新能源汽車發展態勢及其輕量化

摘 要：發展新能源汽車尤其是電動汽車已經成為汽車工業健康可持續發展的必然趨勢，而輕量化能夠顯著提升電動汽車的續航能力，推動其進一步發展。在此背景下，綜述了新能源汽車國內外的研發現狀與發展前景，分析了新能源汽車輕量化的重要作用和現階段可適用于新能源汽車輕量化的主要途徑，以及輕質材料在汽車輕量化上的應用前景和關鍵技術。

關鍵詞：新能源汽車 輕量化 輕質材料

中圖分類號：TB303 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（c）-0041-05

Abstract：The research and development of new energy vehicles， especially electrical cars has become an inevitable trend under the healthy and sustainable development of automotive industry. Lightweight can significantly improve the endurance of electric vehicles， and promote its further development. In this context， reviewing the research and development status and development prospects of new energy vehicles all over the world， analyzing the important role of lightweight， the applicable lightweight methods for new energy vehicles， and application prospects and trends of lightweight materials.

Key Words：New energy vehicles； lightweight； light-weight materials

隨著工業的進一步發展，環境問題已經成為世界各國發展需要共同面對的主要難題之一。工業排放導致全球氣候變暖、霧霾等一系列環境問題日趨嚴重，減少燃料排放，發展更加清潔的新能源是環境治理的有效途徑。汽車工業是國民經濟發展的重要產業，同時也是全球碳排放的第二大產業，汽車的節能減排是緩解環境問題，是實現可持續健康發展的關鍵。目前，解決汽車工業應對節能環保問題采取的措施體現在3個方面：一是大力發展以電動汽車、混合動力汽車為代表的新能源汽車；二是開發并制造技術先進的發動機；三是實現汽車整車質量的輕量化[1]。新能源汽車是指采用新型動力系統，完全或主要依靠新型能源驅動的汽車，規劃所指新能源汽車主要包括純電動汽車、插電式混合動力汽車及燃料電池汽車。歐美各國在新能源汽車的研究與發展領域起步較早，其政府也制定了相關法律和政策來推動和保障新能源汽車的發展，通過減免稅收等刺激手段來擴大消費市場，發展較為成熟。我國新能源汽車產業始于21世紀初，現階段在關鍵技術研發、基礎配套設施建設、消費市場規模等方面與歐美等國家還有較大差距，其中電動汽車續航能力的提升是市場應用需要解決的關鍵。傳統燃油車的輕量化可以降低油耗，提升能動性，同樣對于電動汽車而言，輕量化可以有效提高續航能力。現階段，采用鋁鎂合金、高性能鋼、纖維增強熱塑性復合材料等輕質材料是最成熟的輕量化方式。

1 新能源汽車的國內外研究與發展現狀與態勢

1.1 新能源汽車國內外研究與發展現狀

新能源汽車在美國通常被稱為“可替代燃料汽車”，采用乙醇（E85）、CNG（壓縮天然氣）等清潔燃料取代柴油或者汽油作為燃料。2007年公布的可再生燃料標準要求美國汽車能耗的4%必須是可再生燃料，總量大約為47億加侖，這一標準值至2012年將達到75億加侖。圖1[2]是美國燃料乙醇產量、消費和凈出口情況，近年來美國乙醇產量和消費量均處于快速上升中，其主要來源就是汽車替代燃料。除了替代燃料之外，近幾年來美國發展的新能源還包括生物柴油、混合動力、氫燃料、液化石油（LPG）等。新能源汽車的發展與應用離不開政府的政策支持與鼓勵，自1993年美國政府提出“新一代汽車伙伴計劃”以來，推出了大量相關政策，其中大多數針對汽車提升平均的單位油耗行駛里程，以此降低每公里的CO2排放量，這些政策推動新能源汽車技術的創新與推廣，促進了該產業的發展[2]。美國各屆政府都提出了新能源汽車發展的創新政策，2009年奧巴馬政府發動清潔能源革命，將大力發展電動汽車作為實施新能源戰略的重要內容，通過稅收減免和退稅刺激消費來推動插電式混合動力和更節油汽車的銷量。截至2014年12月份，美國插電式混合動力汽車銷量達到119 710輛。政府的推動政策能夠估計和促進新能源汽車的研究與發展，擴大新能源汽車的消費市場。

歐洲更加側重于溫室氣體減排戰略，將滿足日益嚴格的CO2排放限制要求作為發展新能源汽車的主要驅動力。歐洲新能源汽車發展的主要目標在早期以生物質燃料和天然氣為主，在21世紀初期提出到2020年實現23%的石油替代，主要是生物質燃料、CNG以及氫燃料，將溫室氣體排放量降低到至少低于1990年的20%，將能源消耗中可再生能源（生物資源、風力、水力、太陽能）的比例提高到20%。歐洲各國政府也根據本國情況制定了大量的政策和措施來推動新能源汽車的發展與應用推廣。以德國為例，新能源和可再生能源電力立法保障了德國在可再生能源領域的技術領先，近幾年來憑借這一優勢全力推動新能源汽車的發展。2009年8月頒布了“國家電動汽車發展計劃”，目標是至2012年使德國擁有100萬輛電動汽車。2009年德國政府通過的經濟刺激計劃中，很大一部分用于電動汽車研發、“汽車充電站”網絡建設和可再生能源開發。其中插電式混合動氣電動汽車在歐洲迅速發展。

隨著我國經濟社會持續快速發展，群眾購車剛性需求旺盛，汽車保有量繼續呈快速增長趨勢。數據顯示截至2015年底全國民用汽車保有量達到17 228萬輛（包括三輪汽車和低速貨車955萬輛），比上年末增長11.5%，其中私人汽車保有量14 399萬輛，增長14.4%。民用轎車保有量9 508萬輛，增長14.6%，其中私人轎車8 793萬輛，增長15.8%。隨之增長的是汽車能源消耗和排放增長。新能源汽車的研發與產業化是我國建設綠色經濟、實現可持續發展的重要內容。2001年，我國啟動了“863計劃”電動汽車重大專項，涉及的電動汽車包括三類：純電動、混合動力和燃料電池汽車，并以這三類電動汽車為“三縱”，多能源動力總成控制、驅動電機、動力蓄電池為“三橫”，建立“三縱三橫”的開發布局[3]。2015年，“十三五”規劃提出實施新能源汽車推廣計劃，提高電動車產業化水平。新能源汽車研發費用大、成本較高。目前，我國新能源汽車產業發展尚不成熟，與歐美發達國家還有很大的差距，歐美新能源汽車研究與發展的經驗表明，政府的支持和補貼是新能源汽車大規模走向市場的重要因素。目前，我國新能源汽車在大規模走向消費市場的實現中還存在基礎設施配套缺乏、關鍵技術克服以及消費市場尚不成熟等障礙，需要在政府政策大力支持下加快技術自主創新的步伐，增強核心競爭力。

1.2 新能源汽車國內外研究與發展態勢

目前，各國都在大力發展電動汽車，包括純電動和插電式混合動力。純電動汽車以電動機代替燃油發動機，將電能轉變為動能，在這個過程中單純依靠電能驅動沒有任何有害物質排放，不會污染周圍環境，是解決目前日漸嚴重的溫室效應的重要途徑之一。插電式混合動力汽車，車體同時具備大容量動力電池和汽車專用電動設備，當電池容量儲備足夠時使用電池驅動，當電能低于移動水平時，轉而使用燃油驅動，通過燃油和電能的互相支持，一方面使用電能降低廢氣排放，減少環境污染；另一方面通過燃油提供的強勁動力解決動力電池功率較低的問題。然而對于電動汽車而言，續航能力是其產業化和市場化需要克服的關鍵。電池技術是決定電動汽車續航能力的決定性技術之一，除了電池技術之外，電動汽車的重量也是其續航能力的限制性因素之一。車身質量的降低一方面允許裝配更多的電池；另一方面可以有效提升汽車的能動性。清華大學教授，汽車安全與節能國家重點實驗室主任歐陽明高教授指出，全球新能源汽車發展正在經歷三大技術改革：第一是動力電氣化深入發展，包括動力電池與純電動汽車技術、燃料汽車發動機的不斷進步、插電式混合動力汽車的機電混合裝置的成熟；第二是車輛智能化技術變革；第三是結構輕量化技術變革，從可持續發展的要求出發，汽車輕量化技術的研究已經成為未來汽車發展的必然趨勢[4]。技術的創新和進步是提升汽車燃油動力性，降低消耗，減少污染排放的最有效途徑[5]。

2 新能源汽車輕量化的重要作用及其主要途徑

輕量化是目前汽車實現節能減排的最有效措施，是汽車工業追求健康可持續發展的必經趨勢。數據顯示，汽車的整體質量每降低10%，油耗可降低6%～8%[6]，與此同時，汽車減重不見減少油耗，也減少了大氣中CO2的排放量，車重每減少50%，CO2的排放量就會減少13%，同時也減少了其他有害物質的排放，如，氮化物、硫化物等，對提高環境的質量也起到了很大的作用[7]。在傳統燃油車輕量化技術研究與發展的基礎上，新能源汽車的輕量化可以提高動力性，能夠有效解決續航能力不足，更能平衡輕量化材料導致的成本上升，帶動輕量化的規模，從而推動新能源汽車消費市場的擴大。采用輕質材料是現階段最成熟的輕量化方式，鋁鎂合金、碳纖維增強復合材料已經開始應用，預計未來會更多地應用于新能源汽車。

2.1 輕量化的主要途徑

對于傳統燃油車而言，先進的發動機技術與實現汽車整車質量的輕量化是其節能減排的有效方式。但是目前隨著發動機先進制造技術提升強度的日益增大，輕量化已經成為目前汽車工業實現節能環保目標的最有效措施之一。隨著新能源汽車技術的日益發展和各國政府的激勵政策，以電動汽車為代表的新能源汽車將成為各國解決汽車工業節能減排的必然趨勢。目前在沒有成熟的基礎設施、沒有足夠快的充電方式等條件下，電動汽車發展的瓶頸是續航能力問題，而輕量化能顯著提高電動車的續航能力。汽車的輕量化是指在保證汽車性能按安全性的前提下，實現整備質量的降低。汽車輕量化不僅是車身的輕量化，還包含傳動設備、電池等的輕量化。新能源汽車的輕量化技術可以從結構優化設計、輕量化材料和先進制造工藝3個方面進行[8]。在汽車輕量化材料方面，呈現出多元化的發展趨勢，單一的材料已不足以保證汽車的強度和剛度要求，因此，在未來汽車輕量化材料的解決方案中，更傾向于多種材料的組合，以充分利用各種材料的優勢。此外，通過技術改進降低材料的成本，減少稀缺金屬的使用量，提高材料的利用率，開發兼具更好的環保性和可回收性的新材料，也是當前輕量化材料研究的熱點和發展趨勢[9]。現階段對于傳統車而言，采用鋁合金、鎂合金、高性能鋼、纖維增強復合材料等輕質材料是最成熟的輕量化方法，輕質材料的使用主要有3種模式，分別是結構件以金屬為主，碳纖維等復合材料加強；車體上部是碳纖維等復合材料，底盤為鋁合金材料；金屬和復合材料等多種材料組合。因此，對于新能源汽車的輕量化而言，采用輕質材料是目前成熟度最高、可行性最高的方法。根據文獻[10]研究預測未來5年電動汽車輕量化需求的五大材料，分別是熱塑性復合材料、高性能鋼、熱固性復合材料、鋁合金和鎂合金。

2.2 輕質材料

2.2.1高強度鋼

高強度鋼是指屈服強度介于210～550 MPa和抗拉強度在270～700 MPa的鋼材（簡稱HSS），主要用于制造車身板件和車身結構件。表1列舉了高強度鋼在汽車結構上的應用情況，高強鋼的應用降低了板厚使得汽車結構輕量化，有研究表明，當鋼板厚度分別減小0.05 mm、0.1 mm和0.15 mm時，車身減重分別為6%、12%和18%，可見增加鋼板強度的同時減小板厚是減輕車重的主要途徑[11]。在汽車上應用高強鋼能夠提高汽車的抗凹性、耐久強度和大變形沖擊強度安全性[12]，高強度鋼在抗碰撞性能、加工工藝和成本方面相較鋁鎂合金具有明顯優勢，能夠滿足減輕汽車質量和提高碰撞安全性能的雙重需要，成本經濟性相較鋁鎂合金更高，現階段對于研發成本非常高的新能源汽車而言，高性能鋼是滿足輕量化需求的同時，也是節約成本的最佳選擇。但是目前高強鋼在應用時面臨著成型件的起皺和開裂等問題，這些特點都導致高強鋼在成型時尺寸和形狀精度不良[13]，因此，需要完善高強鋼的成形技術。

2.2.2鋁鎂合金

在全球金屬行業中，鋁的應用排名第二，僅次于鋼鐵，被廣泛地應用于工業生產的各個部門，尤其是汽車行業[14-15]。汽車輕量化的首選材料是鋁合金，研究表明，汽車上每應用1 kg鋁材，可獲得2 kg的減輕效果[16]，鋁合金密度低（2.69 g/cm3），通過冷作強化或者通過熱處理得到高強度。鋁合金本身具有良好的耐腐蝕性、可焊性、易成型性和導熱性等特點，關鍵是鋁合金易于回收再生。目前，發動機、熱交換器、車輪等部件都使用了鋁合金，能夠達到很好的減重效果，表2列舉了不同鋁合金材料在汽車結構上的應用情況。鋁合金是目前應用最多也是最為成熟的輕金屬材料，調查顯示2015年全世界平均每輛汽車上是用鋁合金為150 kg，預計到2020年可能會達到180 kg，新能源汽車將會是鋁合金消費的主要來源[17]。但是鋁合金在汽車上的應用與鋼材還存在差距，力學性能低于鋼材且成本高于鋼材限制了鋁合金在汽車上的應用發展。隨著能源危機問題以及環境污染問題的日益嚴重，汽車的輕量化研究愈將成為熱點問題，而鋁合金材料以其具有的優勢必將在汽車輕量化進程的研究中發揮更加重要的作用[18]。

鎂合金被譽為21世紀最富于開發和應用潛力的“綠色工程材料”，比鋁合金輕36%，比鋼輕77%，是當前工程應用中質量最輕、比強度最高的金屬材料，在航空航天、交通工具及電子產品等領域有很好的應用前景[19]。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震性好，使用鎂合金可以極大地降低車身的質量；極好地阻尼減震性可以吸收振動和噪聲，能夠有效地降低汽車運行時的噪聲，提高舒適性；鎂合金材料能夠百分之百回收利用降低成本[20]。汽車上應用的鎂合金主要是壓鑄件，主要應用于車身和底盤零件，如，儀表盤股價與橫梁、座椅骨架、轉向盤、進氣歧管以及各種支架、罩蓋等[21]。鎂型材、變形鋁合金的應用較少，因為壓鑄鎂合金尺寸精度高、穩定性好。但是變形鎂合金可以獲得更高的強度，更好的延展性及更多樣化的力學性能，可以滿足不同場合結構件的使用要求，因此，開發變形鎂合金是未來更長遠的發展趨勢[22]。然而鎂合金高溫蠕變性能和抗腐蝕性能差[23]等缺點也限制了其在汽車工業中的應用，同時鎂合金在應用時需要解決與鋁合金、鋼等異種材料的連接，鎂合金在實際工程應用中需要機械連接[24]，但是鎂合金采用機械連接常出現疲勞失效、高溫失效和電偶失效[25]。

2.2.3碳纖維增強復合材料

碳纖維增強復合材料（CFRP）是一種高強度的輕量化復合材料，具有力學性能優良、耐疲勞、抗蠕變、材料尺寸穩定、摩擦系數小、振動衰減性能好、熱塑性樹脂成型周期短、可重復利用等優點，可應用于車身和內部各種零件，例如：車身、底盤、保險杠、驅動軸等部件。汽車工業采用碳纖維增強復合材料替代金屬材料是提高汽車性能、實現汽車輕量化的有效途徑之一，選用碳纖維復合材料制作結構件、覆蓋件，可減輕質量達30%左右[26]。隨著碳纖維增強復合材料產業化技術水平的提高，應用成本將會降低，未來會更多地應用于汽車工業，對于相比于傳統車更需要輕量化的新能源汽車而言，碳纖維增強復合材料有更大的應用潛力。現階段碳纖維在增強復合材料在汽車上的應用除了需要解決成本問題之外，急需解決碳纖維增強復合材料與高性能鋼和鋁鎂合金等異種材料的連接技術。由于熱性能、力學性能等方面的差異，異種材料之間采用合適的連接技術是材料在應用中發揮自身性能優勢，保證和優化整體結構強度和性能的關鍵。

但是輕量化不能只追求采用輕質材料，而需要與結構設計結合起來。同時，在結構設計過程中需要采用合適的連接技術將由同種或者不同種材料制成的結構連接起來，在保證及優化整體結構的強度和性能，充分利用各種材料的性能優勢的前提下，盡量滿足不增加連接部位重量，提高生產率和經濟成本。通過多種材料的組合設計使用滿足結構的輕量化需求已經成為一種趨勢，在不同的機械性能需求部位，選擇合適的輕量化材料，一方面保證汽車的安全性能；另一方面最大程度上減輕車體重量，實現節能的效果。

3 結語

新能源汽車的研發與應用是緩解汽車工業資源消耗和環境污染帶來的巨大壓力的有效途徑，現階段，新能源汽車研發難度大，成本高，需要政府的大力支持，各國都制定了大量的相關政策來推動新能源汽車的發展。新能源汽車的輕量化一方面能夠有效地降低車身的重量，提高能動性，降低消耗，提升續航能力。采用高性能鋼、鋁鎂合金、碳纖維增強復合材料等輕質材料是目前汽車工業輕量化最成熟的途徑，材料利用與結構設計需要結合起來，解決異種材料之間的連接技術才能最大力度發揮材料的結構和性能優勢，保證汽車性能和安全性的條件下實現輕量化的目標。優化鋁鎂合金的加工成型工藝、提高碳纖維增強復合材料產業化技術水平能夠平衡新能源汽車研發和輕質材料應用的成本，從而推動新能源汽車的產業化和市場化。

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