新能源汽車輕量化技術途徑探討

　　摘要：汽車輕量化技術被認為是改善燃油經濟性、減少污染物和降低碳排放的重要措施之一，而目前新能源汽車的整車重量相對較大，比能量和比功率仍然偏小，所以新能源汽車對于輕量化技術的要求更為迫切。為此，本文論述了新能源汽車輕量化的必要性，并從材料、結構及工藝方面探討了整車輕量化的主要技術途徑。
　　關鍵詞：新能源,輕量化,新材料,結構優化,制造工藝
　　1.前言
　　隨著我國汽車產量和保有量的不斷攀升，汽車的能源消耗和有害物排放逐年遞增。在日益短缺的能源狀況和日益惡化的環境狀況下，發展節能、低排放的汽車技術是減少能源消耗和減少環境污染的必由之路。
　　目前，從國際發展趨勢上看，解決汽車節能環保問題的主要措施如下：一是大力發展以電動汽車、混合動力汽車為代表的新能源汽車；二是開發并制造技術先進的汽車發動機；三是實現汽車整車質量的輕量化 [1]。以上三種主要措施相比，在當今發動機技術提升難度日益加大的背景下，有效降低汽車整車的自身質量，是實現汽車節能環保目標的有效措施。對于新能源汽車來說，由于目前新能源汽車的比能量和比功率仍然偏小，無法使車輛達到足夠的加速性能和續駛里程要求，而且新能源汽車對布置空間要求較高，對車身總布置影響較大，所以減輕整車質量對新能源汽車就顯得更為重要[2]。
　　2.新能源汽車輕量化的必要性
　　汽車輕量化技術能夠有效地改善燃油經濟性、減少污染物和降低汽車碳排放，汽車行業為此做出了諸多努力，取得了很多輕量化的技術成果。但是，相比于傳統汽車，新能源汽車對于輕量化技術的要求更為迫切。
　　以電動汽車為例，目前，能夠使用的動力電池的單位比能量與傳統汽車使用液體燃料的單位比能量差距巨大（如表 1所示），動力系統（主要是電池）通常占整車總質量的 30%-40%。這就決定了電動汽車在與傳統汽車同等排放量的單位能耗（電耗量 /100 km）下，不能像傳統汽車那樣靠一次補充能量來實現長距離的行駛。因此，電動汽車必須在電氣化的同時采取比傳統意義上的輕量化技術更先進的方法和措施。
      
　　機械工業聯合會張小虞副會長 2010年曾指出，輕量化問題已經成了橫亙在電動汽車發展過程中的鴻溝和大課題。其含義有三：一是受電池水平影響，電動汽車更需要輕量化；二是沒有相當輕量化水平的電動汽車其競爭力較低，不可能實現產業化；三是電池、電機、電控系統的成本居高難下，已拿出巨額資金補貼電動汽車的銷售，電動汽車輕量化面臨成本控制的巨大壓力[3]。無論如何，電動汽車應當是具有相當輕量化水平的汽車，而不是單純靠電池驅動的汽車，它們應當有輕量化的定位，達不到定位的電動汽車應當暫停開發和補貼，否則是對資源的浪費。人們應當知道，汽車輕量化技術是共性基礎應用技術，是各種汽車不可繞開的技術?？傊?，電動汽車列為戰略新興產業是汽車工業發展的重大機遇，但實現電動汽車的輕量化又面臨巨大的挑戰。因此，電動汽車輕量化技術路線問題理應受到行業和政府有關部門的高度重視。
　　混合動力汽車至少擁有兩個或多個動力源，它的行駛功率依據實際的車輛行駛狀態由單個驅動系統單獨或多個驅動系統共同提供。根據各個組成部件、布置方式和控制策略的不同，形成了串聯式、并聯式和混聯式等多種工作形式；根據在混合動力系統中，電機的輸出功率在整個系統輸出功率中占的比重(混合度)的不同，混合動力系統又分為微混、輕混、中混和完全混合動力系統等類型。由于混合動力汽車的多樣性和特殊性，使得整車結構設計和總布置存在很多困難，而且對整車質量的要求較傳統汽車大大提高。為解決上述問題，結合混合動力汽車整車布置的具體情況，從汽車材料、結構特點等方面對混合動力汽車車身結構進行優化分析和設計，是實現混合動力汽車輕量化的關鍵。
　　3.新能源汽車輕量化技術途徑
　　汽車輕量化技術方法有很多，是一個系統工程。新能源汽車的輕量化應從以下兩個重點方向開展工作：一是實現整車 30%-40%以上的輕量化——抵消動力系統凈增加的質量（適應現有可用的比能量較低的商品化能源）；二是實現動力能源的輕量化——提高現有新能源的比能量或開發新的動力電源。只有這樣，才能有效解決新能源汽車自身重量大、續駛里程短的問題。
      
　　如圖 1所示，應通過使用輕量化材料、車輛結構優化設計和采用新型加工制造工藝，減輕新能源汽車的整車裝備質量，從而提高其動力性能，減少能量消耗，降低污染排放，實現良好的經濟效益和社會環保效益。
　　3.1輕量化材料應用
　　隨著新能源汽車輕量化的需求，新型輕量化環保材料將扮演愈來愈重要的角色。目前，可用來減輕汽車自身質量的新型材料有兩大類：一類是高強度材料，如高強度鋼、高強度不銹鋼、結構鋼、高強度鑄鐵和粉末冶金等；另一類是輕質材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復合材料、精細陶瓷、金屬基復合材料、非金屬基復合材料等。
　　例如，長安汽車通過“十五”和“十一五”期間的鎂合金技術研究，突破了大型復雜鎂合金鑄件在汽車上集成應用的技術瓶頸，成功開發了變速器殼體、氣缸蓋罩、氣缸蓋前端蓋、曲軸后端蓋、轉向盤等鎂合金零部件(如圖 2所示)，建成了壓鑄、機加、表面處理生產線，實現單車集成用鎂量 20.1 kg，輕量化水平居國內地位。
　　對插入式混合電動車輛（PHEV）來說，使用重量輕的鋰離子電池可獲得很大的電能， 80~90千克重的鋰離子電池組合箱就可以為其提供足夠的電能，但為了控制發熱，必須額外增加 100千克的重量。而 Neale等人采用重量輕的鎂金屬制作電池殼箱，能夠有效減少運載自重，以避免在行駛過程中消耗掉不必要的能量[4]。
      
　　另外，在新能源汽車安全標準的驅動下，高強度鋼板作為重要材料得到廣泛應用。高強度鋼板的真正優勢是減薄鋼板、減輕車身質量而又不降低車身安全性，不管從成本還是從性能角度來看，高強度鋼板是滿足新能源汽車車體輕量化、提高撞擊安全性的優良材料。
　　3.2新能源汽車結構優化設計
　　在現代汽車工業中，CAD/CAE/CAM等計算機一體化技術在汽車的設計過程中起著非常重要的作用。利用 CAD/CAE/CAM一體化技術，可以準確地對新能源汽車的實體結構和布局進行設計，對各關鍵構件板材厚度的變化進行靈活分析，并可從數據庫中提取由系統直接生成的有關該車的相關數據進行工程分析及剛度、強度計算，實現對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。同時，通過開發新能源汽車車身、底盤、動力傳動系統等大型零部件整體加工技術及相關的模塊化設計、制造技術，使新能源汽車從制造到使用各個環節都真正實現節能、環保。通過結合參數反演技術、多目標全局優化等現代車身設計方法，研究汽車輕量化結構的優化設計技術，包括多種輕量化材料的匹配、零部件的優化分塊等。從結構上減少零部件數量，確保在汽車整車性能不變的前提下達到減輕自重的目的。
　　車身輕量化不是單純的一味減輕質量，車身在輕量化過程中需要考慮很多方面，整車結構的安全性便是其中重要的一點。由于目前國內外還沒有統一制定新能源汽車的安全碰撞標準及其他安全指標，汽車生產企業在進行輕量化的過程中需要運用仿真軟件 ANSYS、 CATIA、UG進行仿真設計，對輕量化設計后的車身進行結構剛度、材料疲勞性及安全碰撞等分析，從而提高新能源汽車的可靠性和安全性。
　　隨著并行工程、計算機技術等現代工程技術的快速發展及其在汽車車身設計分析中的廣泛應用，新能源汽車車身結構輕量化設計的發展呈現出以下特點：①結構設計與性能分析并行；②優化思想在設計的各個階段均被運用；③虛擬仿真實驗技術得以采用，并部分用于代替實物實驗；④車身概念設計成為車身設計的一個重要階段；⑤有限元法得到廣泛應用。
　　3.3新型加工制造工藝
　　在完成車身結構優化設計和選用輕量化材料之后，激光拼焊技術、熱壓成型技術等先進的加工制造工藝成為了是新能源汽車輕量化目標實現的關鍵因素，直接決定汽車輕量化應用的結果是否成功。
　　例如，奇瑞汽車 A3車型的前縱梁采用了激光拼焊技術，通過合理的材料應用和結構的優化設計，使縱梁的壓潰形式達到較為理想的狀態。激光拼焊板技術是基于成熟的激光焊接技術發展起來的現代加工工藝技術，是通過高能量的激光將幾塊不同材質、不同厚度、不同涂層的鋼材焊接成一塊整體板再沖壓生產，以滿足零部件不同部位對材料不同性能的要求，如圖 3所示。通過采用激光拼焊技術，可使車身零件數量減少約 25%，車身質量減輕 20%，抗扭剛度提高 65%，振動特性改善 35%，并且增強了彎曲剛度[5]。目前，出現了鋁質材料與鋼鐵材料的激光拼焊形式。采用激光拼焊板有著巨大的優勢，能使整車零件數量大大減少、簡化點焊工藝、提高車身尺寸精度、材料厚度的可變性，保證對重要位置的強化等。
      
　　人們對新能源汽車的需求趨向于安全性更強、質量更輕且燃料利用效率更高等方面，先進高強度鋼材、工程塑料及輕質金屬等多種材料成為新能源汽車的重要車體結構材料。如果將上述材料單獨使用，就會給大限度減輕車體質量的潛能帶來限制。通過粘接、鉚接、翻邊搭接、釬焊、螺紋連接等多種連接技術，巧妙地將上述多種減輕車體質量的材料結合在一起，能夠克服安全性差、質量難以減輕和加工成本高等難題，從而為新能源汽車提供一種多材料優化組合的輕量化車身結構，如表 2所示。
      
　　另外，新能源汽車制造中開始研究熱沖壓成形技術。熱沖壓成形技術是一個塑性變形和材料組織變化同時產生的工藝，因此塑性加工技術人員和材料開發技術人員必須比以往的冷加工成形研究更加密切協作。加熱冷卻技術必須結合新能源車身和底盤零部件的結構設計進行深入研究，以便可以實現零部件不同部位到達預期強度的要求。同時，熱成形件耐蝕性和焊接性也因其制造工藝有一定的限制，必須進行深入研究
　　4.結束語
　　建立資源節約型和環境友好型社會是我國國民經濟和社會發展中的一項長期戰略任務。發展新能源汽車是汽車產業實現可持續發展和技術跨越的佳技術路線之一。實現新能源汽車的輕量化是一個系統的工程，要全面考慮材料、設計及制造技術各個方面的要求；新材料的應用離不開新加工制造成形技術的發展，輕量化材料的廣泛應用必定促進新技術、新工藝及新設計思路的誕生；新的加工制造技術——激光拼焊技術、熱沖壓成形技術的發展又會促進輕量化材料的應用，實現更高層次的新能源汽車的輕量化。
　　參考文獻
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　　[2]廖君,王馮良,胡望岳.電動轎車車身輕量化優化設計[J].機電工程, 2009, 26(2): 76~78.
　　[3]紀維萍.行業專家暢談汽車輕量化發展——訪汽車輕量化技術創新戰略聯盟專家[J].汽車工藝與材料, 2012, 10:5~10.
　　[4] Neale R. Neelameggham. The use of magnesium in lightweight lithium-ion battery packs[J]. Journal of Materials, 2009, 61(4):58~60.
　　[5]周成軍,沈嶸楓,周新年,吳傳宇.電動汽車車身結構輕量化研究進展[J].林業機械與木工設備, 2012, 40(11):14~18.
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