電動汽車輕量化技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢*

陳辛波 杭鵬 王葉楓

（同濟大學新能源汽車工程中心；同濟大學汽車學院）

我國汽車保有量和銷售量逐年上升，使得我國石油對外依存度逐年上升，節(jié)能降耗已刻不容緩。迫于國家對汽車燃油消耗量逐漸降低的要求，各大汽車廠商紛紛抓緊了對新能源汽車尤其是電動汽車的研制與推廣，電動汽車的銷量正逐漸上升。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動汽車目前所使用的動力電池的比能量比燃油的比能量小很多，且電池的引入大幅增加了汽車的整車質量，這使得電動汽車的續(xù)航里程遠不如傳統(tǒng)燃油汽車，因此加快對電動汽車的輕量化顯得十分迫切。目前，國內(nèi)外對傳統(tǒng)燃油汽車的輕量化做了很多研究，但對于電動汽車輕量化技術的直接研究相對較少，文章在綜合前人對電動汽車輕量化技術研究的基礎上，主要從電池輕量化、電驅傳動總成輕量化、車身輕量化和其他零部件輕量化4個方面對目前電動汽車輕量化技術的研究現(xiàn)狀、輕量化效果和關鍵技術問題進行分析，并提出展望。

1 電動汽車輕量化技術研究現(xiàn)狀

1.1 電池輕量化

目前電動汽車所使用的動力電池可以分為蓄電池和燃料電池2類。蓄電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池等。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動汽車裝備了過重動力電池組件，這使得電動汽車的續(xù)航能力和動力性相形見絀。為此，以提高電池的質量能量比（比能量）和質量功率比（比功率）為目標，實現(xiàn)動力電池的輕量化，是目前電動汽車動力電池研究的重要方向。

鉛酸電池因為采用體積質量較大的金屬鉛作為電極材料，比能量和比功率低是其致命缺點，雖然可以通過增大電極的表面積來提高比功率，但這卻會增加侵蝕速度而縮短電池壽命[1]。通常可以通過輕量化反應容器來提高比能量，再在鉛酸電池活性物質中加入合適的添加劑以提高電池容量壽命[2]。

與鉛酸電池相比，鎳氫電池具有更高的比能量和比功率，如表1所示，且不存在重金屬污染問題，所以在電動汽車動力電池市場更具有競爭力[3]。制約鎳氫電池發(fā)展的主要原因是其在低溫時容量減小，高溫時充電耐受性差以及制造成本較高[4]。為解決在高溫和低溫條件下，鎳氫電池存在比功率下降的問題，可以通過提高金屬氫化物電極表面催化劑的活性、使用合適的添加劑和導電粘結劑及優(yōu)化電池設計等方法來提高鎳氫電池的高速充放電功率和容量[5-6]。

表1 電動汽車動力電池性能指標

鋰電池與鉛酸電池和鎳氫電池相比，比能量和比功率均有所提高，如表1所示，其比能量約為鎳氫電池的2～3倍，是鉛酸電池的4～6倍。鋰電池根據(jù)電極材料不同又可以細分為鈷酸鋰電池、鎳鈷錳三元鋰電池、錳酸鋰電池和磷酸鋰電池等，目前在電動汽車上均有使用，各具優(yōu)勢。

目前已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的電動汽車多采用鋰電池作為動力電池，表2示出部分產(chǎn)業(yè)化純電動汽車動力電池的使用情況。從表2可以看到，國產(chǎn)電動汽車仍以磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池為主要動力電池，三元鋰電池比能量較高，從發(fā)展趨勢上可以看出，未來三元鋰電池將更受青睞。

表2 部分產(chǎn)業(yè)化純電動汽車動力電池性能比較

相比于傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳氫電池及鋰電池等蓄電池，燃料電池具有更高的理論比能量，能夠有效克服傳統(tǒng)電池導致續(xù)航能力不足和輸出功率低的技術瓶頸[7]。燃料電池的輕量化主要集中在雙極板及儲氫設備的輕量化上。雙極板質量要占電池總質量的70%以上，為了減輕電堆的質量和體積，就必須使雙極板降低質量、減小體積，盡量做到小型化與輕量化，這對雙極板的材料選型、流場設計和加工提出了更高要求[8]。此外，尋求儲氫能力更強的輕質材料也是燃料電池輕量化的重點[9]。

1.2 電驅傳動總成輕量化

電動汽車的電驅傳動總成主要包括驅動電機、減速器及傳動軸等零部件，在整車質量中占有較大比重，故電動汽車電驅傳動總成的輕量化顯得十分必要。尤其對于分布式驅動電動汽車，若驅動系統(tǒng)質量偏大將引入較大的非簧載質量，惡化汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性[10-11]。

驅動電機是電動汽車電驅傳動總成的核心部件，其基本要求是體積小、質量輕、轉矩大、效率高及功率大，小型輕量化是驅動電機的發(fā)展趨勢，衡量其輕量化水平的相對指標為功率密度。

“十二五”期間，國家對電動汽車驅動電機功率密度提出的要求是大于2.7 kW/kg；“十三五”期間，驅動電機功率密度的目標是大于3 kW/kg。這對電動汽車驅動電機的高功率密度特性提出了更高的要求。目前，電動汽車上所使用的驅動電機主要有永磁同步電機和交流異步電機2類。表3示出部分電動汽車驅動電機的性能參數(shù)，從表3可以發(fā)現(xiàn)，交流異步電機的工作電壓和轉速都不算高，但其功率密度卻大于永磁同步電機，主要原因是交流電機不使用永磁體材料，質量較小，且交流電機可以自我勵磁，建立遠超永磁體的磁場強度。

表3 部分產(chǎn)業(yè)化電動汽車驅動電機性能比較

高功率密度電機由于高速高頻的特性，與傳統(tǒng)電機在運行特性上有很大的不同。主要特點包括：轉子高速旋轉，額定轉速均在6 000 r/min以上，最高轉速可達10 000 r/min以上，由于轉速較高，使得電機供電頻率很高，在200 Hz左右，最高頻率可達1 000 Hz以上[12-13]；較高的電磁負荷，導致電機單位體積的損耗增大，使得電機各部件的溫升偏高，需要更為有效的冷卻方式[14]。

為提高永磁同步電機的轉矩密度和功率密度，永磁材料多選用剩余磁通密度、矯頑力和最大磁能積較大的永磁材料，考慮電機單位體積損耗很大，溫升很高，為避免發(fā)生退磁的危險，高功率密度永磁同步電機永磁材料宜選用釤鈷永磁體。高功率密度電機轉速是普通電機的幾倍甚至十幾倍，使得電機定子要承受很大的離心力，這對高速轉子結構的機械強度提出了很高的要求。高功率密度永磁同步電機轉子的永磁體多采用內(nèi)嵌式結構，為克服電機運行時繞組產(chǎn)生的電磁力和離心力，可采用無緯帶箍保護轉子[15]。

交流異步電機為了降低電機的鐵耗，通常采用的方法是適當降低鐵心中的磁感應強度，采用高導磁低損耗的鐵心材料，選用較薄的硅鋼片；為了降低定子銅耗，電機線圈應選用高導電率的導線，如銀銅線；為提高電機效率，異步電機轉子材料多選用紫銅；異步電機多采用鑄銅轉子以提高電機功率密度[16-17]。特斯拉汽車驅動異步電機采用冷壓銅條工藝，端環(huán)與整個銅條冷壓在一起，兩端加保護環(huán)固定，使電機轉子能夠承受較高的離心力[14]。

在散熱系統(tǒng)設計上，高功率密度電機多采用強迫風冷和水冷。水冷冷卻效果較好，但結構較為復雜，且會加重驅動系統(tǒng)的質量，不利于輕量化設計，風冷系統(tǒng)結構簡單，通過合理設計能夠達到較好的散熱效果。

提高驅動電機功率密度是實現(xiàn)電動汽車驅動系統(tǒng)輕量化的重要路徑。此外，對電機殼體結構可以進行優(yōu)化設計，采用輕質合金，減輕電機殼體質量；對電機轉子可以采用空心軸結構，在磁路允許的情況下，以轉子鐵心開孔的方式減重[18]。

為實現(xiàn)電動汽車電驅傳動總成的輕量化，集成化設計是一條重要的技術路徑。可以將驅動電機與變速箱集成，驅傳動系統(tǒng)與懸架、轉向系統(tǒng)集成，文獻[19]設計了一體化單擺臂懸架-輪邊減速式電驅動系統(tǒng)，如圖1所示。此系統(tǒng)既有效地抑制了因驅傳動系統(tǒng)帶來的簧下質量負效應，提高了行駛平順性和乘車舒適性，又為整車輕量化做出了貢獻。圖2示出米其林公司研發(fā)的主動車輪，該車輪集成了剎車系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及懸架系統(tǒng)等多個系統(tǒng)，很大程度上減輕了整車質量[20]。

1.3 車身輕量化

汽車車身質量在整車質量中占有相當大的比重，一直以來都是汽車輕量化的重要對象，對電動汽車也不例外，甚至顯得更加重要。由于動力電池的引入很大程度上增加了電動汽車整車質量，使得電動汽車的動力性和續(xù)航能力遠不如傳統(tǒng)燃油汽車，故在電池技術獲得較大突破之前，車身輕量化是一條重要的技術路徑。電動汽車車身輕量化可以通過選用輕量化材料，采用輕量化設計方法，并結合輕量化制造工藝三方面來實現(xiàn)。

1.3.1 輕量化材料

1）高強度鋼。高強度鋼是指屈服強度介于210～550 MPa的鋼材，而屈服強度超過550 MPa的鋼材則稱為超高強度鋼。高強度鋼主要應用于制造車身板件及車身結構件。與普通鋼相比，高強度鋼能夠大幅增加構件的變形抗力，提高能量吸收能力和擴大彈性應變區(qū)。在同等強度等級下，高強度鋼可以通過減薄零件來達到減輕車身質量的目的[21]。

2）輕質合金材料。鋁、鎂、鈦合金材料是目前金屬材料中體積質量較小的輕質合金材料，將其應用于電動汽車車身能夠有效減輕車身質量，降低能耗并提升動力性能[22]。

鋁合金車身具有質量輕、耐腐蝕性好、耐磨性好、比強度高及可回收等優(yōu)點[23]，越來越受到汽車廠商的青睞。相比于傳統(tǒng)的鋼板車身，輕質鋁合金車身可以顯著減輕車身質量30%～40%。此外，鋁合金車身幾乎可以100%回收循環(huán)再利用，這對環(huán)境保護十分有利。

鎂的體積質量只有鋁的2/3，鐵的1/4，在實用構造金屬材料中最輕。鎂合金車身質量輕、比強度高、比剛度高、抗沖擊性好及阻尼減振性好，使用鎂合金可以極大降低車身的質量[24]。鎂制車身板件與傳統(tǒng)鋼材制品相比最多可減重75%。因此，鎂合金車身具有很大的應用潛力。但鎂合金車身研制目前仍存在很多的困難需要克服。鎂合金的沖壓成型工藝還不成熟，這使得制造成本非常高。相比于鋁制板材件，鎂合金車身板件的成本要高出3～4倍。

鈦合金是一種綜合性能十分優(yōu)異的輕質合金材料，具有體積質量小、比強度和比斷裂韌性高、疲勞強度和抗裂紋擴展能力好、低溫韌性良好、抗腐蝕性能優(yōu)異、抗阻尼性能強、耐熱性能好及吸氣性能好等優(yōu)點[25]。鈦合金材料優(yōu)越的性能使其在汽車車身上的應用具有巨大的潛力，目前制約其發(fā)展的主要因素是昂貴的價格。

3）復合材料。復合材料是由2種或2種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，提高材料的綜合性能。復合材料具有體積質量小、比強度和比模量大、耐磨耐蝕性好及加工成型方便等優(yōu)點，正逐步取代金屬材料，在汽車工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。目前復合材料在汽車車身中的應用主要有玻璃纖維增強塑料（GFRP）和碳纖維增強塑料（CFRP），是重要的車身輕量化材料。

目前在汽車車身部件上使用的GFRP材料主要有片狀模壓復合塑料（SMC）、玻璃纖維氈增強熱塑性材料（GMT）和樹脂傳遞模塑料材料（RTM）[26]。

SMC是用低黏度的樹脂復合物浸漬片狀玻璃纖維而制成的片狀模壓塑料復合材料，具有質量輕、設計自由、制件整體性好及耐用性好等優(yōu)點。

GMT是一種以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維氈為增強骨架的復合材料，具有輕質高強、耐腐蝕、易成型、可回收等特點，多用于汽車保險杠材料[27]。某公司采用GMT代替原來的金屬材料制造的運動轎車的保險杠，與原先相比質量降低了近60%。

RTM是在模具型腔中預先放置玻璃纖維增強材料，閉模鎖緊后注入樹脂膠液浸透玻璃纖維增強材料，固化后得到的復合材料[28]。RTM被廣泛應用于車身制造，如頂蓋、側圍外板及行李箱蓋等。

CFRP材料是以各種樹脂、碳、金屬及陶瓷為基體材料的塑料，以樹脂和金屬為基體的復合材料在車身上的應用較為成熟。和其他車身材料相比，CFRP具有諸多優(yōu)勢。CFRP作為車身材料，質量輕和強度大的特點使其在車身輕量化上效果顯著，與鋼材相比，CFRP的體積質量只有鋼材的20%～30%，而硬度卻是鋼材的10倍以上，這使得CFRP車身比鋼質車身減輕50%以上，比鋁質車身減輕約30%。除此之外，CFRP還具有良好的抗疲勞性、碰撞吸能性及制造工藝性，這些優(yōu)點都適應輕量化車身材料的需求。CFRP在電動汽車車身輕量化上已有所應用[29-30]，某公司已經(jīng)成功將碳纖維復合材料應用于電動汽車量產(chǎn)車型，使其車身質量降低300 kg左右。

1.3.2 輕量化設計方法

汽車車身輕量化設計是針對車身結構應用優(yōu)化設計方法，在保證車身結構性能要求的前提下，減少冗余材料，提高材料利用率，從而達到車身輕量化的目的。優(yōu)化設計是將數(shù)學中的最優(yōu)化理論與工程設計相結合，將實際設計問題轉化為最優(yōu)化問題，根據(jù)設計對象不同，結構優(yōu)化設計按設計變量的類型可以分為結構尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓撲優(yōu)化4個層次。

在電動汽車車身輕量化優(yōu)化設計方面，文獻[31]利用有限元軟件，對低地板城市電動客車車架結構進行了有限元分析，并計算了該客車在彎曲、轉彎、制動及扭轉4種工況下的應力，根據(jù)計算結果提出了降低車身質量的方案。文獻[32-33]以提高電動大客車的多種性能指標為目的，在多種工況下對其車身結構進行了優(yōu)化技術問題的分析和研究。文獻[34]針對線性結構與非線性結構拓撲優(yōu)化的不同點進行研究，提出了一種非線性結構的拓撲優(yōu)化方法，同時將該方法應用于電動客車電池艙門的優(yōu)化設計中，取得了較好的效果。

1.3.3 輕量化制造工藝

輕量化制造工藝主要指輕量化車身材料制造和連接的新工藝。車身材料制造方面包括復合材料的片狀模壓成型（SMC）、樹脂轉移成型（RTM）等成型工藝及金屬合金材料的液壓成型、內(nèi)高壓成型、熱成型及鋁合金半固態(tài)成型等新型成型工藝[35-37]。

車身連接新工藝一方面可實現(xiàn)復合材料、輕質合金及高強度鋼等不同車身輕量化材料之間的連接，另一方面可減輕車身質量，實現(xiàn)車身輕量化。中頻焊接能夠焊接高強鋼、帶鍍層鋼板、不銹鋼、鋁合金及異種導熱材料；激光焊接可實現(xiàn)不同型號、異種金屬之間的焊接，尤其適用于超高強度鋼和輕質合金的焊接；特種焊接主要應用于熱塑性汽車復合材料部件；激光拼焊是通過高能量的激光將幾塊不同材質、不同厚度、不同涂層的鋼材焊接成一塊整體板再沖壓生產(chǎn)[38]，可使車身零件數(shù)量減少約25%，車身質量減輕20%，抗扭剛度提高65%，振動特性改善35%，并且增強了彎曲剛度[39]。除了焊接連接技術之外，復合材料之間的連接還多用粘接和鉚接技術。粘接技術是采用高性能結構粘接劑粘接的連接方式，目前常用的汽車復合材料結構粘接劑主要有環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂和丙烯酸樹脂；鉚接技術多采用鉚釘和螺栓，不需要進行表面處理和后續(xù)拋光，可重復拆卸。為了使不同連接方式的優(yōu)勢互補，提高接頭扭轉剛度和疲勞強度、改善密封性及汽車的NVH性能，可以將多種連接方式復合使用，如“鉚接-粘接”，“點焊-粘接”等[40]。

1.4 其他零部件輕量化

目前輕質合金和復合材料是汽車零部件輕量化的主要材料，如用鎂合金或鋁合金鍛壓輕量化輪轂以減輕非簧載質量，可改善加速和操控性能；用鎂合金制造儀表板骨架、座椅、轉向柱部件、中控臺、變速器殼體、轉向盤及電池殼體等[39，41]；利用LFT復合材料能夠承受高強度和高沖擊的特點，制造油門踏板、塑料齒輪變速箱及電器插接盒等；用纖維增強塑料制造的圓簧與傳統(tǒng)鋼制彈簧相比，可以減輕質量40%以上。

2 電動汽車輕量化效果分析

電動汽車輕量化對電動汽車的續(xù)航里程、能耗和電池使用壽命有著重要影響。文獻[42]以某純電動城市客車為輕量化對象，對這三方面的影響進行了實證分析，結果表明電動汽車輕量化能夠有效提高續(xù)航里程、降低能耗、減少電池更換次數(shù)。此外，文章還將電動汽車輕量化收益與燃油汽車進行對比，結果表明電動汽車輕量化效果比燃油汽車更加顯著。文獻[43]對電動汽車輕量化效果進行了分析研究，得出了對電動汽車進行輕量化有利于減小能耗、降低電動車成本、減少能量損失及提高效率的結論。除此之外，輕量化還有利于改善汽車的轉向、加速和制動等操縱性能，有利于降低噪聲和減輕振動[44]。

電動汽車實現(xiàn)輕量化，面臨的重要問題就是安全問題。對大量撞車事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行研究表明，在兩車正面相撞的條件下，乘員死亡的比例（R）（車1的死亡人數(shù)/車2的死亡人數(shù)）與汽車自身質量存在的經(jīng)驗關系為[45]：

式中：m1，m2——車1和車2的質量，kg。

由上式可知，輕量化的確會大大降低汽車的安全性能，但通過使用屈服強度比高的高強度鋼、沖擊能量吸收率高的輕合金及結構泡沫等新材料，能顯著提高汽車的安全性。

3 電動汽車輕量化技術關鍵問題與發(fā)展趨勢

3.1 高比能量和比功率電池

鉛酸電池雖然比能量和比功率較低，但其存在價格上的優(yōu)勢，仍會在低速短途電動汽車上占有一席之地。鎳氫電池雖然具有較高的比能量和比功率，但其制造成本較高，隨著鋰電池的大規(guī)模生產(chǎn)和成本的降低，將會逐漸退出。鋰電池在比能量和比功率上具有顯著的優(yōu)勢，制造成本和大功率鋰電池的安全性是制約其發(fā)展的主要因素。超級電容與鋰電池的綜合使用有利于提高鋰電池的功率密度，采用固體電解質的全固態(tài)電池是解決鋰電池安全問題的重要途徑。對于氫燃料電池，開發(fā)新型更高能量密度儲氫合金以及電池整體結構的優(yōu)化設計是其輕量化技術發(fā)展的關鍵。未來新能源電池如鋰硫電池和石墨烯電池等或許會對電動汽車驅動電池帶來歷史性變革。

3.2 高功率密度電機

一方面，汽車所需求的電機輸出和能量回收功率不斷提高，以滿足不同工況不同車型的需求；另一方面，新型機電一體的傳動系統(tǒng)尺寸受到車內(nèi)空間的限制。這就需要驅動電機向高功率和小尺寸發(fā)展，高功率密度電機成為電動汽車驅動電機的必然選擇。要想進一步提高驅動電機功率密度，需要克服一些技術困難：提高功率密度將導致供電頻率增大，電機鐵耗將大幅增加；提高功率密度，電機單位體積的損耗增大，溫度升高，對永磁體耐熱性和電機散熱性能提出了挑戰(zhàn)；提高功率密度將使得電機轉子的最高轉速增大，轉子材料及結構的機械強度需要得到保證，以保證電機轉子在承受較大離心力的情況下能夠正常運行。電驅傳動總成的集成化是一種趨勢，未來高功率密度輪轂電機的使用將使電驅傳動總成的輕量化水平大幅提高。

3.3 輕量化車身

從輕量化車身材料上看，鎂合金、鈦合金及碳纖維復合材料的工藝要求和制造成本都非常高，尚有許多關鍵技術沒有突破，目前還不太適合電動汽車輕量化車身制造，高強度鋼和鋁合金目前和未來一段時間將是主流的輕量化車身材料。隨著鋁合金在半固態(tài)成型及快速凝固等先進成型技術研究與應用方面取得的突破性進展，未來鋁合金在輕量化車身材料上的優(yōu)勢將更加明顯。

車身結構輕量化設計方面，由于汽車車身結構輕量化設計起步時間不長，缺乏經(jīng)驗，還存在一些技術難點。如有限元分析法主要應用在結構的強度和剛度分析方面，在碰撞、振動及噪聲等方面的模擬分析還有待于積累更多的經(jīng)驗，對車身結構或部件的各項性能指標進行系統(tǒng)分析及優(yōu)化的實例都還處于探索階段；目前的車身結構優(yōu)化一般局限于單目標優(yōu)化設計模式，事實上采用這種模式常常會對多個重要的總體性能指標難以取舍和兼顧，建立整車結構多目標與多工況優(yōu)化模型是今后的研究方向[38]。

4 結論

高比能量、比功率動力電池和高功率密度電機研制將是電動汽車輕量化技術的難題；未來汽車的塑料使用水平將成為其輕量化水平的一個重要標志，高性能塑料以塑代鋼可能會成為一種趨勢，隨著制造工藝的改進和生產(chǎn)成本的降低，碳纖維車身有望大規(guī)模量產(chǎn)使用；先進的生產(chǎn)制造技術，如3D打印技術等，將會給電動汽車輕量化注入新的活力。