新能源汽车之汽车轻量化的关键技术

新能源汽车的四大关键技术分为：电池及管理技术、电机及其控制技术、整车控制技术、整车轻量化技术。其中新能源汽车轻量化的终极目标是在汽车强度和安全性能的满足使用要求的前提下，行之有效的降低车身整备质量，达到提高汽车动力的整体利用效率，从而减少能源的消耗，降低环境的污染，因此，笔者认为进一步加强对汽车轻量化的研究是非常有必要。而本文从汽车轻量化的相关概念，其作用和必要性，分析了其关键技术和未来的发展趋势。

一、前言

据调查发现，我国汽车的产量和汽车的保有量每年都在不断上升，同时汽车的能源消耗和有害物排放都在逐年递增。因此在这种环境不断恶化和能源短缺的大环境下，大力发展节能减排的汽车技术是减少能源消耗和减少环境污染的必经之路。

目前，从国际上的研究趋势来看,汽车节能减排技术主要有以下几个方向：一是大力发展新能源汽车，如电动汽车、混合动力汽车以及插电式混合动力汽车；二是开发并制造技术先进的汽车发动机；三是实现汽车整车质量的轻量化。由于我国的汽车产业发展较晚，汽车的发动机技术的专业大多掌握在外国人的手中因此发展较困难、缓慢，所以上三种主要措施相比，有效降低汽车整车的自身质量，是实现汽车节能环保目标的最有效措施。对于新能源汽车来说，由于目新能源汽车常用的电池，如锂离子电池和铅酸电池，它们均存在比能量和比功率偏小的问题，这常常无法满足车辆的加速性能和续航里程要求，而且新能源汽车对其内部的系统和机构的空间分布要求较高，它的空间分布方式对总布置影响较大，所以减轻整车质量对新能源汽车就显得十分重要。

二、汽车轻量化的概念

什么是汽车轻量化？

百度汽车轻量化，从百度百科的定义可以发现，发现汽车轻量化具有一个整的概念，具体的它是指汽车在满足原有的行驶安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性等性能的前提下，以及其汽车本身造价不被提高的基础上，有目标地减轻汽车自身的重量。

一般汽车轻量化的基础概念可以从一下三个方面来阐述：

1）第一个方面是：汽车轻量化是在满足汽车已有功能的情况下，应用各种现有技术与手段降低车身重量而保持原功能不变，因此其轻量化的效果是直接减重。

2）第二个方面是：目前，市面上存在着许多功能尚不能全部满足要求或需要提升的汽车，对于这些汽车，汽车轻量化就是考虑如何在完善其功能而保持其质量不变的前提下，达到改进汽车的动力学性能、操纵稳定性、降低各部分噪声以及提高汽车的刚度和安全性的目的。

3）第三个方面是：新能源汽车的轻量化既要提高和改进汽车的性能，同时还要使汽车减重。

基于以上三个方面，新能源汽车的轻量化设计，在实际上就是对汽车进行功改进和结构进行优化设计，从而使其整备质量降低，以提高其性价比。

三、作用与必要性

3.1汽车轻量化的作用

汽车轻量化是目前实现节能减排的最行之有效的措施，也是汽车工业追求的一种健康和持续发展的方式。数据显示，汽车的整体质量每降低10%，其燃油的消耗可降低，与此同时，汽车减重不见减少油耗，也减少了大气中的排放量，车重每减少50%，的排放量就会减少13%，同时也减少了其他有害物质的排放，如，氮化物、硫化物等，对提高环境的质量也起到了很大的作用。在传统燃油车轻量化技术研究与发展的基础上，新能源汽车的轻量化可以提高动力性，能够有效决续航能力不足，更能平衡轻量化材料导致的成本上升，带动轻量化的规模，从而推动新能源汽车消费市场的持续扩大。

3.2汽车轻量化的必要性

随着汽车轻量化技术的发展，目前大量的研究和实验表明，汽车轻量化能够改善燃油的经济性、减少空气中的污染物和减少汽车废气的排放。

如表1所示，这是新能源汽车中常用的电池类型，可以从表中发现不管是铅酸电池，还是锂离子电池，它们的比能量均远小于传统汽车使用液体燃料的单位比能量，然而电动车的动力系统（这里主要指电池）通常占整车总质量的。这表明在同等排放量下的单位能耗（电耗量/100km）下，新能源汽车比传统汽车的要输出的能量更多，因此新能源汽车不能在像传统汽车那样靠一次的充能来实现长距离的行驶。于是这就要求电动汽车必须在实现电气化的同时采用比传统意义上的轻量化技术更有效的方法和措施。

对于汽车轻量化，张小虞，中国机械工业联合会的副会长曾就这个问题在2010年指出，汽车轻量化涉及传统汽车和新能源汽，因此这个问题已经成了汽车发展过程中的鸿沟和大课题。分析其中的含义，可以总结出以下三点：

1）目前，不管是哪一款新能源汽车，它的续航里程受电池水平影响都很大，因此在电池技术发展缓慢的情况下，应该选着发展汽车轻量化技术；

2）当今节约型社会的大环境下，公民节能减排意识逐步加强，没有相当轻量化水平的电动汽车其竞争力较低，实现产业化将变得十分困难；

3）新能源汽车中除了、电机、电控系统等成本居高难下以外，汽车轻量化还面临着成本难以控制的巨大压力。

新能源汽车在汽车轻量化技术的引导下应当是具有一定轻量化水平的汽车，而不再是依靠电池或混合动力驱动的汽车，在设计时它们应当有轻量化的设计要求和目标，我个人认为，对于国内一些达不到要求的新能源汽车应当暂停其开发和暂停发放补贴，转而大力开发一些较有前景的汽车。同时人们应当知道，汽车轻量化技术应该是一种共性的基础应用技术，是各种汽车都必须具备的一种技术。因此，新能源汽车的轻量化对我们国家具有重要的意义但同时又面临巨大的挑战。

四、关键技术

4.1集成化超轻新能源汽车

目前的研究成果中有一种名叫集成化超轻型新能源汽车的说法，它采用了相比一般电池更为成熟的电池技术以及电机驱动技术，而其实现轻量化的关键点则主要体现在其半承载式全塑车身以及其车身成型设备的开发。

在新能源汽车设计中全塑车身的设计是轻量化设计的重要组成部分，全塑车身设计的设计思路体现在：车身一体化、组件模块化、整体化，其实目的是实现细小零部件的高度集成，从而减少零部件的数量，降低生产的成本，从而达成车身轻量化的目标。

而目前车身整备质量最轻的新能源汽车其质量能达到850kg(包括电池)。如图1所示，这种超轻新能源汽车具体结构可以分成一下几个部分：驱动电池单元、行驶系统、转向系统、铝制车身框架、复合材料车身、塑化地板等。

4.2集成化纤维增强热塑性地板

新能源汽车的另一种关键技术是发展集成化纤维增强热塑性地板。这种技术主要通过使用热塑性材料制成的地板、高强度的塑料车身与铝制框架，然后通过车声上的通孔、孔槽和成型预埋金属件实现高强度材料车身与热塑性材料地板以及铝制框架的连接，而这种车身结构便是一种封闭式的结构，这种结构能使车身及其部件共同传递工作载荷，并吸收和传递部分碰撞能量。

装有热塑性材料地板的超轻新能源汽车的总成图如图2所示。它在满足使用要求的前提下，极大的减轻了汽车的整备质量。目前，制造这种热塑性地板的方法主要是在制造汽车的常用材料中加入纤维增强微分发泡材料，并且在加热时，利用纵向轴和横向轴同时带动模具旋转加热，从而使材料逐渐加热熔融并均匀涂覆于模具表面，通过空冷或水冷工艺冷却模具，最后开模实现集成化地板。从《工程材料》的知识中可以知道，这种方法得到的材料其晶体更加细小均匀，因而能获得强度更大，质量更轻的车身。

4.3复合材料车身

还有一种新能源汽车的关键技术是发展复合材料车身。与热塑性地板一样，复合材料车身的成型也是采用的旋塑成型工艺，就是在制造车身时采用多次加料的工艺，从而实现车身“实心再发泡再实心”的三明治强化效果。而这是一种一次整体成型的车身，采用了融入纤维增强微分发泡材料的方法，其优势在于:

1)高分子复合材料相比与一般的金属材料，在设计产品时具有更大选择空间，能实现更加复杂的车身设计；

2)一体化的车声减少了在生产过程的各零部件数量和额外加装的工序，从而减少了在安装是的误差和车身整体公差，大幅度的节省了汽车的组装时间。

五、发展趋势与途径

目前有很多种实现汽车轻量化的方法，在前面的介绍中也提到了汽车轻量化的概念。结合新能源汽车的关键技术，目前，其轻量化主要有以下两种发展趋势：1）汽车轻量化目的是要实现整车以上的车身减重，从而抵消安装动力系统净增加的质量；2）除了车身轻量化以外还可以从实现动力能源的轻量化的方向入手，如通过提高现有的新能源的比能量或开发新的动力电源等方法。只有通过这样的方法去解决新能源汽车自身重量大、续驶里程短等问题，才能是汽车产业更加绿色和健康。

图4新能源汽车轻量化技术途径

综上，如图4所示，汽车轻量化的途经可以分为：轻量的化材料、车辆结构的优化和设计以及大力发展新型加工制造工艺，而实现以上途径的方法分别为：

1）使用高强度材料和轻质材料

目前，有两大类新型材料可用来减轻汽车自身的质量：其中第一类是，通过使用高强度的材料，如高强度钢、高强度不锈钢、结构钢、高强度铸铁和粉末冶金等；另一类是使用新型轻质材料，如镁合金、铝合金、钛合金、复合材料和塑料、金属基复合材料、精细陶瓷、非金属基复合材料等，这些材料都具有质量轻、体积小、强度高等特点。

2）优化设计、虚拟仿真、和有限元分析

根据车声轻量化的概念，车身轻量化不是一味的追求减轻车身质量，因为车身在轻量化过程需要权衡考虑多个方面。整车结构的安全性因素便是其中最重要的一点。由于目前国内外还未能够制定统一的新能源汽车碰撞标准及其他的安全指标，这便导致车企在进行轻量化的过程中需要使用大量的模拟仿真，最为常用的汽车设计仿真软件有：ANSYS、CATIA、UG等，这些软件能够对车身进行结构刚度、强度、疲劳性以及碰撞等进行仿真分析，研究人员通过对这些结果进行分析，进行车身的优化设计从而提高了新能源汽车的可靠性和安全性。

3）采用激光拼接技术、热压成型技术与连接技术

在对汽车进行组装和特别是对车身进行拼接的时候，可以采用激光拼焊板技术，这种技术是基于成熟的激光焊接技术发展起来的现代加工工艺技术，其主要是它能把一些厚度、材料各不相同的钢材焊接成一块整板再使用冲压生产，它的特点是能够满足零部件不同部位对材料不同性能的要求。研究和实验表明，通过采用激光拼焊技术这种现代加工方法，可使汽车的总体零件数量减少约25%，从而使车身质量减轻大约20%，提高抗扭刚度和振动特性约35%，同时还有极大的增强了弯曲刚度。

六、结束

新能源汽车的发展将继续延续下去，并将成为主流，汽车也将摆脱内燃机的驱动，由电动机代替。但目前电动车使用环境尚显羞涩，个人消费市场的开拓始终严峻。其二，电动车技术看似吸引人，但在整体技术水平还参差不齐的环境下，未必是节能环保的最佳选择。因此无论是成本问题还是技术攻关方面，电动车技术还是有一段路要走，混合动力始终绕不过，而天然气车仅作为一种减少污染排放的选择，燃料电池也难以成为市场主流，因此新能源汽车的轻量化就尤显重要。

综上，要实现新能源汽车的轻量化，不能单方面考虑如何减重，要从虑材料、设计及制造技术等方面全面考虑；而新型材料的应用则离不开新型加工制造成形技术的发展，新的设计思路必定伴随着新型材料和新型加工工艺技术的发展与兴起，汽车轻量化与材料、加工工艺、设计思路这三者关系密切，相辅相成，谁也离不开谁。

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