电动汽车与轻量化技术

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1 电动汽车轻量化的意义及要求

汽车轻量化是改善燃油经济性、减少污染物和碳排放的重要措施，世界汽车行业为此做出了诸多努力，取得了很多轻量化的技术成果。但是，相比于传统汽车, 电动汽车对于轻量化的要求更为迫切。因为电动汽车目前能够使用的动力电池的单位比能量与传统汽车使用液体燃料的单位比能量差距巨大（见表1），动力系统（主要是电池）通常占整车总质量的30%-40%。这就决定了电动汽车在与传统汽车同等排放量的单位能耗（电耗量/100 km ）下，不能象传统汽车那样靠一次补充能量来实现长距离的行驶。因此，电动汽车必须在电气化的同时采取比传统意义上的轻量化技术更先进的方法和措施。

汽车轻量化技术方法有很多，是一个系统工程。就电动汽车的轻量化而言笔者认为要从两个重点方向开展工作。一是实现整车30%-40%以上的轻量化——抵消动力系统净增加的质量（适应现有可用的能量比较低的商品化电池）；二是实现电池的轻量化——提高现有电池的能量比或开发新的动力电源。只有这样，才能有效解决电动汽车续驶里程短的问题（见表2）。本文就此进行一些探讨，文中的电动汽车指的是电功率100%的电动车，包括纯电动汽车、增程型插电式电动车和燃料电池电动车。

2 电动汽车的整车轻量化及相关技术

2.1 整车轻量化
整车轻量化的重点在车身和底盘，见表3。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。
由表3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。
这也是当前世界上的纯电动汽车大多是选择A及A0级的小型化汽车为载体的原因。虽然车小了，但续驶里程却仍然不理想。当然，也有选择B、C级车为电动车载体的号称能一次充电跑几百公里的例子，但是单位电耗量严重超标，没有实际运用价值。
而采用以复合材料为车身材料和以轻质金属或碳纤维为车体、底盘材料并辅以相应的结构设计、制造技术为核心的轻量化技术，目前是最现实的选择，见图1。

2.2 车身轻量化
电动汽车车身轻量化的重点应该放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。
（1）铝合金车身
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。我国铝资源丰厚，作为国家战略，应该全力研发并推广全铝车身在电动汽车上的应用，降低对铁矿石资源的依赖。
（2）高强度钢车身

采用高强度钢可以降低钢板厚度，达到减轻车身质量从而实现轻量化目标， 高强度钢因冶炼和加工技术复杂而导致目前其成本居高不下，同样不适宜于入门级的电动车。 部分采用高强度钢加强电动汽车的结构件部分（整车除电池、电机外部分）是一个轻量化的途径，采用高强度钢比例的大小对于轻量化车身和降低车身制造成本是相互矛盾的。

对于采用TRB和TWB 变截面钢板技术的车身，其应用效果和高强度钢车身相似。
（3）改性塑料车身
可生物降解的改性塑料将越来越多地应用到轻量化车身上， 塑料车身的热膨胀系数（CTE）难题得到解决之后， 对比金属车身将显现出明显的技术和市场优势。 预计改性塑料会很快应用到车身，尤其是电动车车身上。见图2。

（4）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%。见图3。

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。汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展，实现整车减重效果可以达到50%以上。宝马汽车公司宣布2013年批量生产“超大城市”电动车的意义不仅在于它是高档品牌推出的电动汽车，更在于它将成为世界上第一款采用碳纤维车身的大批量生产的车。在其他交通工具（包括高档赛车和跑车）上成熟使用碳纤维材料预示着在电动汽车轻量化车身制造上也会有规模化的应用。碳纤维增强复合材料在电动汽车上的应用效果见表4、表5。

毫无疑问，碳纤维复合材料在下个阶段的发展将会瞄准传统汽车和电动汽车，特别是降低环境污染的需求及寻找化石燃料的环保替代产品已经变得更迫切。通过采用碳纤维部件减轻车身质量后，可以使汽车具备更长的行驶距离。

2.3 底盘轻量化
实现轻量化底盘的主要技术途径为采用轻质金属或碳纤维并配以先进结构设计，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。
（1）全铝合金的汽车车体

采用铝合金材料的底盘比钢铁材料为主的底盘其质量减轻幅度较大。 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十kg。

（2）轻量化轮毂
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。




补充内容 (2011-6-24 20:52):
江苏奥新新能源汽车有限公司 作者:史践

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2.4 车用热塑性复合材料
（1）玻璃纤维毡增强热塑性复合材料（GMT）GMT是以玻璃纤维(毡)为增强材料、热塑性树脂为基体，通过加温、加压制成复合材料，是国际上极为活跃的复合材料开发品种，GMT片材在汽车工业中的应用达40多种，主要有座椅骨架、保险杠、仪表板、发动机罩盖、电池托架、脚踏板、地板、护板、后背门、车顶棚、行李托架、遮阳板、备用轮胎架等部件。
（2）长纤维增强热塑性复合材料（LFT）
LFT的组成材料可以是玻璃纤维、芳基纤维、碳纤维、钢纤维和其他能够形成连续纱的纤维，现在广泛应用在汽车工业中。
（3）天然纤维增强热塑性复合材料（NMT）
NMT具有价廉、可回收、可降解、可再生等优点，在汽车工业中的应用目前还局限在汽车内饰件上。
（4）碳纤维增强复合材料
该材料已开始用于制造汽车底盘，具有强度高、耐久性好、可靠性高和减重的优点。

2.5 整车制造新工艺
（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，见图4、图5。

（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，必将带来连接工艺的革新，这便是粘接与铆接技术，其效果不仅超出焊接的强度要求，同时可节省投入成本。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，见图6。

（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，同时伴有环保排污的后顾之忧。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。见图7。

3 电池的轻量化

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）。
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。当然，电池的寿命、一致性和安全性肯定更重要，但是就电动汽车长远的发展和与传统汽车竞争的需要以及满足用户长途运行的要求来说，提高电池的比能量是必须要尽快解决的问题，见图8。

从图8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（见表1），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。氢氧燃料电池是目前公认的终极电源，但是独立“氢”的获取成本、储存技术、铂催化剂的替代、氢气站的建设成本和安全性等经济技术问题的解决似乎还很遥远，若干年后才可以考虑其商品化。
近两年，世界上围绕金属燃料电池的研究论文发表数量是前若干年的总和，这是一个值得注意的动向。认真分析一下，在化学元素表中，“氢”位列第一，氢的理论比能量最高，比液体燃料高（而且氢氧燃料电池的转化效率高）。但是元素表中“氢”下面的轻质金属都可以与“氧”结合成“燃料电池”，也有比液体燃料的高或接近于液体燃料的比能量（见表6）。

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。事实上，国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）。我国北京和上海都有锌空气电池汽车的应用。金属燃料电池可能比氢氧燃料电池更早商品化，同时在制造、使用成本、安全性等方面甚至比锂电池更具优势。金属燃料电池见图9。

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。

另据2010年7月30日 中国经济网报道，欧洲科学家正在开发一种可以存储和释放电能，能够用于汽车部件的复合材料。有朝一日，汽车车身的部件也可以作为车用电池。英国伦敦市帝国理工学院及其欧洲合作伙伴的研究人员目前正在开发一种可以存储和释放电能，并且足够坚固和轻质，能够用于汽车部件的原型材料。正在开发的复合材料是由碳纤维和一种聚合树脂制成的，可以比传统电池更高速地存储和释放大量电力。此外，这种材料不利用化学过程，使其可以比传统电池更快速地充电。另外，充电过程几乎不会造成复合材料的老化，因为它不涉及到化学反应，而传统电池则会在使用一段时间后老化。未来的汽车可以从其车顶、发动机罩盖及车门获得电力，这也将得益于采用轻量化技术措施的新型复合材料。

4 结束语

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。

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