随着互联网造车的野蛮介入,电动汽车进入高速发展期,但是由于电池能量密度的限制,电池包的重量迟迟无法降低,那么电动汽车的轻量化就迫在眉睫。

电动汽车的整车轻量化技术及实施方案

汽车轻量化是指汽车在保持原有的行驶安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性等性能不降低,且汽车本身造价不被提高的前提下,有目标地减轻汽车自身的重量。汽车轻量化是设计、材料和先进的加工成形技术的优势集成。

车身轻量化常使用碳纤维、高强度钢板、超高强度钢、镁合金、铝合金、钛合金、复合材料、塑料等。

1)用高强度钢板替代普通低碳冷轧钢板,提高零部件的强度和刚度,降低钢板厚度或者截面尺寸来减轻重量。高强度钢板在基本力学性能、冷冲压成形、烘烤硬化、抗凹、焊接、疲劳强度、抗腐蚀和外观质量等方面均优于普通低碳冷轧钢板。 

目前国际主流车型的高强度钢占车身的比例已普遍达到70%以上,自主品牌的高强钢的应用已达45%,部分车型达50%。某商用车车架采用了屈服强度700 MPa级高强钢替代抗拉强度为510 MPa级材料,通过结构优化实现主梁减重38kg,加强梁减重170kg,合计减重208kg,成本降低600多元,并且在车箱轻量化方面采用了700MPa级高强度钢板替代Q235生产标准车箱,实现减重20%~37%。某车型的白车身采用高强度钢板、超高强度钢板等材料后,重量降低36kg。

2)轻金属材料是低密度、高强度的轻质材料,如铝合金、镁合金、钛合金等。轻金属能直接减轻零件质量,已成为最直接、最有效、最常用的轻量化措施。

A、铝合金

根据美国铝学会的报告,汽车上每使用0.45 kg铝就可减轻车重1 kg。理论上铝制汽车可以比钢制汽车减重40%左右。对于1辆1 300 kg重的轿车,若质量减轻10%,其燃油消耗可降低8%。

B、镁合金

镁合金常用于仪表板骨架、转向盘、气缸体、气缸盖、进气歧管、轮毂、变速器壳体、车门框、车身部件等,单车上的镁合金用量为5.8~26.3 kg。

C、钛合金

目前,钛及其合金可用于制造发动机配气系、曲轴连杆机构和底盘零件,如气门、气门弹簧、凸轮轴、连杆等。此外,钛合金板材和管材还可用于消声器及车轮。钛合金材料的应用范围已从赛车逐渐扩大到批量生产的轿车。

超高强度钢可制造大部分车身件。不论从成本角度,还是从性能角度来看,高强度钢板是满足车体轻量化、提高撞击安全性的最佳材料。为适应今后更为严格的法规,高强度钢的使用量将会越来越大。随着用户对撞击安全性能要求的提高,其作用也将愈发明显。

硼合金超高强钢的强度可以达到1 500 MPa,是铝合金的5倍,而密度只有铝合金的3倍,因此减重比铝合金更有效。比如全铝合金车身可减重30%,而硼合金钢可使白车身减重33%,但成本却比铝制车身减少30%。车身强度也大幅提高,碰撞安全等级达到最高级,能够同时满足汽车对轻量化和安全性能的要求。当钢板厚度分别减少0.05、0.10、0.15 mm时,车身减重分别为6%、12%、18%。采用先进的高强度钢,增加了安全性,降低了噪声和振动,提高了燃油效率,减轻了汽车总质量。成本不增加,而加速性、驾驶性能则有所改善。

塑料及其复合材料是另一类重要的汽车轻质材料,可减轻零部件约40%的质量。与通用塑料相比,工程塑料具有优良的机械性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点,比被取代的金属材料轻且成型时能耗少。从20世纪70年代起,以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。福特公司开发的LTD试验车,塑料化后的车身取得了轻量化方面的明显成果,整车减重可达300 kg以上。

塑料在汽车中的应用范围正在由内饰件向外装件、车身及结构件扩展,今后的重点发展方向是开发结构件、外装件用的增强塑料复合材料、高性能树脂材料及塑料,并会更加重视材料的可回收性。从品种上看,聚烯烃材料因密度小、性能好、成本低,其用量会有较大的增长。预计聚丙烯和聚氯乙烯今后分别可保持8%、4%的年增长率,聚乙烯的增长势头也比较强劲。

复合材料主要使用在车身外覆盖件,如发动机罩盖、翼子板、车门、车顶板、导流罩、车箱后挡板等,甚至出现了全复合材料的轿车车身。

a、玻璃增强材料与金属相比,具有密度小、比强度高、耐腐蚀及隔音、隔热等特点,可以成型复杂形状的零件且制作成本低。因此,越来越多地选用玻璃增强材料来替代金属材料,主要是SMC和GMT两种材料。一般这两种材料主要应用在保险杠防撞杆、前翼子板、后备胎罩和后背门上。

b、玻璃纤维是由熔融玻璃拉成的纤维,它在高温融化后非常容易重新凝固,不利于回收处理。法国国家科学研究中心正在研究一种以大麻和聚氨酯为原料的合成材料,除具有金属和玻璃纤维各自的优点外,价格更便宜,质量更轻,韧度更强,而且可以生物降解。

c、纺织复合材料由纺织结构物和基体材料组成,将纺织技术和现代复合材料的成型技术相结合,有效地克服传统复合材料的取向性和层合材料的面内力学性能不均匀、损伤容限低等缺点,具有很高的比强度和比模量,抗疲劳性能好。

d、柔性纺织复合材料主要用于内、外装饰及车用管材、带材;刚性纺织复合材料可以制作车身部件。

e、 高强度结构发泡材料具有质量轻、可以制作复杂形状、加强效果明显等优点。应用预埋在接头处的高强度结构发泡材料来提高整车刚度已逐渐被汽车厂商接受并使用,例如法国雪铁龙Picasso C4和OPEL Astra等。

f、发泡聚烯烃可以减轻质量及易循环使用,主要应用包括声音吸收罩和仪表薄板制品。

某车型对仪表板骨架进行轻金属材料轻量化,原钢制仪表板骨架质量为5.545kg,采用镁合金材料进行全新优化设计,结合先进制造工艺,新的镁合金产品质量为1.895kg,达到减轻质量65%。某公司研发的4G18发动机,其中的气缸体-曲轴箱由原来的合金铸铁改为铝合金后重量减轻了26.2kg,进气歧管由铝合金改为PA66后重量减轻了2.76kg,还有排气歧管、气缸盖罩、正时链罩、曲轴、安装支架等材料的改进,使整个发动机总成的重量减轻了56kg。

3)以塑代钢的塑料零部件可减轻整车质量,其中75%塑料还可以循环再利用,可以大幅降低能源消耗和推动环保进程。某车型在底盘系统中大量采用铝镁合金和塑料材料,并对踏板支架、换挡机构等采用塑料材料设计,优化后的稳定杆、手制动支架使减重效果达到50%以上。  

车身结构轻量化也就是结构优化设计,即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、刚度、模态、碰撞安全性、疲劳寿命、NVH(振动噪声)、车身结构可制造性、生产成本等诸多方面的性能要求,以及相关的法律、法规、标准的前提下,通过优化车身结构参数,提高材料的利用率,去除零部件冗余部分,同时又使部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以减轻重量,实现轻量化。如图4所示:某微型客车,利用先进的有限元分析,在不降低整车刚度、强度、模态、碰撞、NVH等多项性能指标的前提下,通过更改零件厚度和零件结构来实现轻量化结构优化设计,共减重16.71kg,节约成本,降低油耗。

1、通过CAD来优化设计汽车结构,减少车身重量和钢板厚度,使部件薄壁化、中空化,小型化及复合化达到轻量化目的,采用CAE技术计算汽车强度和刚度,确保减重整车的性能。  

2、开发设计车体和部件更趋合理化的中空型结构。主要途径就是在结构上采用“以空代实”,即对于承受弯曲或扭转载荷为主的构件,采用空心结构取代实心结构,同时优化结构布局,使之更加紧凑,这样既可以减轻重量,节约材料,又可以充分利用材料的强度和刚度。  

3、在轻量化与材料特性、工艺性、生产批量、成本及其它制约因素中找到一个最佳的结合点,实现多材料组合的轻量化结构,强调合适的材料用于合适的部位,结合CAD/CAE,使结构轻量化设计与优化融入开发前期,缩短开发周期,降低成本,确保了汽车轻量化的效率和质量。

4、铝、镁合金等轻金属材料先进成型制造技术主要有半固态成形、高真空压铸、等温挤压、等温锻造等,每种成型制造技术都通过计算机仿真设计极大地改善轻合金的精确高效成形性能,可实现高精度、高效率的精确成形制造,获得预期的材料组织性能与成形质量。  

汽车结构轻量化设计是通过CAE优化设计方法,以原型车为基础的轻量化改型设计,需要考虑到改型设计的实际可操作性和由此带来的加工制造成本增加,因此要尽量不修改模具,并且仅以车身结构零件厚度作为变量进行优化设计,其设计流程如图:

五、轻量化技术路线

1、设定工程目标

2、基于这些目标,在实施轻量化工程中,具体采用以下措施:  

1)对部件的优化设计主要包括最优的承载路径,均匀化的结构和优化的几何形状。  

2)在制造工艺方面主要是采用

A、激光拼焊板、深拉延件和液压成形、轻量化的铸件,点焊和激光拼焊等连接技术;

B、铝合金板材的自铆技术和翻边连接技术;

C、热成形与液压成形技术以及滚压成形技术;

D、解决高强度零件的成形,减少零件数量,减少结构的焊点,提高零件的性能。  

3、在材料技术方面,采用高强度钢和先进高强度钢、铝合金与镁合金、不同材料的复合应用技术、纤维增强复合材料的应用等,最终达到开发时间最短、成本最低和白车身性价比最佳化的目标。  

在进行轻量化时,要使用计算机模拟几何形状、加载路径的优化预测成形性和疲劳寿命来优化设计,从而减少试制时间和缩减实验次数;并可对被动安全性、撞击时的载荷路径和变形进行模拟,从而可以优化选材和制造工艺以及使用先进的成形技术。

动力电池的能量密度低,与传统燃油相比,动力系统(主要是电池)通常占整车总质量的30%-40%,达到500—800kg。因此提高能量密度,降低重量不言而喻,如下图。

电动车轻量化主要从两个方面开展:

1)实现整车的轻量化——抵消动力系统净增加的质量;

2)实现电池的轻量化——提高现有电池的能量比或开发新的动力电源。

整车轻量化的重点在车身和底盘。

电动汽车整车为车身、底盘、非簧载质量构成(制动系统、轮胎)、空调系统、转向系统、动力传动机构、电池、电机及相应的管理系统等构成。整车轻量化需要各个系统的轻量化并有效集成,重点突破应该是车身和底盘的轻量化。

由上表可以看出,车身、内外饰和底盘约占整车总质量的2/3,通过底盘和车身的轻量化可以最有效达成电动汽车整车的轻量化。 

相对于传统汽车的轻量化技术,电动汽车整车的轻量化重点应该放在轻量化材料的应用上。因为,在原来钢制材料的基础上采取的所有产品、工艺技术手段和措施最多能减轻质量10%-12%,不能满足电动车减重的需要。

目前车身常用复合材料,车体和底盘常用轻质金属或碳纤维,辅以相应的结构设计、制造技术为核心的轻量化技术。

电动汽车车身轻量化主要在新材料的应用及其结构设计、模具设计和相应的工艺制造技术上。新的高强度、低密度的轻质车身材料很多,最适合电动汽车的应该是复合材料。 

ASF全铝车身具有安全、可回收、质量轻的特点。轻质的铝合金车身使车体质量大大减轻,与相同体积的钢铁相比,质量可减轻30%-40%,这意味着更低的油耗和更佳的动力性能。此外,铝合金车身几乎可以百分之百地回收再利用,合乎环保要求,框架结构还可以提高车体的安全性,保护车内设施。

特斯拉全铝车身

目前,国内进行的如火如荼的互联网造车的代表蔚来汽车也采用了全铝车身,大家都知道,铝相对钢在硬度上要差一些,很多人都怀疑全铝车身的安全性,其实在应用前,汽车公司都会采取大量的技术手段来保证安全性,大家不用担心。如果大家感兴趣,可以来参加中国国际汽车轻量化论坛,届时将邀请蔚来汽车先进工程高级总监Danilo Teobaldi解构蔚来汽车全铝车身安全性!

采用高强度钢可以降低钢板厚度,从而减轻车身质量, 高强度钢因冶炼和加工技术复杂而导致成本居高不下,适合高端电动车。 

未来,随着塑料车身的热膨胀系数(CTE)难题得到解决之后,改性塑料将越来越多地应用到轻量化车身上, 将比金属车身更具优势。 

碳纤维作为汽车材料,质量轻、强度大,质量仅相当于钢材的20%-30%,硬度却是钢材的10倍以上。碳纤维增强复合材料(CFRP)车身碳纤维车身比钢质车身可减轻50%的质量,比铝车身轻约30%,如图。

采用碳纤维可以使整车减重达到50%以上。碳纤维增强复合材料在电动汽车上的应用效果,见下表。

底盘轻量化主要采用轻质金属或碳纤维配以先进结构设计,以达到底盘更轻同时更坚固的目的,从而减轻整车质量并改善电动汽车的安全性和操控性。 

特斯拉轻量化底盘

铝合金底盘相比钢铁底盘减重幅度大。 以A0级尺寸的电动汽车为例,通常采用铝合金技术的底盘其质量仅为数10kg。

采用镁合金或铝合金锻压轻量化轮毂以减轻非簧载质量,可改善加速和操控性能。

1)片状膜成型(SMC)、树脂转移成型(RTM)、挤压、注射、液态或半固态等新型成型工艺取代传统冲压工艺。

传统汽车成形技术为冲压、锻造,主要应用于汽车车门、壳体等部件。这种工艺特点是产品的一致性好、效率高,但需要非常昂贵的设备与模具投入,整车产品投资在1亿元人民币左右。在一定程度上制约了新能源汽车产业的发展。

通过国外技术应用与试验证明,实施轻量化技术工艺是最为有效的解决方法。

2)粘接、铆接工艺取代传统焊接工艺

焊接是传统四大工艺之一,它将汽车不同的冲压件按要求精确定位在专用的的工装夹具上,采用大功率的机器人焊接线拼焊成形,其一次性的设备、工装投入仅次于涂装工艺,在工厂面积、作业环境、操作安全方面都有规范要求。特点是工艺复杂、投入大。电动汽车在采用轻量化材料和工艺后,粘接与铆接将更多使用,将超出焊接的强度要求,可节省投入成本。国内现在部分车型的车门、发动机罩盖、后备箱盖等均采用两次模压成型粘接工艺完成

3)简化的涂装工艺取代传统钢板材料的涂装工艺

传统汽车生产涂装工艺是酸洗、水洗、表调、磷化、电泳、烘干等,其耗能高、投资大,同时排污量大。轻量化技术特点是充分利用复合材料本身的优点,直接模内涂装或只做表面喷涂,可节省磷化、电泳工艺的巨大投入。

4)模块化组装取代传统的总装工艺

新的整车结构设计是利用复合材料本身的优点实现汽车零部件的集成化和模块化,减少整车装配工位和工时,大大减少自动化输送设备的投资。

5)天然纤维在汽车零部件上的应用   

天然麻纤维几乎可以使用在汽车大多数的内饰件上,可以有效减轻零部件的质量,增加强度,降低成本,降低噪声,还可以减少车内挥发有机物(VOC)含量。

电池的轻量化换言之就是要提高现有电池的比能量或者是开发更先进的电池(电源)。

在电池的轻量化上,做的最好的是特斯拉,大家一直都很好奇,也很想知道特斯拉是如何做到的?中国国际汽车轻量化论坛拟邀请(正在确认中):特斯拉电池技术总监Kurt Kelty来揭秘特斯拉最新电池轻量化技术,看看特斯拉是如何走在世界前沿的!

电池的质量比能量和体积比能量是决定电动汽车性能的关键指标,需要尽快改善,见下图。

可以看出, 整车轻量化和提高电池比功率是相辅相成的关系。 

一方面,现有的电池(包括铅酸系列、镍系、锂系)实际比能量与理论比能量均还有不小的差距,说明还有提升空间,如在提高极板材料比表面积、电池结构设计、工艺水平、工艺方法、电解质等方面均有可能改善,需要联合所有的力量、资源加以突破。同时,系统的比能量更低,管理系统的优化也是重点改善方向之一。希望科学家们和实业家们尽快开发提升现有电池的比能量。

另一方面,全世界都在寻找大于200 W·h/kg的新电池,也有说法称这个指标是电动汽车能否与传统汽车性能相抗衡的临界值。如下表,轻金属燃料电池比液体燃料的比能量高或接近。

最差的金属燃料电池的理论比能量也要比磷酸亚铁锂电池的350 W·h/kg要高得多。这就为我们提供了找到实际比能量(含系统)大于200 W·h/kg电池的可能性。目前,国内外很多机构都在研究锂空气电池、铝空气电池、镁空气电池及锌空气电池等金属燃料电池(或叫金属空气电池、金属氧化电池)。更容易量产,并在制造、成本、安全性等方面甚至比锂电池更具优势。金属燃料电池见下图。

金属燃料电池与其他电池相比具有如下独特的优点。

a、效率高

燃料电池发电不经过从热能到机械能再到电能的转换过程,因而没有中间环节的能量损失。目前,火力发电或原子能发电最高效率只40%;燃料电池的发电效率一般为40%-60%;金属燃料电池的综合利用效率可达 70%-80%。  

b、机动灵活

燃料电池发电装置是由许多基本单元组成的。1个基本单元由2个电极夹、1个电解质板组成。将上百个基本单元组装起来就构成一个电池组,再将电池组集合起来就形成了动力电池。燃料电池质量轻、体积小、比功率高,特别适用于电动汽车动力单元。与铅酸电池对比,装备相似质量和体积的燃料电池的汽车行驶里程数倍于以铅酸电池为动力的汽车,充电间隔行驶里程接近甚至超过传统汽油或柴油车的加油间隔行驶里程。 

金属燃料电池的开发和应用极有可能是电动汽车轻量化的最重要方向之一。此外,插电式增程型电动汽车在基础设施不能普及的情况下,也将是解决纯电动汽车续驶能力差的方案之一。

总之,电动汽车必须从轻量化做起,轻量化要从车身、底盘、发动机等各个子系统进行轻量化开发并系统集成。采用新型复合材料和新型电池是重点方向,只要坚持开展一系列的创新活动,即新技术、新平台(底盘)、新材料、新工艺和新电池(电源)就一定能开发出具有真正商品化意义的电动汽车。