新材料与工艺手册

整车轻量化对新能源汽车的影响

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发表于 2020-1-6 09:18:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化】摘 要: 节能减排是现代社会的主要目标,新能源汽车的日益增长也意味着汽车产业在发生着巨大的变革。目前,电动汽车、混合动力汽车等新能源汽车的续驶里程较传统汽油发动机汽车比,续驶里程、加速性能仍有待提升。因此,在保障安全行驶的条件下,降低整备质量一个必要的手段。本文主要从轻量化所用材质、整车轻量化采取的具体措施和减轻新能源汽车动力电池质量三个方面对新能源汽车的轻量化进行了讨论,更希望新能源产业的发展能够更上一层楼。
关键词: 新能源汽车;轻量化;铝合金材料

当今世界是一个能源需求量大、物质生活水平丰富的时代,但是地球的资源不是取之不尽用之不竭的,因此各个领域都在研究生产生活中的各种环保高效材料。在我们交通运输领域,新能源汽车的诞生便是时代的一种产物,它避免了大规模使用化石燃料所造成的能源短缺,也有效的减少了空气的污染,是目前汽车产业发展的大趋势。众所周知,人类的体重一般是在100kg一下,而汽车的重量则在1t以上,也就是每一次行驶都在消耗着汽车自身的重量,因此减轻汽车自身的重量也是新能源汽车发展的一个必要手段。本文主要从三个方面探讨了整车的轻量化对新能源汽车的影响,提高新能源汽车的应用性能。

轻量化是一个完整的概念,是指汽车在保持原有的行驶安全性、抗震性、耐撞性和舒适性等性能不降低,并且汽车整车的造价不被提高的前提下,合理有效的减轻汽车自身的重量[1]。在2016年1月23日的中国电动汽车百人论坛上,中国科学技术部部长万钢提出,新能源汽车要向轻量化的方向发展[2]。新能源汽车由于设计的原因,往往自身重量较高,在加速和续航里程方面都较传统汽车弱一些,因此降低整车的质量依旧是新能源汽车研发工作的一个重要部分,也是电动汽车革命道路上一个必须砍断的荆棘。

1 国内外轻量化研究现状

欧美、日韩等发达国家的汽车生产企业们对汽车轻量化研究的热情一直只增不减,从1953年制造了第一台纤维增强复合材料汽车GM Corvette后,轻量化材料的选择成为了研究的首选[3]。

在轻量化研究领域,德国的宝马公司称得上是首屈一指的,在2008年他们宣布把CFRP(碳纤维复合材料)带入汽车主流材料;并在2011年的法兰克福车展首次发布i3电动概念车和i8混动概念跑车;随后在2014年,在全球正式上市了批量化生产的i3和i8系列纯电动车,成为碳纤维产品在城用汽车领域的领头羊。

德国大众的奥迪A8L Hybird 采用的混合动力系统的电池组、电机等组件增加了额外的130 kg的重量,不过因其使用了全铝车身框架结构车身,使得整车的质量只有2035 kg; 还有美国的特斯拉电动轿车系列,因其搭载了较沉的电池组,所以必须通过减轻车身质量来控制整车质量,特斯拉的车身95%以上采用铝材,大大提高了整车的续航里程。

国外的轻量化汽车研究如火如荼的时候,我们国内的车厂也在努力将轻量化推入市场。东风E30的车身采用铝合金骨架结构,工程塑料盒复合材料作为车身的覆盖件,整备质量仅有995kg。还有荣威E50纯电动汽车将高强度钢应用到车身重,SMC(片状模塑料)轻量化复合材料做尾门,铝合金做前缓冲梁和一体式座椅骨架,使整车的性能和舒适性大大提升。除了乘用车,我们国内的客车也在朝着轻量化方向发展。比如东风全铝车身混合动力公交车,铝合金车身占总比的40%,与国内同类钢制车身相比,使整车的质量较同类客车减少了15.2%。由此可见,汽车的轻量化的趋势已经势不可挡,无论是纤维复合材料,铝合金材料还是高强度钢材料,都在汽车轻量化领域有着取足轻重的作用。

2 汽车轻量化的材质

近些年来,可以用来减轻汽车重量的新型环保材料总体分为两大类,一类是强度高的材质,比如高强度钢、高强度不锈钢、结构性钢、高强度铸铁和粉末冶金材料等;另一类是质量较轻的材质,比如铝合金、镁合金钛合金、金属基复合材料、非金属基复合材料、复合塑料材质和精细陶瓷等。这些材料由于其自身具有可回收和环保的优点,目前正在被广泛应用于汽车的轻量化领域。

2.1 高强度材质

在高强度材质中,高强度钢和先进高强度钢是汽车轻量化而又保证安全的基础材料;近年来,作为汽车轻量化材料高强度钢和先进高强度钢发展很快,但是为了满足其成形性和高强度的合理匹配,仍然在不断研究新型的材质。除双相钢之外,又出现了以铁素体为基体的 TRIP钢,贝氏体TRIP 钢以及马氏体出现的TRIP 钢等等[1],这些钢都具有良好的成形性和高的力学性能,尤其是高的强塑剂,但其钢材的处理工艺通常较为复杂,如果装备的性能稳定性不良,就会影响到工艺的稳定性;从而影响到的材料性能的稳定性。如何用简单的工艺过程,生产出性能良好的工艺材料,是钢铁生产的企业的重要任务;从这个意义说,处理工艺简单、性能稳定、生产成本低和生产工艺设备成熟,又可以和涂层相结合的连续退火生产的双相钢是有广阔应用前景的钢材,而目前这类钢(不同强度级别)已在汽车行业广泛应用,其内在原因就在于此, 而 TRIP 钢和TWIP 钢在汽车行业生产中的广泛应用尚有待时日,而纳米贝氏体的 TRIP 钢,由于其较高的碳含量所带来的焊接性能、成形性等问题,其生产上应用也有待改进。

2.2 轻质材料

在保证轻量化前提下,高强度材料虽然提高了整车的安全性能,但是它的焊接和热冲压成形工艺技术等方面仍需深入研究。而轻质材料近些年研究较为广泛,其中:镁合金是六方结构,室温只有一个基面滑移系,但在一定的温度下可以开动其它滑移系,通过锻造轧制及挤压可以大幅度提升镁合金的力学性能,但是镁合金的电化学电位在所有的金属材料中是最低的,因此它的腐蚀问题以及腐蚀产生后对疲劳和寿命的影响是人们所担心的关键问题之一。目前应用最广泛的是铝合金材料,铝的密度约是钢的三分之一,强度高、韧性好、耐热耐腐蚀性能好,而且铝的成本较低,因此在全球的金属产业中都受到重用。为了满足铝合金汽车部件的组装,还会将其他元素比如Fe,Mn,Mg,Si,Ti和 Zn等合金成分加入到材质中,来提高整体的性能和性价比。并且,铝元素体现出绿色环保的优势,易回收再利用,有研究表明,国外铝合金的回收利用率达到了80%以上,其中有60%的车用铝合金材质可以成为再生铝,可见它在未来的市场环境中有着较大的发展空间。另外,塑料复合材料在轻质材料中也占有一定的地位,目前已应用的材料包括聚氯乙烯类(PVC 类)、聚碳酸酯圭类(PC类)、聚乙烯类(PE)、聚丙烯类(PP 类)等[1],它们可以应用在汽车内饰、棚顶材质、后备箱材质以及替代行驶系或转向系的部分组件,这样不仅降低了重量,还抵抗了环境中的一些化学腐蚀,也是整车轻量化的主要材质之一。

对比国内外新能源汽车用材和工艺对比:国内新能源汽车与传统燃料汽车相同,多采用以钢为主、铝合金、塑料与复合材料的多材料结构;少数新能源汽车采用以铝合金为主、工程塑料、复合材料和高强钢为辅。而国外新能源汽车有三种工艺路线:中高端车采用以铝合金、CFRP复合材料为主,以工程塑料和高强钢为辅;低端车也采用以钢为主、铝合金、塑料与复合材料的多材料结构;无论是高强度还是轻质材质,在汽车轻量化中都起到了十分重要的作用,更是新能源汽车的主要研究对象,它们的高性价比设计、轻量化部件的加入,大大减少了汽车在人类环境中的能源消耗,更加有效的减少了对环境的污染。

3 如何将新能源汽车整车轻量化

国内外的新能源汽车除了对电池的充放电效能、使用环境和寿命进行研究外,如何减轻汽车的负载也是主要的技术指标。因此,将新能源汽车的材质轻量化成为研究的一个关键因素。那么,汽车的主要构成部件有哪些是可以被轻量化的呢?接下来,我们就从三个方面进行讨论和研究。

3.1 车身和面板的轻量化

首先,车身和面板的质量占汽车总重量的三分之一以上,如果在保证安全性能不降低的情况下,减少车身和面板的重量可以更有效的降低整备质量,提高行驶效率。其中,铝制车身比钢结构车身质量性能提高23%,扭曲刚性提高 74%,抗弯性能提高62%[4],汽车车身板采用了铝合金的材质,除了可以满足标准与规范要求的力学性能和抗腐蚀性能外,铝的特殊属性还可以有良好的可塑性、易焊接性、抗氧化性、喷漆光滑性、表面平整性和抗凹陷性等等,这也是国内众多新能源厂家多采用铝合金作为汽车支撑组件材质的原因。目前对铝合金的研究从铸造铝合金到变形铝合金,再到铝基复合材料等,欧美市场更是“铝化”现象严重,在很多地区铝材的用量逐年提升,德国奥迪在1999年就已经推出了全铝制造的奥迪A2轿车,并且投入了大批量生产,它的车身和面板全面应用了铝的轻量化和环保性,并且90%以上的铝材料可以回收并循环再利用,因此未来汽车铝材的方向还是大有前景。

3.2 内饰的轻量化

现代的汽车更多强调了给驾乘人员的舒适性,因此内饰的美观和环保也是新能源汽车的关注点之一。汽车的内饰主要包括车门内包装饰、车厢的隔板、车棚顶装饰。仪表板总成、扶手、地毯,座椅等零部件,大多数采用金属、木材或塑料作为内饰的主要材料,但是木制品的成本较高,譬如红木、胡桃木等木材更是价格昂贵,如果造成整车的价格上升,非常不利于市场销售,而且从环保的角度来看,过多的宣传和使用木制品也会对植被的保护造成一定的影响,因此木制品作为汽车内饰是小众的。除此之外,金属材质的成本低也常作为车内饰的材料,但是金属材质在手感和舒适度方面较差,因此经常用在价格较低的车型产品中。最后,从轻量化的角度来看,塑料复合材料的使用改变了汽车内饰所用材料的局限性,塑料复合材料的优势有很多,包括制造成本低、可塑性强、质量轻、阻燃性高等等,它可以适应各种车内位置的弯曲和覆盖,整体的美观程度和驾乘人员的手感舒适性较好。因此,内饰的轻量化设计首选材料是塑料复合材料,降低车身质量的同时,还可以提高舒适性和安全性,受到国内外新能源汽车厂商的青睐。

3.3 新能源汽车电池的轻量化

纯电动汽车与传统燃料电池汽车相比,用电机替代了发动机成了汽车的核心部件,而车载动力电池包作为整车的动力来源,也是新能源汽车轻量化的主要研究目标。纯电动新能源汽车的动力电池主要包括燃料电池、三元锂离子电池、铅酸电池和镍氢电池等等。无论哪一种动力电池,都是由动力电池模组、热管理系统、电池包壳体三部分组成的[5]。下面,我们分别从三个方向对新能源汽车电池的轻量化进行讨论。首先,动力电池的模组架是负责安装单体的动力电池,将它们组装在一起,大多数结构是是每个模组架内安装12只或6只电芯,根据车型电池包设计的不同,所安装的电芯数量不同。而每组电芯都配有一套采样板,上面安装保险、插件和BMS的线束。过去的模组架多采用钣金冲压和焊接结构,现在已经普遍采用注塑框架结构,在提高安装的标准化水平同时,大大降低了模组架的质量,达到了轻量化的目的。

其次就是动力电池的热管理系统,主要分为冷却系统和加热系统两种。冷却系统包括冷气直接传导系统、空气压缩冷却系统以及液体循环冷却系统,而大多数的锂离子电池在车辆低速下的升温幅度不超过10℃,并在车辆高速行驶时的温度大概达到20℃左右,因此可以直接通过金属导体的散热就可以将多余的温度导出,所以很多纯电动乘用车基本不需设置冷却系统,帮助实现了整车的轻量化;而纯电动汽车的加热系统在我国东北高寒地区则是比较关键的技术难点,由于寒冷地区的冬季时间较长,车辆长期处于低温环境下,需要利用加热系统为动力电池进行预加热来保证正常启动,而这样的热管理系统的质量占动力电池的比例较高,因此它的轻量化设计也是研究的热点。热管理系统的预加热包括外来电源预先加热、自身电源预先加热、整车存放于温暖房间充电以及动力电池组电热膜包覆四个方面。加热的方式可以选择电池包外包覆保温层和电池模组保温层两种。由于保温系统和加热系统会占据电池包空间,一定程度上降低了电池包能量密度,这也是当前我国北方地区大力推广纯电动车的主要障碍之一。动力电池的热管理系统多采用铝合金和钢板等具有良好的导热性的材料,而铝金属的高性价比和轻质量属性使其成为首选材料,目前市场上的铝焊接结构和铸铝结构应用的较多。

最后一方面就是动力电池的电池包壳体轻量化,首先电池包壳体需要满足:在车辆发生碰撞或动力电池因特殊情况自燃的情况下,气体、火、烟、液体等无法进入驾驶舱内;有足够的空间安装插接器、传感器、线束和熔丝等组件;人员触电防护能够达到标准要求;防护的等级必须在 IP67 以上这些条件。综合考虑,多采用由钣金冲压或钢板焊接的电池包壳体,并进行涂装喷涂等处理。这种电池包壳体具有生产工艺简单、结构强度高、密封性能良好以及防护性高等优点,而唯一的缺点就是重量较大,不太符合我们新能源汽车轻量化的前提条件。所以,对比了钢板材料后,之前也一直强调的铝合金材质再一次关注,它的强耐腐蚀性、高散热性、轻质量性和易回收性特点使其能够在电池包壳体上长久应用[6]。因此,对于新能源汽车动力电池的轻量化设计来讲,主要通过以下这些手段:采用注塑框架结构作为动力电池模组、精简热管理系统、利用玻璃纤维、碳纤维等材料作为电池包上盖、采用铝材作为电池包壳体。从整体上对动力电池的形貌、材质和性能上进行调整,使其在降低质量的同时达到更好的供电效果是新能源汽车轻量化设计的主要目的。

4 轻量化的未来发展趋势

从环境保护和化石燃料有限的角度出发,新能源汽车在汽车领域地位逐年攀升。为了提高新能源汽车的使用效率,降低车身重量是一个关键的因素,因此本文从两个方面探讨了新能源汽车的整车轻量化,包括轻量化所使用的高强度和轻质材质、整车不同部件的轻量化工艺设计等。2015年5月,国务院发布了《中国制造2025》行动纲领,现在是新一轮的科技革命和产业变革与我国加快经济发展方式的历史性交汇时期,而我们的汽车工业必须紧紧抓住这一重大历史机遇,大力推广和使用新型环保材料和轻量化绿色制造工艺,重视汽车轻量化结构优化设计,着力研究和开发汽车材料回收利用技术。创新是新时代的关键词,无论是汽车厂商还是政府机构,都要为我国的汽车轻量化发展提供保障,研发出更适合我国消费者性价比高的轻量化新能源汽车,在世界的舞台上站稳脚跟,稳步向前!

参考文献:

[1]唐见茂.新能源汽车轻量化材料[J]. 新型工业化,2016,1.

[2]黄仕利.新能源汽车轻量化的关键技术[J].时代汽车,2019,7.

[3]刘万双,魏 毅,余木火. 汽车轻量化用碳纤维复合材料国内外应用现状[J]. 纺织导报,2016, 5.

[4]李龙,夏承东,宋友宝,周德敬. 铝合金在新能源汽车工业的应用现状及展望[J].轻合金加工技术,2017,9.

[5]谢世滨. 解析纯电动汽车的动力电池包轻量化[J]. 新能源汽车,2019,13.

[6]方炬,关健鑫. 轻量化与轻金属材料应用[J].中国金属通报,2011,25.




来源:作者:蔚佳彤1 宋书江2;1.吉林交通职业技术学院汽车工程学院 吉林省长春市 130000 2.一汽大众销售有限责任公司 吉林省长春市 130011


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