中国压铸杂志
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新能源汽车轻量化概述

作者:admin 来源:原创 发表时间:2019-12-01
 
 
文:华晨汽车工程研究院 门立忠
    摘要:新能源汽车推广和发展的较大障碍是续航能力有限,而新能源汽车自身的质量是影响续航能力的重要因素。为了降低动力电池成本投入、延长续航里程,新能源汽车轻量化势在必行。该文说明了新能源汽车轻量化的意义,从结构优化设计、轻质材料应用、先进成型工艺三方面阐述了新能源汽车轻量化的途径。新能源汽车轻量化技术的应用不仅能降低电动汽车能耗,而且影响到未来汽车的设计理念,成为电动汽车技术革命的主要推力。
    关键词:新能源汽车;轻量化;结构优化;成型工艺
 
    在新能源汽车被列为“国家战略性新兴产业”以及国家密集出台多项扶持新能源汽车发展的相关政策的背景下,我国的新能源汽车产业驶入快车道。根据乘联会统计数据:虽然 2018 年的中国车市在连续增长28 年后迎来首次同比下滑,但是在新能源汽车领域却继续保持高速增长势头,1—12 月新能源乘用车批发100.8 万台,同比增长 88.5%,高于 2017 年增速。相较于传统燃油车,新能源汽车更需要轻量化,以缓解“电动化”和“智能化”带来的车辆质量增加的问题,从而提升续航里程和整车性能。新能源汽车轻量化对于推动汽车技术发展起到了巨大的助力作用,必然成为汽车未来的发展趋势。
 
1、 新能源汽车轻量化的意义
    试验表明,一辆传统燃油汽车在不作改变的情况下,安装上电池和其他的节能设备之后,质量就会增加20%-40%。新能源汽车由于“三电系统”的加入,质量增加明显,严重影响其电耗、动力性、制动性能、被动安全性、一次充电续航里程、零部件动载荷和疲劳寿命。
 
    研究表明,新能源汽车质量降低10%,对应续航里程可增加5%-10%,节约15%-20%的电池成本以及20%的日常损耗成本。因此,新能源汽车整车减重的需求比传统汽车更加迫切。
    汽车名义密度是反映轻量化的一个通用指标,名义密度越大,表明同体积大小汽车的质量越大。名义体积计算公式,如式(1)所示。
V=LB(H- G) (1)
式中:V——车身名义体积,m3
L,B,H———车身长、宽、高,m;
G———最小离地间隙,m。
 
名义密度的计算公式,如式(2)所示。
ρ=m/V (2)
式中:ρ———名义密度,kg/m3
m———整备质量,kg。
    图 1 示出 2015 年国产燃油车和新能源汽车的名义密度对比情况。
 

 
    由图 1 可以看出,新能源汽车产品的名义密度明显偏大。在短期内无法提升电池能量密度的前提下,采用轻量化的材料可明显提高新能源汽车的续航里程。
 
2 、新能源汽车轻量化的途径    汽车的轻量化途径主要表现在三方面。
   1)结构轻量化是最容易实施也是成本最低的一种设计手段。每个零件设计都可以大量运用结构轻量化设计。而综合考虑整车性能,进行多目标优化,是目前结构轻量化研究的一大热点,如模块化集成设计和结构拓扑优化。
   2)轻量化材料应用是汽车轻量化最基础也是最有效的手段。材料轻量化一般是通过采用轻量化的金属和非金属材料实现,主要包括轻质合金、工程塑料以及各种复合材料。从技术路径看,碳纤维复合材料、铝镁合金、先进高强钢是目前车企探索的三大方向,使用这 3 种材料替代当前的主流材料低碳钢,可分别减重 60%,40%,25%。其中,碳纤维复合材料由于具有体积质量低、强度高、耐腐蚀、耐高温等优秀特性,被认为是未来汽车材料的主要发展方向。
   3)先进工艺是先进轻量化材料应用的保障。总的来说,先进的工艺主要包括成型工艺和连接工艺。而先进的成型技术也保证了整车结构的安全性。目前先进的成型工艺包括高强度钢热成型、内高压成型、激光拼焊和液压成型等;而先进的连接工艺包括铆接、粘结及焊接等。
    上述 3 种轻量化途径在新能源车型设计实施过程中主要表现为:车身轻量化、底盘轻量化、三电系统(动力电池、电机、电控系统)轻量化等。其中,车身的轻量化表现得最为明显。
 
2.1 车身
   车身的轻量化是整车轻量化的重中之重。从奥迪A8 的“全铝车身”到宝马i3 的“碳纤维车身”,都体现了汽车轻量化水平的不断进步。铝合金材质在能量吸收、韧性以及轻量化方面都有优势,但在刚性与强度角度,钢材的优势更为明显,因此,将最合适的材料用在最正确的地方,才能在保证汽车产品安全性、舒适性的基础上增加实用性。
 
    除了材料本身的性质,制造工艺的优化与成本降低也很关键。前沿的轻量化技术应用需要更高的工业水平来支撑。国内造车新势力在新能源汽车车身的轻量化方面有很多创新和尝试,如图 2 所示。
 
 
    车身结构优化是通过采用先进的优化设计方法和技术手段,在满足车身强度、模态、刚度和碰撞安全性等方面的性能要求及相关法律法规标准的前提下,优化车身结构参数,提高材料的利用率,去处零部件冗余部分,同时使部件薄壁化、小型化、中空化和复合化,以减轻质量,最后实现轻量化。
 
    与铝合金车身、碳纤维车身不同,钢制车身往往需要革新制造工艺来适应材料和结构的变化,目前已经广泛应用的有激光拼焊板、热冲压成型和液压成型等工艺。激光拼焊板可将不同材质、厚度、强度和不同表面镀层的板坯拼合起来,然后进行整体压型。激光拼焊板工艺已在汽车领域应用成熟,用于制造车门内板、加强板、立柱、底板和轮廓等部件。高强度钢的热冲压成型工艺可以解决在强度超过1000 MPa 时,一些几何形状比较复杂的零件,使用常规的冷冲压工艺几乎无法成型的问题。
 
    随着铝合金在车身上的应用日益广泛,工程师们开发了一系列铝合金压铸新工艺,如冲压压铸法、针孔压铸法和无孔性压铸法等。其中,无孔性压铸法是压铸时注入型腔的金属液与氧气发生反应,型腔内随即形成真空状态,从而实现无气孔且可热处理的高质量压铸件。
 
2.2 底盘
    底盘轻量化可以减轻整车的质量和弹簧以下零部件的压力,更好地延长汽车底部零部件的使用寿命,提高整车的操作稳定性和舒适性。新能源汽车底盘的轻量化可完全借鉴传统车底盘的轻量化方案思路:
1) 通过将 CAE 仿真技术用于底盘部件结构优化设计,可以更快、更好、更直观地了解零件传力路径,确定哪些地方需要加强及减重,以设计出更好的产品。
例如副车架设计运用拓扑优化技术,可以在不增加质量的前提下,显著地提高副车架模态。
2)在底盘零部件中加大轻质材料镁、铝合金的使用范围。铝合金的体积质量是铁的 1/3,在保证零件刚度、强度的情况下,使用铝合金材料可大幅降低零件的质量。铸造或锻造镁合金车轮已被用于许多高价位的赛车或高性能跑车。然而,相对较高的成本和镁合金车轮潜在的腐蚀问题影响了其在量产车辆上的应用。
3)采用先进的工艺技术可以避免应力集中、减少材料浪费。在铝合金轮毂和底盘部件上开发的各种铸造工艺经过改造后可适用于镁合金。此外,低成本、耐腐蚀涂层和新的具有抗疲劳和高冲击强度的镁合金开发,都将加速镁合金在底盘上的应用。如某车扭转梁原来采用普通的冲压成型工艺,其零件为了满足耐久要求必须使用大量的钢材,使得零件质量比较大,达到了 25 kg。但采用管材的液压成型技术,可以使得零件在满足设计要求的情况下质量减轻约20%。
 
2.3 动力系统
    以某款纯电动紧凑型轿车(整备质量为1500kg)为例,各系统质量分布,如图 3 所示。从图 3 可以看出,三电系统质量占比最大,约为30%,可见三电系统轻量化的重要性。
 

 
   一般电池系统主要由电芯、箱体以及结构件组成。在电池系统能量密度一定的情况下,电芯的数量是一定的。在保证电芯安全性不变的前提下,增大电芯能量密度和减轻电芯质量是动力电池系统实现轻量化最直接的方法。但电芯的能量密度在短期内不会有太大的提升,只能从箱体和结构件方面考虑。
1)目前大部分电池箱体采用高强度的钢、轻金属等材料来实现轻量化。一些厂家开始采用复合材料SMC 和 AMM,这 2 种材料相对铝铸件、钣金件优势明显,在满足同等强度要求的前提下,SMC 和 AMM 材料的体积质量要比金属小。
    相关数据表明,在满足强度要求的前提下,AMM材料比铸铝质量降低 22%,比钢材质量降低 64%。另外,AMM材料在 SMC 材料的基础上进行了优化,导热性较强。
2)结构件(支架、框架、端板等)可通过材料改进实现轻量化。目前采用较多的是 PC/ABS 材料,将某款PPO 材料与 PC/ABS、PA 材料进行对比。PPO,PC/ABS,PA 的体积质量分别为1.08,1.2,1.58 g/cm3,在满足性能的前提下,PPO 材料比 PC/ABS 材料质量降低10%,比 PA 材料质量降低32%,可作为 PC/ABS 材料的替代材料。
 
    削减对发电无贡献的电池组配件的质量,也可有效地减轻动力电池的质量,如减少粘结剂、导电辅助材料等。不过这种方法并非所有电池组都适用,现阶段大部分动力电池在出厂时已经尽可能地减少配件,其所能够削减的部位则少之又少。另外,将导热垫片替换成导热胶,也可实现一些质量的减轻,同时导热性能得到加强,电芯的热失控概率降低,整个电池系统的安全性得到加强。
 
   在电机电控方面,目前部分电机厂商正在不断探索电机电控系统的集成技术。通过将驱动电机、逆变器、减速器 3 个部件一体化与集成化,可以实现轻量化、小型化,同时降低成本,在一定程度上解放空间,利于整车布置。其中,集成方面包括 DC/DC 的集成、双电机控制器的集成以及其他附件的集成等。而将驱动系统安装在车轮内的轮毂电机,更是进一步推进了电驱动系统的小型化,最终实现轻量化。图 4 示出某车型 A的 2 代车型功率控制单元(PCU)对比情况。经过集成,该车型 PCU 的质量由原21kg 变为13.5kg,成功实现了轻量化。某车型 B 采用了新一代的集成电驱系统,如图 5 所示,该车型电机、减速器及电控系统高度集成化和小型化,在节省空间的同时轻量化效果显著。


 
3、 结论
   现今,随着新能源汽车市场竞争的日益激烈,轻量化设计一直在不断地突破与创新,以达到延长汽车续航里程、改善整车性能、提高产品市场竞争力的目的。轻量化技术应用带来的潜在风险首先在新能源汽车上得到了充分的验证,通过规避风险,形成了良好的产业链,利于传统汽车轻量化技术的推广。新能源汽车轻量化市场的迫切需求,同时推动了先进材料、工艺技术的进步,加快了汽车轻量化水平的快速提升。
 
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