新材料与工艺手册

[车身轻量化] 纯电动汽车车身轻量化研究

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发表于 2019-11-25 10:51:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】[摘 要]纯电动汽车的动力性能和续航能力一直是新能源汽车领域的技术难点,而对这两方面性能起阻碍作用的一个重要因素就是整车的重量。因此本文在综合分析近年来国内外对于纯电动汽车技术和汽车轻量化研究成果的基础上,探讨车身轻量化技术的现状和前景,分析车身轻量化技术对于纯电动汽车发展的必要性,研究纯电动汽车车身轻量化的关键技术,提出通过对车身重要受力部件例如汽车防护梁的结构创新设计,来降低车身质量,提高车身的力学性能,是在现有的技术及工艺水平条件下提高纯电动汽车性能最有效、成本最低的方法。
[关键词]纯电动汽车;车身轻量化;关键技术;结构设计

       新能源汽车技术是目前国内外汽车领域的研究重点,而纯电动汽车作为新能源汽车未来的发展方向,其动力性能、续航里程等方面存在的瓶颈问题,一直是新能源汽车领域的技术难点。纯电动汽车在车身设计方面与传统燃油汽车相比较,对于安全性、平顺性、耐久性等方面都提出了更高的要求,这些要求对纯电动汽车车身设计提出了新的挑战。从安全性来说,因为高压电及复杂变电系统的存在,纯电动汽车对于车身材料的导电性等物理性能要求更为严格;从平顺性来说,包括噪声、震动与声振粗糙度在内的技术参数要求对车身的结构、整车的密封和防水等提出了更高的要求;耐久性也就是续航能力,对于传统燃油汽车来说,有实验数据表明汽车重量降低1%,油耗可降低0.7%,而对于纯电动汽车来说,汽车重量的降低,同样可以延长单次充电的行驶的里程,由于电池及其附加装置等增加了整车的重量,更需要对车身相关结构做特殊设计以降低整车的重量,因此车身轻量化的技术的研究显得尤为重要。


一、车身轻量化技术的现状及前景
       汽车的轻量化,就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。为满足环境保护和节能减排的要求,汽车轻量化的研究已经成为各大汽车企业和研究机构重要的科研课题。目前对于电动汽车轻量化的研究主要集中在四个方面:车身轻量化、电池轻量化、电驱传动总成轻量化和零部件轻量化。汽车轻量化研究的一个重要目标就是车身轻量化的实现,也就是在保证车身的安全性能的基础上,控制车身设计和制造的成本在合理的范围内,降低汽车车身的重量并保证其满足强度和刚度要求。目前针对汽车车身轻量化的研究包括结构轻量化、材料轻量化和工艺轻量化。
       结构轻量化的方法就是通过设计轻量化的结构,在保证同等强度和刚度等力学性能的前提下达到降低车身重量的目的。由于整车 CAE技术的大力发展,针对汽车结构部件的优化设计对于汽车车身轻量化研究意义重大,这方面的研究主要包括针对车身结构造型的小型化、集成化的设计和针对零部件结构的中空化、薄壁化的设计,这两种方法都是通过减少车身覆盖件和车身骨架的数量和重量来实现车身轻量化的目的。目前汽车企业及研究部门针对结构轻量化的研究更多的是在现有材料的使用上减少用量,在设计与造型上进行改良,从而降低车重,而存在的问题是,虽然实现了汽车轻量化的目标但却不得不以降低结构强度和刚度作为代价,因此这样的设计得不偿失,常常不能满足整体优化的目标,所以结构的优化设计应该以解决轻量化与安全性的矛盾为主要目的。
       材料轻量化的方法是在车身的设计和制造过程中使用密度低、强度高的轻量化材料,在保证车身力学性能的前提下,降低整车的重量,例如使用高强度的钢材、低密度的合金材料和塑料材料、复合材料及新型材料等进行车身结构和零部件的设计。轻量化材料既能降低纯电动汽车的整车重量,又能提高其续航能力,但是却受到材料科学的技术发展、工艺能力及试验周期等方面的限制,增加了技术开发的成本,在现有各品牌的汽车设计及生产中虽有广泛应用,但是却很难做到突破。
       工艺轻量化就是运用先进的制造工艺或者特种加工方法,实现传统制造不可能实现的车身零部件结构的生产,在降低车身重量的前提下,节约材料的使用,保证其力学性能的稳定性。目前常用的工艺方法是将不同材质或者不同厚度的材料进行激光拼焊或者通过连续变截面轧制形成车身毛坯材料。
       《中国制造2025》中提出了对于继续支持电动汽车发展的指导思想,确定了汽车低碳化、信息化和智能化的发展方向,倡导对于动力电池、轻量化材料等核心技术进行研发,进行电动汽车关键零部件和整车的完整工业体系创新。所以,车身轻量化的研究既是电动汽车行业发展的需要,也是实现中国强国之路的重要技术途径。

二、车身轻量化对于纯电动汽车发展的必要性
       党的十九大报告中提出了要构建绿色技术创新体系,壮大节能环保产业,科技部也发布了新能源汽车的重大专项,从长远发展、社会效益还是经济效益进行综合考虑,低油耗、低排放的汽车是节约型社会发展的大方向,包含纯电动汽车在内的新能源汽车发展是大势所趋。与传统燃油汽车相比,纯电动汽车因为其特殊的原理及结构,并且受电池技术发展的制约及对于续航里程的要求,车身轻量化是必然的发展方向。
       纯电动汽车与传统燃油汽车相比在结构上最大的区别是动力电池组的存在,目前纯电动汽车常用的动力电池为锂离子电池,并且在能源利用率上,有数据表明只能利用其理论电量的百分之二十到百分之三十,因此,为达到续航能力的要求,电池系统的总体重量都非常高,甚至占整车总质量的百分之三十到百分之四十,在同一个车型并且车身尺寸没有任何变化的情况下,电动车要比传统燃油车重很多。另外在行驶的过程中,传统的燃油汽车由于燃油的逐渐消耗,汽车的总体质量会随之降低,但是纯电动汽车在一次充电的有效行驶周期内,其质量并不发生任何变化,因此电池组的重量对于汽车的续航能力有很大的影响,基于目前电池组技术及研究的现状,暂时无法通过大幅度降低电池组的重量达到汽车轻量化的目的,因此传统和简单意义上的汽车轻量化措施以及电气化技术还不能满足纯电动汽车性能的要求。
       纯电动汽车车身轻量化的根本目的是保持原有或者实现更优越的汽车整体性能,保证零部件、结构和车身的力学性能(强度和刚度)要求及安全性要求,减轻车身及整车重量,提高纯电动汽车的续航能力。车身轻量化设计要从宏观的角度确定设计的目标,并从微观的角度出发,根据设计要求分析零部件或者具体结构的材料及性能,进行力学分析、设计计算及状态模拟,综合分析人机工程、工业设计、成本效益等诸多因素,确定相应的生产工艺。轻量化的研究对纯电动汽车的发展来说势在必行,只有实现了车身轻量化才能降低开发成本,提高性能,从而接近市场需求。

三、纯电动汽车车身轻量化的技术关键
       相比传统意义上的汽车,纯电动车增加了部分功能性结构,同时要求整车重量还要保持在原有的水平,甚至比传统车身更轻,这就需要寻求车身轻量化方面的一些途径。通过国内外相关领域内研究结果及现有的技术现状进行分析,得出以下结论:未来一段时间内实现纯电动汽车车身轻量化的主要途径有三个:新型材料的应用;车身承载结构设计的持续优化;由于新结构和新材料的应用而必须引入的新的制造工艺和方法,本文着重对前两个途径进行论述。
       材料轻量化一直是汽车轻量化实现的主要途径,以往大多数是采用高强度优质钢材、各种合金材料等金属材料和加强工程塑料、碳纤维等非金属复合材料来实现车身的轻量化,经常进行轻量化设计的车身结构部分有车门外板、前机盖、行李箱盖以及传统燃油车的散热水箱、冷凝器等。基于现有的行业技术现状,原有的轻量化材料并不能满足纯电动汽车对于轻量化、安全性和续航能力的三重要求,因此开发新型轻量化材料很必要。因为研发一种新的材料并运用到工程实践当中,需要强大的技术支撑,并且试验的周期相对比较长,因此轻量化新型材料的应用需要突破的技术关键有以下几点:材料的变性、材料复合、虚拟试验技术。材料的变性是指保持并利用材料有利于轻量化技术实现的固有的优点,通过物理或者化学手段改变其不利于轻量化实现的某个或几个性能,在材料的轻量化、力学性能和安全性能等几方面,达到最优化的参数组合。材料的复合是指将几种材料按照一定的比例进行复合加工,突出材料优势互补,在实现轻量化的前提下,满足车身结构的强度和刚度要求。另外,在新材料开发的过程当中,可以引入计算机虚拟技术,进行动态模拟,缩短试验和开发的周期。
       在结构轻量化方面,由于纯电动汽车在动力原理及驱动方式上与传统燃油汽车完全不一样,纯电动汽车与传统汽车相比,没有发动机的存在,因此发动机相关构件不作为轻量化的研究内容,另外因为在行驶的过程中,纯电动汽车并不像燃油汽车那样会产生大量的热能,因此散热结构及部件也不作为轻量化的研究内容。优化设计是将数学中的最优化理论与工程设计相结合,轻量化研究的最终目的并不是简单的减轻车身重量,而是整车结构的安全性。轻量化与安全性的矛盾性一直以来是困扰研究人员的一个问题,技术难点是在实现车身轻量化的同时提高车身结构的抗弯强度、抗扭强度、侧翻强度、碰撞吸能等特性,本文创新性提出利用结构优化设计和有限元分析等方法进行车身承载结构的持续优化理论。该理论的技术关键有以下两个方面:一是通过改进汽车车身结构,或者对其进行薄壁化、中空化、模块化及复合化设计,减少覆盖件等大型结构部件、不承载构件的材料用量,来达到大幅度降低整车重量的目的。在技术手段的实现上,计算机辅助CAD技术及一体化技术对于电动汽车的设计起了重要的作用,可以通过计算机手段准确地对纯电动汽车的实体结构和布局进行分析,确定哪些结构是承载车身大部分重量但却对受力及安全性要求不高的大型结构及覆盖件,对各关键构件板材厚度进行变量分析及计算,建立尺寸参数的轻量化关系式。二是在车身骨架的重要受力部位设置新型工艺结构的保护梁,起到承重、加固和强化的作用,满足安全性要求,针对相关数据进行工程分析及刚度、强度的力学计算,实现保护梁的结构和工艺的优化设计。

四、结论
       通过对纯电动汽车未来发展方向及技术现状和瓶颈的分析,本文提出了基于材料与工艺的车身承载结构持续优化的轻量化方法,实现对车身构件的结构、形状和相互关系进行优化设计和布置,对于优化设计后的车身覆盖件及其保护梁装置可以运用仿真软件ANSYS/CATIA/UG进行虚拟仿真,在结构力学性能、材料疲劳性和安全碰撞等几方面进行分析,从而确保电动汽车的可靠性和安全性,提高整车安全性和续航能力。

来源:《吉利工程技术师范学院学报》;郭淑颖;吉林工程技术师范学院 机械工程学院


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