智能網(wǎng)聯(lián)新能源汽車整車結(jié)構(gòu)輕量化關(guān)鍵技術(shù)工藝應(yīng)用

摘要：隨著新時代綠色發(fā)展理念的持續(xù)深化，我國越來越重視智能網(wǎng)聯(lián)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，當(dāng)前汽車結(jié)構(gòu)輕量化是推進新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵途徑。將輕量化技術(shù)用于新能源汽車整車結(jié)構(gòu)設(shè)計，有助于降低車身的整備質(zhì)量，提高汽車續(xù)航里程和動力利用效率，進而降低能源損耗，起到環(huán)境保護的作用?；诖?，從輕量化概念出發(fā)，分析新能源汽車整車結(jié)構(gòu)輕量化的作用，重點探討輕量化的關(guān)鍵技術(shù)，以期為新能源汽車產(chǎn)業(yè)升級提供參考。關(guān)鍵詞：新能源汽車；智能網(wǎng)聯(lián)；輕量化；碳纖維技術(shù)；復(fù)合塑料

0 前言

輕量化技術(shù)是融合了材料技術(shù)、設(shè)計開發(fā)、工藝改進等諸多汽車制造產(chǎn)業(yè)及多種學(xué)科的綜合性技術(shù)，其應(yīng)用水平為國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了扎實的基礎(chǔ)。輕量化技術(shù)的應(yīng)用提升了汽車零部件的生產(chǎn)水平，增強了整個汽車行業(yè)的創(chuàng)新能力，對于產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義，是目前汽車制造業(yè)重點研究的技術(shù)路線之一。

1 汽車輕量化概念

汽車輕量化是指在不影響汽車安全行駛、抗振效果、舒適程度及耐撞性能的前提下，采取相應(yīng)技術(shù)手段來針對性地減輕汽車質(zhì)量，以達到提高動力利用效率的目的。汽車輕量化的概念主要可以從以下3 個方面來闡述：① 在保持汽車原功能不受影響的基礎(chǔ)上，利用技術(shù)手段實現(xiàn)車身質(zhì)量輕量化；② 對于功能尚不完善的汽車，通過應(yīng)用輕量化技術(shù)來提升汽車的強度、安全性能、操控性能等；③將輕量化概念引入汽車產(chǎn)業(yè)，就是既要改進和提升汽車性能，又要實現(xiàn)降低車重的良好效果［1］。

2 整車結(jié)構(gòu)輕量化

當(dāng)前，汽車輕量化技術(shù)是促進汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的重要措施之一，也是實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的主要方式。相關(guān)研究表明，汽車整備質(zhì)量每降低10%，汽車燃油消耗可以降低8% 左右，相當(dāng)于直接降低了大氣中CO2、硫化物、氮氧化物等有害物質(zhì)的排放，起到了環(huán)境保護的作用。電池、電機、電控是新能源汽車必備的三電系統(tǒng)，能夠有效提升新能源汽車的性能水平，但同時也增加了汽車自重，直接影響新能源汽車的續(xù)航、動力、電池消耗速度及安全性能等。數(shù)據(jù)表明，新能源汽車自重每降低10%，就能夠直接增加5% 左右的續(xù)航性能，節(jié)省10% 左右的電池應(yīng)用成本，降低新能源汽車使用損耗，因此降低新能源汽車自重對于提升性能體驗是十分必要的［2］。實現(xiàn)新能源汽車整車結(jié)構(gòu)的輕量化可以從汽車本身出發(fā)，降低汽車名義密度。通常來說，汽車名義密度與同等體積下的質(zhì)量呈正比，新能源汽車名義密度越大，質(zhì)量也會相應(yīng)加大，那么汽車的續(xù)航能力、電池效率及安全性就很難得到有效提升。因此，將輕量化概念引入新能源汽車整車結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過降低名義密度來提升汽車的續(xù)航水平、動力性能，這對推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要意義。

3 輕量化關(guān)鍵技術(shù)

3. 1 集成化超輕新能源汽車

在采用成熟的電池和電機驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過開發(fā)出半承載式全塑車身和整車成型組裝設(shè)備，能夠制造出一種集成化超輕新能源汽車，實現(xiàn)汽車的輕量化。全塑車身技術(shù)是實現(xiàn)超輕新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)，車身一體化、組件整體化、模塊化是全塑車身技術(shù)的總體設(shè)計思路，主要是通過高度集成各種細小零部件，減少零部件的使用數(shù)量，有效降低組裝難度和生產(chǎn)成本，最終達到輕量化的目的。當(dāng)前，車身整車質(zhì)量最輕、技術(shù)最先進的超輕新能源汽車的整備質(zhì)量約為850 kg，其主要結(jié)構(gòu)包含駕駛系統(tǒng)、電池驅(qū)動單元、專項系統(tǒng)、車身構(gòu)架及復(fù)合材料車身等。

3. 2 集成化纖維增強熱塑性地板

發(fā)展集成化纖維增強熱塑性地板也是新能源汽車應(yīng)用最關(guān)鍵的技術(shù)之一。該技術(shù)需要使用強度較高的塑料車身、鋁制車架及熱塑性材料地板，通過汽車車身內(nèi)部的孔槽、通孔及預(yù)埋金屬零部件等完成車身、地板及車架之間的有效連接，最終形成一種整體的封閉式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能夠促使整體車身和其他部件協(xié)調(diào)配合，共同承擔(dān)車輛行駛載荷，同時還能傳遞和吸收撞擊能量。熱塑性材料地板不僅不會影響新能源汽車的車輛性能，還有效降低了汽車整備質(zhì)量。熱塑性地板加工工藝主要是將纖維增強微分發(fā)泡材料加入常用材料中，利用橫向軸、縱向軸帶動模具進行旋轉(zhuǎn)加熱，保證熔化的材料涂抹在模具表面，然后采用水冷工藝技術(shù)將模具進行冷卻，最終開模制作成熱塑性材料地板。經(jīng)過該工藝制作的材料晶體均勻且細小，可以增強車身強度，降低車身質(zhì)量［3］。

3. 3 優(yōu)化電池的質(zhì)量

新能源汽車的電池容量都是固定的，為了保證汽車行駛里程及安全運行，一輛汽車需要完整的電池包，而每個電池包由大量具有固定容量的單個電池構(gòu)成，這就造成了汽車電池包的質(zhì)量可達幾百千克。在新能源汽車整備質(zhì)量中，電池包的質(zhì)量占據(jù)比例較大，因而要實現(xiàn)整車結(jié)構(gòu)的輕量化，必須對電池進行優(yōu)化。在優(yōu)化時，可以采取增加單個電池容量的方法，即提高單個電池的實際容量，這樣既能夠滿足汽車運行所需電池包的容量要求，也能夠減少單獨電池的數(shù)量，進而降低電池包的質(zhì)量及新能源汽車整車結(jié)構(gòu)質(zhì)量。除此之外，還可以優(yōu)化單體電池的電芯結(jié)構(gòu)尺寸及電芯結(jié)構(gòu)布置，提升電池放電功率，并且在不影響電池用量的基礎(chǔ)上，盡可能地提升汽車續(xù)航里程。例如，對日產(chǎn)某車型電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置及尺寸進行了優(yōu)化，電池包質(zhì)量降低了80 kg 左右，在一定程度上降低了新能源汽車的整車質(zhì)量。

3. 4 碳纖維技術(shù)的應(yīng)用

碳纖維技術(shù)是通過人工合成的方式，把碎狀或片狀的石墨晶體等有機纖維材料，按照特定的結(jié)構(gòu)形式，采取軸向鋪設(shè)的方式來達到最強的力學(xué)性能，進而滿足材料應(yīng)用的力學(xué)結(jié)構(gòu)要求。研究表明，在結(jié)構(gòu)、尺寸相同的汽車零部件中，碳纖維材質(zhì)的零部件質(zhì)量約為鋼鐵材質(zhì)零部件質(zhì)量的四分之一左右，而其抗拉性能卻比后者強了約7 倍。同時，在力學(xué)性能試驗中，碳纖維材料零部件的各項測試指標(biāo)都超過了汽車所需零部件的性能標(biāo)準(zhǔn)。

此外，碳纖維材料零部件具有較強的耐腐蝕性能，和鋼鐵材料相比，其對電池結(jié)構(gòu)的屏蔽功能也超強。因此，將碳纖維技術(shù)應(yīng)用于新能源汽車及零部件生產(chǎn)制造中，能夠確保原車性能指標(biāo)不受影響，還能夠有效促進汽車輕量化目標(biāo)的實現(xiàn)。但從目前情況來看，各汽車廠商對于碳纖維技術(shù)的應(yīng)用研究仍處于積極探索與持續(xù)深化階段。例如，在寶馬i3 車型中，應(yīng)用了大規(guī)模的碳纖維材料，降低了約300 kg 的整車結(jié)構(gòu)質(zhì)量，這是碳纖維技術(shù)成功應(yīng)用的典型案例［4］。從國內(nèi)市場來看，部分汽車廠商將碳纖維技術(shù)應(yīng)用到整車或者零部件的批量化生產(chǎn)中，也實現(xiàn)了良好的降重效果，有效提高了新能源汽車續(xù)航能力。

3. 5 優(yōu)化整車結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)

在新能源汽車輕量化發(fā)展中，優(yōu)化整車結(jié)構(gòu)設(shè)計也是最有效的途徑之一，能夠降低新能源汽車整備質(zhì)量。通常來說，對新能源汽車整車結(jié)構(gòu)改良優(yōu)化可以從以下3 個方面進行：① 在不影響汽車本身強度參數(shù)的前提下，簡單化設(shè)計汽車的整車結(jié)構(gòu)能夠大大減少零部件的需求數(shù)量，進而起到整車輕量化的作用。② 在不影響新能源汽車本身性能的情況下，設(shè)計人員可以采取縮小零部件尺寸和控制零部件體積的方法，來達到輕量化的目標(biāo)。③ 在新能源汽車零部件生產(chǎn)鋪排過程中，可以采用緊湊型結(jié)構(gòu)布局的方式，盡可能地減少汽車整車結(jié)構(gòu)體積，來實現(xiàn)新能源汽車的輕量化。

3. 6 復(fù)合塑料車身技術(shù)

通常來講，復(fù)合塑料車身所選擇的材料較為特殊，一方面多種材料的有效融合，在一定程度上彌補了單一材料的缺陷，另一方面充分挖掘了每一種材料的優(yōu)勢，最大化地提升復(fù)合材料的使用性能。復(fù)合塑料車身成型通常采用的是吹塑成型工藝，在車身生產(chǎn)過程中，采用多次多種加料的工藝，促進整車性能的強化。此種材料車身和傳統(tǒng)金屬車身材料相比，靈活性和可塑性更強，不僅降低了汽車車身的制造難度，還能夠靈活地滿足車身不同形狀的要求，進一步提高了汽車生產(chǎn)效率。

4 輕量化技術(shù)發(fā)展趨勢及建議

4. 1 輕量化產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線

近年來，全球各國在集中資源、技術(shù)、經(jīng)濟等因素的影響下都開始發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)。而國內(nèi)對于新能源汽車輕量化技術(shù)的研究起步較晚，仍處于初級探索階段，高分子復(fù)合材料、鋁鎂合金等輕量化材料的研發(fā)不足，應(yīng)用率較低。但隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，各新能源廠商加大了對整車結(jié)構(gòu)和輕量化技術(shù)的研發(fā)和推進，研究成果也正在逐漸顯現(xiàn)。調(diào)查表明，中國汽車要在2025 年完成減重20% 的輕量化目標(biāo)，提高整車結(jié)構(gòu)車身復(fù)合材料、鎂鋁合金等材料的應(yīng)用比例，加大力度推進碳纖維技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，共同為新能源汽車輕量化發(fā)展而努力。

4. 2 新能源汽車整車結(jié)構(gòu)質(zhì)量發(fā)展趨勢

現(xiàn)階段，新能源汽車廠商在整車質(zhì)量管理過程中，主要的研究方向包括信息化數(shù)據(jù)庫搭建、質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化、流程優(yōu)化再造及優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計等。在這些發(fā)展方向中，新能源汽車整車結(jié)構(gòu)質(zhì)量發(fā)展的重中之重在于信息化數(shù)據(jù)庫搭建及物料清單（BOM）管理流程的優(yōu)化再造。通過搭建信息化數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崟r查詢新能源汽車的整車質(zhì)量數(shù)據(jù)，便于為生產(chǎn)商提供參考依據(jù)，同時通過優(yōu)化BOM管理流程，能夠有效監(jiān)管汽車整車結(jié)構(gòu)質(zhì)量管控的全過程，進而為汽車輕量化設(shè)計提供信息數(shù)據(jù)［5］。

4. 3 新能源汽車整車結(jié)構(gòu)輕量化發(fā)展建議

首先，應(yīng)全面放開輕量化發(fā)展中的技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用壁壘。當(dāng)前，大部分人對輕量化概念理解比較淺顯，技術(shù)人員只是將研發(fā)停留在車身材料的優(yōu)化、替換以降低車輛自重方面，未能將輕量化技術(shù)進行有效創(chuàng)新。技術(shù)研發(fā)人員應(yīng)通過技術(shù)應(yīng)用，規(guī)劃輕量化發(fā)展路線，明確各結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，全面梳理汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料研發(fā)、制作設(shè)計等關(guān)系，為實現(xiàn)汽車整車結(jié)構(gòu)輕量化打好基礎(chǔ)。其次，全面分析各種輕量化材料的結(jié)構(gòu)特點、市場優(yōu)勢，選擇性價比高且輕量化效果佳的新型材料，將其逐步應(yīng)用于新能源汽車制造中，促進整車結(jié)構(gòu)輕量化發(fā)展。最后，建立新能源汽車輕量化發(fā)展數(shù)據(jù)庫，通過智能化手段來獲取真實的新能源汽車質(zhì)量數(shù)據(jù)，實時跟進輕量化技術(shù)設(shè)計成果及技術(shù)突破等，建立動態(tài)化的新能源汽車產(chǎn)業(yè)輕量化數(shù)據(jù)庫，便于各汽車廠商對標(biāo)工作，進而優(yōu)化自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計、車型設(shè)計、參數(shù)性能等，同時還可以與國家的科研機構(gòu)建立聯(lián)系，完善數(shù)據(jù)共享機制，加強國內(nèi)各廠商之間的交流合作，共同深入輕量化技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

5 結(jié)語

總之，新能源汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)駛?cè)氚l(fā)展“ 快車道”。對新能源汽車整車結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計，持續(xù)加大對輕量化技術(shù)、輕量化材料的研發(fā)，能夠有效提升新能源汽車續(xù)航能力，增強汽車企業(yè)市場競爭力，推動新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展。

參考文獻

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