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        新能源汽車輕量化的關鍵技術

        2019-07-09 23:33:04黃仕利
        時代汽車 2019年6期

        黃仕利

        摘 要:汽車輕量化技術是汽車行業(yè)發(fā)展過程中,無法忽視的一種技術。在中國新能源汽車工業(yè)快速發(fā)展的現(xiàn)在,汽車輕量化已經(jīng)成為新能源汽車發(fā)展過程中的基礎技術。新能源汽車是依靠電池提供動力,在行駛里程方面不占優(yōu)勢,所以減輕汽車重量成為新能源汽車發(fā)展的重中之重。同時在使用輕量化技術之后,可以有效的做到節(jié)能,對車身的耐久性和安全性也有一定程度的提高。新能源汽車輕量化技術的主要組成部分在于激光技術、新材料和電池技術。本文將立足新能源汽車,簡述有關輕量化的關鍵技術。

        關鍵詞:新能源汽車;輕量化;關鍵技術

        隨著科學技術的不斷發(fā)展,新能源汽車逐漸成為汽車行業(yè)的一匹黑馬。新能源汽車以環(huán)保、無污染等特點受到大量關注,但對于新能源汽車的研發(fā)人員來說,他們關注的不是新能源汽車如何,而是如何提高新能源汽車的質(zhì)量,其中輕量化技術是新能源汽車占據(jù)市場的關鍵。

        1 注重新能源汽車輕量化發(fā)展

        在2016年1月23日中國電動汽車百人論壇上,中國科學技術部部長萬鋼明確表示,新能源汽車要向輕量化方向發(fā)展。

        在當時,新能源汽車輕量化發(fā)展概念的提出符合時代發(fā)展規(guī)律。大多數(shù)新能源汽車受制于自身重量,難以提高續(xù)航里程,所以輕量化一直是新能源汽車研發(fā)工作的重點。到今天,新能源汽車在續(xù)航能力上得到了極大的提升,但輕量化依舊是新能源汽車研發(fā)工作的重點,也是電動汽車技術革命中的重要組成部分。

        當然,從全世界的角度出發(fā),新能源汽車輕量化是各國汽車行業(yè)關注的重點,也是各個汽車工業(yè)共同的選擇。對于普通汽車而言,如何保證節(jié)能、環(huán)保和安全是汽車研發(fā)工作的關鍵。新能源汽車在節(jié)能和環(huán)保方面已經(jīng)超出普通汽車數(shù)倍,但是為了保證電力滿足行駛需求,電池包常重達幾百公斤,造成新能源汽車續(xù)航里程極大縮短。

        在汽車輕量化設計上,優(yōu)秀的材料和先進的加工是新能源汽車的優(yōu)勢。從目前的形勢來說,汽車性能、重量、結(jié)構、價格四方面屬于一個系統(tǒng)工程。如何提高汽車性能、減輕重量、優(yōu)化結(jié)構、合理安排價格是一個國家汽車技術提高的關鍵。

        日本汽車企業(yè)在很多年前就已經(jīng)意識到,汽車輕量化可以有效緩解燃油供應矛盾的迫切需求,對尾氣排放的減輕也有一定程度的幫助,同時這也是未來新能源汽車健康穩(wěn)定發(fā)展的必然需求。

        在歐美大陸中,一些頂級車企一直致力于汽車輕量化技術的發(fā)展。其中一個重要原因是歐美各國對尾氣排放逐漸開始變得嚴格起來,例如在歐盟法律中,新登記車輛在尾氣排放需要將CO2的上限限制在均公里130克。

        在各國公司推出新能源汽車后,汽車輕量化越來越受到重視。當盡可能的輕量化車身之后,“里程焦慮”問題將被有效緩解,續(xù)航里程也會有一定提高,這是整體汽車行業(yè)的選擇,也是大時代下汽車行業(yè)的必然選擇。根據(jù)大量實驗,相同動能的情況下,汽車重量每減少10%,行駛里程就增加5.5%。在我國“十三五”計劃期間,汽車行業(yè)也逐漸擺脫傳統(tǒng)的束縛,開始向智能化、輕量化的方向發(fā)展。這無疑都將推動我國新能源汽車在輕量化技術上進一步發(fā)展。

        2 新能源汽車輕量化發(fā)展的關鍵技術

        2.1 新材料、激光技術和電池技術的發(fā)展

        在對新能源汽車進行輕量化的過程中,新材料的使用占據(jù)重要地位。輕量化技術的提升需要依賴新型材料的出現(xiàn)。當材料達到輕質(zhì)、高性能、易成型的特點的時候,新能源汽車輕量化才能走出關鍵的一步。

        在眾多的材料中,車用高性能工程塑料、高強度鋼、碳纖維復合材料、玻璃纖維增強復合材料、擠壓鋁型材、工藝設備、全鋁車身、鎂合金零部件、碳纖維車身都是率先被應用的材料種類。

        2016年,奇瑞新電動車開始進行鋁車身骨架純電動乘用車的研發(fā),項目投資高達15.6億元人民幣。16年10月份,奇瑞推出的車型較以前車型相比,車重減少將近30%,為減排起到積極作用。

        對于新材料的加工,激光技術占據(jù)舉足輕重的地位。尤其是對汽車零部件進行切割時,激光技術顯得尤其重要。

        除開減輕車重,對于電池重量的優(yōu)化也是輕量化技術的關鍵所在。一般新能源汽車所帶有的電池重達幾百公斤,屬于新能源汽車中,技術含量最高的部位。從目前的技術看來,鋰電池是主要的處理對象,其在減輕車身重量方面存在局限。通過科學技術的發(fā)展,電池改造技術已經(jīng)相當先進。例如電池單位容量的提高已經(jīng)能夠做到工程化。在重新排列電池之后,系統(tǒng)能量密度得到提高,這也對電池重量的減輕有著極大的幫助。例如電芯尺寸經(jīng)過研究設計,可以匹配整車,更有效率的放置電池,在不改變電池箱的情況下,提高電芯數(shù)量,實現(xiàn)續(xù)駛里程的提高。例如日產(chǎn)聆風的改造,通過對鋰電池結(jié)構的改造,降低了80千克的車重。

        3 使用碳纖維技術

        在現(xiàn)代新能源技術中,以塑代鋼成為大多數(shù)人的選擇,其中碳纖維屬于新能源汽車中所應用的最具影響力的技術之一。據(jù)了解,碳纖維屬于人工合成,是利用片狀石墨微晶等有機纖維按照纖維軸向方向進行堆砌,通過碳化和石墨化處理而得到的微晶石墨材料。從本質(zhì)上來看,碳纖維具備優(yōu)秀的力學性能,其比重不到鋼材的的1/4,但由碳纖維樹脂組合的復合材料在抗拉強度上,一般都能達到3500Mpa,是鋼材的7倍,其抗拉彈性達到了23000Mpa,遠遠高于鋼材。除此以外,碳纖維的耐腐蝕性、電磁屏蔽性也較為優(yōu)異,所以在實現(xiàn)新能源汽車輕量化中的過程中,碳纖維得到了大量運用。

        在量產(chǎn)車上,碳纖維首次大規(guī)模的應用是在寶馬i3上。據(jù)了解,寶馬i3中的碳纖維復合材料達到300千克左右,主要存在于碳纖維增強復合材料。與寶馬之前的設計相比,i3整體重量減輕250-350kg。在這一次嘗試中,寶馬公司主要運用的是巴斯夫碳纖維材料。

        雖然寶馬率先使用了碳纖維技術,但對于歐美各大整車廠,碳纖維技術的運用依舊處于探索階段,技術都不成熟。而在寶馬嘗試成功之后,碳纖維技術開始快速發(fā)展,其運用率也在不斷增加。現(xiàn)在,各大汽車廠,例如奔馳、通用、福特等都與碳纖維企業(yè)開展各種形勢的合作。

        過去中國對碳纖維年需求達到16000噸,但在國內(nèi),碳纖維生產(chǎn)水平較弱,無法滿足需求,尤其是高端碳纖維的生產(chǎn),國內(nèi)一直沒有明顯的突破。目前主要的高端碳纖維需求來自進口。在新能源汽車開始進軍市場之后,未來三年全球高端碳纖維將面臨極大的缺口。

        在當下,中國碳纖維技術已經(jīng)取得跨越式發(fā)展,尤其是在新能源汽車領域,碳纖維技術得到廣泛運用。奧新新能源汽車公司屬于高新技術企業(yè),在純電動車輛的研發(fā)方面首屈一指。在通過不斷研發(fā)、實踐后,碳纖維新能源汽車開始量產(chǎn)前幾年,該企業(yè)對奧新e25緊湊型A級車產(chǎn)品進行推廣,這一車型與寶馬i3相似,采用大量碳纖維材質(zhì),對乘客艙設計更是使用全碳纖維材料。同時該車型也將智能能源管理系統(tǒng)與各種輕量化車身技術相結(jié)合,與同類型車輛相比,車重減輕將近50%、零部件減少40%。通過實驗,該類車行駛百公里僅耗10度電,續(xù)航里程高達440公里,已滿足日常需求。

        碳纖維以其輕重量、高安全性的特點被廣泛運用于零件。隨著對碳纖維技術的要求逐漸提高,碳纖維快速成型技術已適用大部分零件的生產(chǎn),其生產(chǎn)快速、成本較低的特點也為碳纖維材料的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供幫助。在新能源汽車這一行業(yè)中,碳纖維減重是提高續(xù)航能力的關鍵所在,新能源汽車與碳纖維技術的廣泛運用已經(jīng)形成了新能源汽車制造的一場“革命”。

        4 優(yōu)化結(jié)構設計技術

        汽車生產(chǎn)來源最初的設計。汽車的設計不僅僅決定汽車外貌如何,也決定汽車的作用。在進行汽車設計的過程中,設計者需要注意對汽車進行輕量化的考慮。尤其是在設計成果落實的過程中,安裝人員需要看懂設計圖,盡可能地進行輕量化的安裝。

        汽車輕量化設計的主要目的既是進行“輕量”的分析,使汽車的整體結(jié)構得到優(yōu)化,在設計的過程中,主要使用的是CAD /CAE /CAM一體化技術,它將設計、制作融合到一起,覆蓋整個過程。在使用這項技術之后,汽車的零部件可以得到精簡和輕質(zhì),但汽車本身的壽命和功能并未發(fā)生變化。通過對汽車底盤和動力系統(tǒng)等大型部位的加工后,整體模塊可以做到精簡,也可以更好地實現(xiàn)輕量的目的,同時這是做到節(jié)能、環(huán)保的關鍵。在進行汽車輕量化的過程,有時候這項技術并不能完全滿足汽車整體性能的要求,這時候就需要相關人員通過反演技術和多目標全局優(yōu)化等設計技術進行改良。具體有以下三種表現(xiàn):①在不改變汽車自身剛度和強度的條件下,汽車自身重量主要依靠結(jié)構的優(yōu)化設計來實現(xiàn);②在不改變汽車性能的同時,改變汽車內(nèi)各個部件的尺寸;③通過發(fā)動機前置、超輕懸架等設置方式,可以促使汽車的結(jié)構更加緊湊,而通過發(fā)動機后置、后輪驅(qū)動可以減小汽車體積,實現(xiàn)汽車輕量化。

        總之,新能源汽車的出現(xiàn),對傳統(tǒng)汽車市場產(chǎn)生了極大的沖擊。雖然因為續(xù)航里程的問題,新能源汽車在實際運用上無法達到預期效果,但隨著輕量化技術的不斷發(fā)展,未來汽車市場注定是屬于新能源汽車。而在目前汽車行業(yè)之中,輕量化技術無疑占據(jù)重要地位,需要國內(nèi)外汽車企業(yè)注重這一方面技術的提升。

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