基于复合材料的超轻量化电动汽车

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基于复合材料的超轻量化电动汽车

王隆宇，王帅

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

【汽车轻量化在线】摘 要：对于电动汽车而言，汽车轻量化技术对于其性能提升极其重要，对于整个汽车产业的可持续发展有着重要意义。为深入研究电动汽车轻量化技术发展方向，文章论证应用碳纤维和SMC等复合材料的车身系统，和铝合金框架式下车身结构在电动汽车轻量化的技术应用，从技术层面分析了超轻量化小型电动汽车轻量化方案可行性，总结电动汽车轻量化技术路线和应用策略。

关键词：新能源；复合材料；轻量化

前言

发展新能源汽车已经成为汽车工业健康可持续发展的必然趋势，对于纯电动汽车来说轻量化技术的应用比传统车更加重要，从动力经济性测试结果来看，电动汽车性能对于车重更加敏感。在此背景下，本文介绍了一种超轻量化小型纯电汽车技术方案，分析了碳纤维复合材料和铝合金轻质材料在汽车轻量化上的应用前景和关键技术。

为贯彻落实国家节能与新能源汽车产业发展规划，达到国家油耗法规要求，本文论证碳纤维、玻璃纤维复合材料等以塑代钢思路在电动汽车轻量化的技术应用可行性，开发一款A0级小型城市纯电动轿车，形成小型纯电动动力系统平台，后续将根据市场的需求，以这个平台为基础，集成匹配全系小型车产品的纯电动车型。通过项目实施，掌握纯电动乘用车工程化应用技术，进一步完善整车及动力系统集成标定和试制试验能力，开展纯电动乘用车生产配套质量及售后服务体系建设，重点突破掌握纯电动乘用车整车集成技术和电机、电池、电控工程化技术，最终实现大批量生产。

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好。

本文针对国内汽车整车厂开展的超轻量化小型电动汽车的技术路线和取得的成果进行分析。

1 开发电动汽车的背景

从国际上看，欧美日韩政府都制定了相关法律和政策来推动新能源汽车发展，出台了一系列轻量化技术路线和法规，对汽车轻量化技术投入大量的科研经费和前瞻性研究。

国务院于2012年4月18日批准了节能与新能源产业发展规划（2010-2020年），明确了节能与新能源汽车发展的技术路线，要以纯电驱动为汽车工业转型的主要战略取向，当前重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化。为此，国家将实施鼓励购买和使用节能汽车政策，并且要因地制宜建设慢速充电桩和公共快速充、换电设施。

2 国内市场的电动汽车发展现状
2.1 国内EV市场现状

国内新能源汽车市场发展迅速，据乘联会数据显示，2017年新能源乘用车共销售56万台，其中纯电动乘用车累计销售45万台，插电式混合动力乘用车累计销售11万台，同比涨幅69.4%。

2017年累计销量过万的纯电动乘用车有17款，其中北汽EC系列累计销量达到了78079台，占比17．40％。2017年纯电动汽车累计销量占新能源累计销量比重81%，纯电车型依然是新能源市场主力。

图1 2016-2017年中国新能源汽车产销对比

图2 2017年新能源细分市场

从2017年新能源乘用车细分动力类型与车型结构看，纯电动A00级车型累计销售30．3万台，占比54．42％，同比累计增长173％，仍是最大的市场。长远来看，小型纯电动车发展是新能源汽车市场的短期趋势。电动A0级车型累计销售2．7万台，占比4.94％；纯电动A级车型累计销售11．4万台，占比20.42％。纯电动B级车型累计销售0．5万台，占比0．88％。

2.2 国内新能源汽车企业格局

乘联会数据显示， 2017年累计销量过万的纯电动乘用车有17款，其中北汽EC系列累计销量达到了78079台，占比17．40％。国产纯电动汽车销量TOP 10中，6款是微型轿车。这种规律与传统汽车市场完全相悖，这事实上反映出当前国内的新能源汽车市场还远没有进入到真正全面市场化的阶段。新能源汽车相对传统汽车没有展现出足够的竞争力，政策的不确定性也扭曲了潜在消费群体的购买。

图3 2017年纯电动乘用车企业排行

3 未来超轻量化电动汽车策略

3.1 纯电动车型概念和市场定位

结合汽车技术路线规划，短中期以国内主流技术路线为基础，参考前沿性碳纤维等以塑代钢轻量化技术，开展前瞻性技术储备研究。A0级别纯电动使用场景为日常代步及商业推广。

超轻量化电动汽车采用复合材料整车车身，代表着轻量化技术最新的发展方向。在设计理念上与宝马I3结构类似，也是采用驾驶舱碳纤、驱动模块铝合金的结构形式，整个上车身基于外覆盖件为SMC结构，内部承力结构为碳纤维复合材料的结构方案（必要时某些件采用碳玻混的方案）进行开发，在保证性能指标的前提下，实现高性价比，同时简化碳纤维复合材料结构在A面上的成型难度。

图4 纯电动轻量化概念

车型采用了上车身和下车身模块架构，其中乘员舱部分，由26个碳纤维复合材料零部件构成。而下车身由铝合金构成，则将悬架、蓄电池组、驱动系统和碰撞防护结构纳入整个模块中。

3.2 纯电动车型车身系统方案

复合材料车身方案为了追求更高的轻量化系数，车身主框架采用碳纤维材料，复合材料整车车身，内饰采用热塑性塑料，仪表板结构采用镁合金挤压成型工艺，座椅采用碳纤维VARI工艺，方向盘采用镁合金铸造，中控台框架采用碳纤维VARI工艺，通过CAE仿真优化提高车身动静态刚度。主要采用HP-RTM、湿法模压等快速成型工艺，高压喷水切割机机加工和以胶结为主的工序，从结构、成型工艺和组装装配等方面颠覆了汽车传统工艺。

前期目标值根据竞品车型的测试结果综合自身得出。车身连接工艺以铆接和粘接为主，部分螺栓连接和机械连接。

复合材料设计过程中，为了降低产品的制造风险，在开发阶段，需要利用计算机辅助制造技术来缩短产品的开发周期，当前主流的复合材料设计软件为FiberSIM。可以通过FiberSIM-CEE模块建立铺层数据，记录铺层顺序、每一层的铺层方向、铺层边界等信息。

表1 车身性能目标

3.3 纯电动车型底盘系统方案

车架基本结构与非承载式车身类似，采用铝合金材质车架，框架应用铝型材挤压型材框架式，铝合金型材及板材选择，结合碰撞性能和结构要求，按强度进行选材提高牌号通用性，控制材料种类，使用国内板材，降低材料成本。取消副车架，直接将悬架部件安装在车架上，车架长3200mm，宽1300mm。

底盘系统前悬采用麦弗逊式独立悬架，后悬采用多连杆式独立悬架，电机后置后驱。

图5 纯电动轻量化底盘结构

连接方式上铝型材与铝型材的连接应用MIG焊。铝型材与铝板材的连接应用塞焊，板材上开塞焊孔，在塞焊孔内与型材焊接，沿板件边界涂胶。

图6 纯电动轻量化车架连接方式

3.4 纯电动车型三电系统方案

动力电池：根据整车重量、续航里程目标选取三元锂电池，容量25kWh。

驱动电机：参考国内主流A00级纯电动电机类型，选取永磁同步电机，电机功率待定30±10kW，经过计算，整车重量1200KG的前提下动力经济性满足目标要求。

4 结论

综上所述，新能源汽车是新兴市场，政策影响和新能源汽车消费观念对用户人群影响极大，是人群分类的重点考虑因素。从产品上来看，超轻量化的车重带来的性能提升，碳纤维等新型材料带来的科技感，炫酷的造型设计，抓人眼球、具有视觉冲击力，强大的车联网及娱乐功能，更加全面的安全功能和配置功能，未来的轻量化概念更符合汽车新能源发展趋势。

参考文献

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