新材料与工艺手册

[轻量化客车] 新能源客车轻量化技术途径研究

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发表于 2020-7-28 10:13:05 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】新能源客车轻量化技术途径研究

王立波

(杨凌职业技术学院,陕西 咸阳 712100)

摘 要:为应对全球气候变化,新能源汽车早已成为我国汽车产业发展的战略举措,而汽车轻量化对降低能源消耗起着重要作用。文章以新能源客车为对象进行研究,通过车身结构优化、轻质材料应用、先进制造工艺和电池系统优化四个途径来对新能源客车轻量化技术进行分析。

关键词:新能源汽车;客车;轻量化


前言

在环境保护要求日益提高、全球气候变暖、节能减排措施日趋严格的背景下,新能源汽车的发展则是目前缓解能源、环境和气候问题较有效的方法之一。我国将新能源汽车发展作为从汽车大国到汽车强国的必由之路,是应对气候变化,推动绿色发展的战略举措[1]。

2015 年5 月29 日,国务院发布的《中国制造2025》(国发[2015]28 号)文件提出,将全面实施制造强国战略,其中新能源汽车作为中国未来十年重点发展领域,继续支持新能源汽车发展,提升动力电池、驱动电机、智能控制、轻量化材料等核心技术,推动新能源汽车的发展,为中国节能和新能源汽车产业发展指明了方向。


1 新能源客车轻量化研究的必要性

汽车轻量化、智能化、电动化和网联化是我国汽车产业的四大发展方向,为达到节能减排的目的,汽车轻量化是主要途径之一。

我国客车车身骨架大多由型钢焊接而成,导致车身质量过大[2]。有数据显示,大客车车身骨架作为客车的主要承载结构,其质量占大客车总质量的30%~40%,新能源客车“三电”系统约占大客车总质量的25%[3][4]。

为了提升新能源客车的性能品质和市场竞争力,提高续航里程,减少电耗,通过对车身结构设计优化、轻量化材料应用、先进制造工艺应用、动力电池系统轻量化技术应用等措施,如图1 所示,降低新能源客车的整备质量。


2 新能源客车轻量化的技术途径2.1 整车结构设计优化

整车结构优化可分为尺寸、形状、拓扑和结构类型优化,尺寸优化和形状优化已经得到广泛的应用,而拓扑优化可满足更高的车身结构轻量化要求[4],在满足车身结构的强度、刚度、安全性的条件下,通过对纯电动客车车身骨架结构拓扑优化设计,车顶骨架拓扑优化分析,车底骨架拓扑优化分析,可实现减重率达20%以上[5]。



图1 汽车轻量化技术的分类



2.2 采用轻量化材料

(1)高强度钢。高强度钢(HSS)是指屈服强度在210-550MPa 之间、抗拉强度在270-700MPa 之间的钢材,而屈服强度超过550MPa 的钢材则称为超高强度钢。高强度钢依然是客车轻量化主要材料,近年来,钢材作为客车车身的主要材料,在满足刚度、强度及防腐能力要求的基础上,通过多种改进技术,钢材的品质和性能大大提高。Q355B、Q700 的矩形钢管的应用,不但可以提高客车车身的强度和刚度,而且可以大大减少车身重量。

(2)轻质合金材料。通过对车身骨架、门、内饰等采用轻质合金材料,在实现车身轻量化、整车降重方面,目前效果最为明显,渐成趋势的铝、镁合金材料的应用。铝、镁合金有优越的强度和轻量化特性、防腐、环保等优异的特点。有数据表明,在车身机构机械性能得到满足的条件下,车身骨架五大片采用铝合金材料,而底骨架为传统的钢结构材料,应用铝合金材料后,整车可减重约560kg,凭借铝、镁合金材料优异特点,现已成为汽车减重的首选材料[6]。

(3)复合材料。主要有玻璃纤维增强材料,碳纤维增强材料,具有重量轻,刚度,强度和耐腐蚀好等优点,在仪表盘、前部保险杠,车身内饰件、侧围内饰衬板、地板及座椅等结构上应用并取得显著效果。有实验表明,通过充分采用复合材料,可明显减少客车质量。


2.3 先进轻量化制造工艺

轻量化制造工艺主要指轻量化车身材料制造和连接的新工艺,新能源客车在轻量化材料应用的同时在制造工艺方面,对轻量化也起到重要的作用,如:金属合金材料的液压成型、热成型、内高压成型及铝合金半固态成型等新型成型工艺[8][9],铆钉车身拼接、混合气MAG 焊、双脉冲MIG 焊、镁合金或铝合金锻压轻量化轮毂合金技术、复合材料成型及“铆接-粘接”等技术的应用,提高了各部件连接强度和车体密封性,减少了加强筋及附属的生产工艺,以及部件的数量和材料消耗都相应的减少,从而降低了整车质量,在轻量化、密封性、抗腐蚀性等方面都可得到改进[10]。


2.4 电池系统优化

新能源客车的核心部件就是动力电池,对整车性能起着直接影响的作用,重量占到客车的20%左右。对于新能源客车而言,安全性最重要,磷酸铁锂电池安全性能符合要求,其循环寿命也是最好,广泛应用在新能源客车上,但是磷酸铁锂电池单体的比能量较低。数据显示,2019 年度新能源客车电池装机量中,磷酸铁锂电池占比为90.3%,在满足其安全性能的前提下,提高动力电池能量密度,降低电池系统重量,将使新能源客车续航里程大大提高。在结构设计方面对电池系统优化,在轻量化材料方面,采用高强度钢,镁、铝合金,纤维复合材料,工程塑料等应用。在成型连接工艺方面,采用激光焊接、热压成型、液压成型、微孔发泡注塑及材料打印等技术。


3 结论

通过以上研究,新能源客车在车身结构设计优化、轻质材料应用、采用先进制造工艺以及动力电池系统优化等方面,对轻量化发展起到了重要作用。我国汽车轻量化研究起步较晚,随着新能源汽车行业发展和国家政策的加持,对企业提出了更高的要求,轻量化核心技术还需要不断进行研究。


参考文献

[1] 工业和信息化部.新能源汽车产业发展规划(2021-2035 年)(征求意见稿)[2019-12-03].

[2] 陈铭年,潘翔,梁霖锋.汽车轻量化是节能环保的有效措施[J].福建工程学院学报,2008,6(S1):26-29.

[3] 王登峰,毛爱华,牛妍妍,魏建华,师雪超.基于拓扑优化的纯电动大客车车身骨架轻量化多目标优化设计[J].中国公路学报,2017,30(02):136-143.

[4] 何志雄,李毅.结构优化设计在客车车身轻量化中的应用[J].机电工程技术,2010,39(05):86-88.

[5] 任诗发.新能源客车轻量化技术评析[J].汽车与配件,2018(21):54- 57.

[6] 康洁,陈玮,张铁,汪沛伟,龚侃.基于铝合金车身结构的连接方法研究[J].汽车科技,2017(02):45-49.

[7] 林标华.基于刚度和强度性能的新能源城市客车车身轻量化研究[J].汽车科技,2019(03):87-91.

[8] 陈辛波,杭鹏,王叶枫.电动汽车轻量化技术研究现状与发展趋势[J].汽车工程师,2015(11):23-28+57.

[9] 马鸣图,易红亮,路洪洲,等.论汽车轻量化[J].中国工程科学,2009,11(9):20-27.

[10] 范军峰,冯奇,凌天钧,等.汽车轻量化与制造工艺[J].机械设计与制造,2009(7):141-143.





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