新能源汽车轻量化的关键技术

新能源汽车轻量化的关键技术

于琳力

北汽新能源汽车股份有限公司 山东 青岛 266600

摘要：汽车的发展，从某种程度上来说，代表着这个国家机械制造业的发展水平。我国传统能源的汽车行业由于起步晚，核心技术还有很多掌握在国外先进和发展了很多年的汽车制造企业手中。不过随着全球对环境保护的重视程度越来越高，给了新能源汽车一个发展的机会。我国汽车相关行业也通过弯道超车，在新能源汽车的发展上掌握了很多的关键技术。新能源汽车由于对环境造成的影响较小，获取能源的方式比较环保，在当前对燃油法律法规越来越严格的今天，受到了很多车辆企业的追捧。

关键词：新能源汽车；轻量化；技术

引言：

随着绿色环保节能理念日益深入人心，人们对于新能源汽车研发生产予以了高度的重视，然而当下新能源汽车在研发生产中，汽车自重问题一直是限制新能源汽车应用推广发展的一项重大问题，因此需要引入汽车轻量化技术，减轻车辆自重，推动新能源汽车实现更好的发展。新能源汽车是汽车行业今后发展的重要方向，因轻量化可使汽车续航时间得到显著提高，所以将其的发展又向前推动。因此本文在新能源的重要意义背景下，阐述了其关键性技术。

1新能源汽车研究现状

1.1新能源汽车现状。现今社会飞速的发展，离不开工业发展的贡献，但是环境的污染却成为全球个国家难解决的难题之一。环境问题主要是因为发展工业排放的各种燃料，引起了雾霾、变暖等问题。那么，减少环境污染的有效方法之一就是发展新能源汽车。因为占全球碳排放量的产业为汽车行业，而汽车行业是国家重点发展的产业，所以新能源汽车的发展在缓解环境污染问题上有着举足轻重的作用。发张新能源汽车有三个方向：一是使汽车轻量化，是指采用新能源来作为汽车的驱动。电池燃料汽车、插电式汽车、插电混合动力汽车都属于新能源汽车。二是制作出新型的发动机。三是新能源的代表有混合动力汽车、纯电动汽车。新能源汽车在欧美国家发展的比较早，市场已成熟。而我国是在近几年才开始发展，与欧美国家相比，我国在新能源的消费观点、基础设施及关键技术不够成熟。

1.2新能源汽车研究意义。目前新能源汽车轻量化是今后发展的重要方向。汽车动力的提升需要技术的进步和创新，从而降低排放污染及减少消耗。现在各个国家为了缓解环境污染的问题，都在大力推动新能源汽车的发展。

2新能源汽车的作用及其途径

2.1新能源汽车的作用。根据数据分析得出：汽车的质量减少，可使油耗减低；如果汽车质量减少，其油耗不变，也会使碳的排放量大大减少以及减少一些其他污染环境的物质。这样，对环境的保护也起了重要的作用。新能源汽车轻量化在与传统燃油汽车相比较下，新能源汽车可以提高续航能力，改善了传统燃油汽车的不足。这样，就可以平衡因材料的成本提高，而使新能源轻量化的市场消费扩大。

2.2新能源汽车的材料。节约能源减少排放的有效方法是减少汽车的质量与先进的发动机技术相结合。新能源汽车采用的材料，也从以前的单一到现在的多种多样。材料的多样性才达到汽车刚度和强度的要求。所以，在以后轻量化汽车的发展中，材料的多样组合才更受青睐。并且要减少稀有材料的使用，降低轻量化汽车制作成本。现在较为成熟的材料组合方法有纤维增强复合材料、高性能钢、镁合金、铝合金等。

使用轻质材料主要分为3种，一是复合材料与金属等组合一起；二是铝合金为车底部材料，碳纤维等材料为车上部；碳纤维及金属材料为主是车体结构。想要实现轻量化汽车可行度、及成熟度高，使用轻质的材料是目前最好的方法。

3轻量化方式

驱动电机的小型化形式主要是提高永磁电机功率密度、缩短线圈末端和增加线圈的占积率等措施；逆变器小型化的优点是可以降低损耗；也可用碳化硅替代现有的车载硅功率器件。电机优化的方式是使电机、电控、减速器三合一。既降低成本，还可实现小型化、轻量化及高效的运行模式。

3.1动力电池

目前新能源汽车缺点是此类汽车受续航里程限制，虽可增设充电桩设施缓解，但仍是"治标不治本"。故研发高能量比的动力电池成为关键的影响点。在"十五"电动汽车重大科技专项布局中规划的"三纵三横"发展路线，也强调了横向发展中动力电池对于新能源汽车的重大影响。在规划中要求在2020年实现动力电池单体比能量达到300(W•h)/kg，系统的比能量大于210(W•h)/kg。以纯电动汽车为例，目前搭载的动力电池多以三元锂材料为主，可优化为具有阻燃性质的材料。如轻质导热硅胶片来降低动力电池包密度减轻重量，也可采用具有绝缘、质量轻、易加工等优点的塑料。

3.2结构优化

结构优化设计指利用CAD/CAE软件分析结构模型后，通过拓扑优化、尺寸优化和形状优化来降低分析结果的权重。对于重要结构和构件，在设计初期利用CAE仿真进行强度和刚度分析，优化结构构件参数，减轻构件重量；同时结合拓扑优化和参数反演技术，实现车身设计的多目标全局优化等现代方法，然后去除冗余结构材料再修改优化设计图形，可减少后期设计成本。且拓扑优化设计能有目的性的设计零部件结构，可改善或避免原设计中的缺陷；还可通过特定的约束条件仿真分析，可提高材料利用率并减薄板件厚度、优化结构设计及模态静动态力学性能。

3.3轻量化材料应用

材料轻量化指使用高强度、低密度的轻质材料代替原有的材料。常用碳纤维、高强度钢板、超高强钢、铝(镁)合金、钛合金、复合材料、塑料等替代传统的低强度、刚度的材料，然后结合先进的制造技术、合理的结构设计。在国际市场上主流车型车身使用高强度钢占比70%以上，而自主品牌车应用的高强度钢仅达45%左右，部分车型达50%以上。美国大量研究数据表明，汽车上使用铝材料部件的重量可减55%左右，油耗可降低8%左右。碳纤维复合材料的物理特性尤为突出，强度比铝高30%，是钢的7~9倍且比钢轻50%。应用于汽车车身和底盘时质量可减轻40%~60%，且比同类的钢制零件质量减轻30%左右。

在实际生产中，对车门槛、前防撞梁、纵横梁及电池包防护框架等零件大多采用超高强度钢；车身系统(发动机盖板、车门、行李箱盖等)、热交换器(散热器、中冷器等)及其他系统(冲压车轮、保险杠等)常使用铝合金来制造零部件。

3.4制造工艺

材料与工艺是相辅相成的存在，有了新材料则也需有相应的制造技术将其加工成型。目前汽车零部件的制造工艺主要有对高强钢材料冲压、激光拼焊、液压成型；对铝合金材料有挤压成型、压铸成型、电磁成型；对镁合金材料有铸造及变形技术；对复合材料主要有热固性复合材料及热塑性。目前威廉姆斯的一组主要针对于CFRP材料加工制造的新技术223技术与Racetrak技术。223工艺是适用于二维到创建三维复合结构的经济有效手段，一般用于盒装几何形状及单独组件组装结构，与等效的铝合金材料相比可减重25%-30%且更易实现大批量生产；Racetrak技术主要用于创建连接两个或多点的高强度的结构件，在汽车领域使用时比铝板轻40%左右，比钢板轻60%左右。

结束语：

由上所述可知，新能源轻量型汽车在技术上，提高了塑化效率、降低了制造工序及零部件的数量、保证了乘员和行人的安全等优点，并且发展新能源轻量化汽车可以减少环境污染，是以后汽车行业发展的重要方向。汽车轻量化设计与新型的复合材料密不可分，这是实现可持续发展的必经之路。综上所述对于新能源汽车的轻量化并不只是简单的对车身或者零部件、电池驱动系统及结构优化，还涉及到新型轻质材料的研发并有相应的制造技术以保证相应材料性能得到最大程度的发挥。

参考文献

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