特斯拉Model3整车轻量化技术分析

2020-11-23 11:46 255 0 来自: 汽车测评之家
简介
【汽车轻量化在线】轻量化是汽车领域的发展趋势,新能源汽车的轻量化不仅可以提升车辆动力性,降低行驶能耗,增加续航里程,还可以降低客户使用成本,轻量化的效果及意义可见一斑。Model 3是电动汽车的行业标杆,其 ...
汽车轻量化在线】轻量化是汽车领域的发展趋势,新能源汽车的轻量化不仅可以提升车辆动力性,降低行驶能耗,增加续航里程,还可以降低客户使用成本,轻量化的效果及意义可见一斑。

Model 3是电动汽车的行业标杆,其在轻量化上有何建树?是否值得借鉴?国内轻量化水平与国外还有多大差距?这一期我们就来深入探讨一番。

1. Model 3轻量化水平

表1 Model 3车型基本信息

注:脚印面积,(前轮距+后轮距)/2╳轴距,m2;

图1 model 3车型示意图

参照行业标准,从三个方面对Model3的轻量化水平进行分析。

(1)白车身轻量化系数

(2)整车名义密度

(3)整车轻量化指数

(1)白车身轻量化系数   

 

白车身轻量化系数是业内用来评价白车身轻量化水平的系数,系数越小白车身轻量化水平越高。它是综合了车身尺寸、重量和性能三方表现获得的数据。

对比ECB近7年的主流三厢轿车,可以发现主流车型白车身轻量化系数基本在3以下,而Model 3白车身轻量化系数远超其它车型,高达4.5,处于不利位置,主要是白车身重量偏高而扭转刚度偏低的原因。

图2 Model 3与竞品车白车身重量对比图

图3 Model 3与竞品车白车身轻量化系数对标散点图

那整车轻量化指标又是什么样一个数据?

(2)整车名义密度

名义密度是整备质量与名义体积之比,名义密度小的车辆轻量化水平越高。

式中:

D——名义密度;

M——整备质量;

V——名义体积;

其中名义体积计算如下式:

V=[(B×H)]+[(L-B) ×0.5×H] ×W

式中:

H——车身高度;

B——轴距;

W——车身宽度;

L——车身长度;

Model 3对比Model S整备质量下降了约300kg,从名义密度上看Model 3的整车轻量化处于中等水平,虽然有所改善,但优势并不明显。

图4 Model 3与竞品车名义密度对比散点图

(3)整车轻量化指数

通过引入整备质量、名义体积、百公里综合电耗和电机指标,定义电动乘用车轻量化指数Lev,整车轻量化指数越小的车辆轻量化水平越高。

式中:

Lev ——电动汽车整车轻量化指数;

Mev——电动汽车整备质量,kg;

V ——名义体积,m3;

A ——脚印面积,(前轮距+后轮距)/2╳轴距,m2;

P ——电机峰值功率(所有驱动电机峰值功率之和),kw;

Y ——电能消耗量,kwh/100km;

Model 3对比目前同类轴距EV车型轻量化指数优势明显。

图5 Model 3与竞品车整车轻量化指数对比散点图

综合以上可以看出,Model 3在白车身轻量化系数、整车名义密度、整车轻量化指数三个指标中,整车轻量化指数较为突出。

2. Model 3的整车重量分配

研究Model 3的轻量化,我们首先需要对其整车重量进行分解,并与传统汽油车对比,通过下图可知:

电池作为电动车的能量源占比从0%上升到26.5%,而动力则下降到了10%以下;车身重量占比下降约11%;底盘重量占比下降约2%;电器、内外饰重量占比与传统汽油车基本相当,波动在1%以内。

对比可知,传统汽油车车身重量占比最高,减重潜力最大。但对于电动汽车,由于电池的加入,整车重量分配发生变化,电池与车身重量占比相当甚至超过车身重量,结合国家关于纯电动汽车的补贴政策,电池的轻量化变得愈发重要。

图6 Model 3与传统车整车重量分配对比图

3. Model 3轻量化策略

(1)轻量化路线

Model 3的轻量化由电池包开始,拓展到车身、底盘、电子电器等各个方面,电池减重是其重点。

轻量化路线明确以高性能、高度集成、高轻量化的电池包为主来实现整车减重的目标,并通过高强度的车身进行保护,辅助电器、底盘的轻量化,最终取得了整车较高的轻量化水平,同时平衡了碰撞性能、成本及各方面。虽然从白车身轻量化系数上看车身的轻量化率较低,但其在电池包上进行了突破,使得整车轻量化指数达到理想状态。

电池包:高集成、高性能、高轻量化;

车身:高强度、轻量化、低成本;

电器:高集成、轻量化;

底盘、装饰件:低轻量化;

取得想要的结果:较好的轻量化、较高的性能、卓越的碰撞、较低的成本。

图7 Model 3轻量化路线图

(2)轻量化措施

Model 3的轻量化主要从布置优化、结构优化、新材料、新工艺四个方面实施,具体见下图所示。

图8 Model 3轻量化措施分布图

4. Model 3 E平台轻量化技术

Model 3通过高集成化设计,布局紧凑极限压缩空间,形成高轻量化的E平台;DCDC\OBC\PDU高压3合1集成,重量可降低约25%;高压3合1集成在电池包内,内壳体采用轻而薄的铝材,而与电池包共用外壳体,区别于市场上其他EV车型3合1机舱的布置,实现轻量化的同时也减少了动力电池与3合1之间的布线长度 ;电机和电机控制器、减速器3合1集成化动力总成,重量可降低约20%;慢充和快充共用一对电缆,减少高压电缆的用量,重量可降低约5%。

图9 Model 3E平台轻量化技术分布图

5. Model 3 动力电池轻量化

(1) 高能量密度电芯

大单体设计,提升能量密度的同时可减少电芯数量,与Model S相比,电芯可以减重18kg;电芯数量减少约300颗,装载同等电量的电池需要的组件也会减少,实现轻量化。

Model 3采用的电芯能量密度高达260Wh/kg,在EV车中位居首位。结合上面描述的整车轻量化指数可以看出,在相同的布置空间内使用更高的能量密度的电芯是其轻量化指数降低的决定因素。

图10 Model 3大单体电池示意图

表2 Model 3与竞品车电芯能量密度对比

(2)模组轻量化

大模组设计,提高成组效率,整包4个模组,组件连接件减少,可实现轻量化;

模组封装塑料化;

单侧汇流排设计;

使用低密度的灌封胶(0.65g/cm3)。

图11 Model 3大模组示意图

(3)结构轻量化

Model 3电池箱体轻量化是跟其整车侧面安全防护密切相关的,即电池包侧面防护结构由车身提供,电池包箱体进行了铝合金轻量化设计,并与胶粘剂结合使用;

Model 3的电池包能否满足国标安全测试的要求还不得知,从整车安全角度来看,风险性很小,目前试验结果是碰撞性能卓越。这也是由Model 3的整车安全技术路线决定的,设计时值得借鉴。

表3 Model 3与竞品车下箱体重量对比

6. Model 3在布置上的轻量化

(1)“π”字型前端框架与独特的散热布置相结合

Model 3前端框架采用“π”字型纤维增强塑料结构,对比钣金式前端框架重量下降50%以上;

图12 Model 3前端框架重量对比图

传统车散热器布置上一般都是与前端框架平行摆放,而“π”字型前端框架如用在传统车型上会影响散热器散热面积,但在Model 3上则通过优化布置避免了该问题;

如图13所示,前保险杠采用18.9°导风机构,与散热器冷凝器38°角度布置相互对应,有效的进行冷却散热;冷凝器与散热器外部包覆装饰件,则意味着前端框架形状对散热面积基本无影响;种布置是Model 3轻量化设计亮点之一。

图13 Model 3散热示意图

7. Model 3轻量化在材料选用上的策略

(1)钢铝结合的车身

Model 3放弃了Model S全铝车身的设计理念,回归到了钢铝混合车身设计;

考虑后碰性能对材料要求相对略低,后部采用铝材降低车身重量,同等结构下采用铝材比钢材减重65.60%,减重效果明显;

车门系统除后行李箱盖总成外均采用铝材,而后行李箱盖鸭尾造型不满足铝板冲压要求是其放弃铝材的主要因素;

车身铝合金占比下降至21.18%,对比同类车型铝占比处于中高水平;

降低铝材比重的同时,PHS和UHSS钢板占比有了较大提升,可达到车身重量的15.23%,同类车型中对比处于中等水平;

前端框架采用纤维增强塑料,占比约为0.29%。

图14 Model 3材料分布示意图

图15 Model 3与竞标车材料占比对比图

总的来说Model 3车身的材料应用比例既能起到轻量化的作用又能控制成本,较为合理。

(2)高压铝导线

除了车身外,电器等部件也均采用了轻质材料进行减重,如高压铝导线,与相同载流量的铜导线相比,可减重约1/5的重量,且铝导线的成本比铜导线的低。高压铝导线的制作工艺如超声波焊接、激光焊接都已经比较成熟,所以采用铝导线既可以减重也可以降本;

如图所示,70mm2铜导线允许电流值等同95mm2铝导线,但铝导线重量可下降21%。

图16 不同材质导线密度对比图

(3)混合材料仪表板管梁

仪表管梁同时配合多种工艺(挤出成型+嵌件注塑+冲压+浇铸成型),较常规钢材管梁重量可降低30%~43%左右。其机构特点为:

横梁主管采用铝合金+塑料材料挤压+二次注塑成型;

多支架集成与常规管梁相比支架数量少;

转向管柱支架采用镁铝合金材料浇铸成型;

其它分支架采用模内嵌件成型,PA6-GF60的改性材料增加支架强度。

图17 Model 3与竞标车仪表管梁材料对比图

(4)前悬架上摆臂树脂填充

Model 3前悬架上摆臂采用单层钣金内部填充树脂方案,在满足强度和NV的性能要求下,重量较钣金拼焊方案降低30%左右,而成本相当。

图18 前悬架上摆臂与传统车重量对比图

8. Model 3工艺上的轻量化

(1)TWB工艺的应用

B柱内板与外板均采用TWB(激光拼焊)工艺,碰撞篇已提到,保证性能的前提下起到了轻量化作用;

对比Model S B柱的钢铝结合,Model 3全部采用钢材以降低成本,虽然材料变化,但采用TWB工艺后B柱重量不升反5.6kg。

图19 Model 3与Model S B柱重量对比图

(2)热成型工艺的应用

Model 3在碰撞吸能位置大量采用了热成型钢材,提升屈服强度的同时降低料厚,达到轻量化作用。

图20 Model 3热成型材分布图

(3)辊压成型工艺的应用

辊压成型工艺在车身上的应用逐渐递增,主要优势是材料利用率高,生产效率高,精度容易控制等,综合成本降低。而Model 3下车体大量采用辊压成型工艺,提供横向支撑的同时轻量化作用明显。

图21 Model 3辊压梁分布图

以地板座椅前横梁为例,辊压件比冲压件重量下降17%以上,同时可满足整车性能要求(具体详见碰撞篇)。

图22 Model 3辊压横梁与竞标车冲压横梁对比图

9. Model 3结构上的轻量化

(1)顶盖前横梁截面优化

为了保证车身轻量化,Model 3在截面上多个位置对比Model S进行了截面优化设计;

顶盖前横梁由宽度180mm降低到了130mm,虽然Model 3选用了钢制材料,重量仅比Model S重0.3kg;

同时截面缩小也增大了视野线角度及全景玻璃透光区范围,品质得到了进一步提升。

图23 Model 3顶盖前横梁腔体优化示意图

(2)敞开式空气室设计

Model 3沿袭了Model S敞开式设计,区别于传统设计取消了空气室下板,由塑料件替代空气室下板进行流水;

空气室下板取消加大了机舱内部布置空间;钢材改为塑料重量可下降40%;

空气室取消设计虽然重量下降,有利于布置,但会对车身扭转刚度不利影响,有利也有弊。

图24 Model 3空气室与普锐斯空气室结构对比图

(3)前后车门无窗框设计

车门采用无窗框设计,整体重量无论对比辊压窗框或是冲压窗框均有明显下降,这也是车门减重的一个重要手段。

图25 不同窗框单位长度重量对比图

(4)车门内板不等厚度优化

前后车门内板均采用不等料厚设计,在Model S的基础上Model 3进行了料厚及结构优化,增加铰链侧内板料厚来优化车门下沉,同时对中部料厚面积较大区域进行了料厚减薄,轻量化明显。

图26 Model 3与Model S车门重量对比图

10.总结

通过本期对Model 3轻量化解析可以发现,其轻量化的思路更注重整车统筹考虑,综合了重量、性能、成本等各个方面,设计理念领先于国内水平。

从整车轻量化布局来看,Model 3以围绕高性能、高度集成、高轻量化的电池包进行搭建E平台,并通过高强度的车身进行保护,辅助电器、底盘的轻量化,最终形成整车轻量化一盘棋,攻守兼备。而国内轻量化一般是制定了重量目标,各个专业相互之间较为独立,达成目标即可,重点不够明确,往往因为某些因素而牺牲减重空间,却又无更好的办法进行弥补,这一点Model 3值得借鉴。

而整车的轻量化措施车身、底盘、装饰件国内外基本一致,但在E平台技术、电池上Model 3则占据优势,高能量高性能的电芯又是其优势中的核心。

综合以上,Model 3减重不是简单的1+1=2,通过Model 3的解析或许我们可以让1+1=5。

希望通过以上分析能在以后设计中给予大家启发。


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