55-57.