新能源汽車輕量化技術(shù)研究

汪海洪

摘 要：新能源汽車輕量化技術(shù)能夠提升新能源汽車的續(xù)航里程，有力推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。新能源汽車輕量化技術(shù)包括輕質(zhì)材料的應(yīng)用以及輕量化工藝的應(yīng)用。高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料復(fù)合材料都是理想的輕質(zhì)材料;通過內(nèi)高壓成型技術(shù)、熱壓成型技術(shù)、輥壓成型技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)新能源汽車的輕量化制造。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;輕量化技術(shù);輕量化材料

1 引言

2015年5月，國務(wù)院印發(fā)了《中國制造2025》，強調(diào)大力推動包括節(jié)能與新能源汽車在內(nèi)的十個重點領(lǐng)域的突破發(fā)展，明確了新能源汽車作為未來汽車行業(yè)的發(fā)展重點。2016年10月，我國汽車工程學(xué)會組織編織的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》發(fā)布，為推動《中國制造2025》在汽車技術(shù)層面的貫徹實施明晰了發(fā)展路徑。該路線圖從材料、工藝、設(shè)計等方面闡述了新能源汽車輕量化發(fā)展規(guī)劃，可以看出輕量化技術(shù)在新能源汽車開發(fā)中的重要地位。

2 新能源汽車輕量化的意義

新能源汽車中使用了“三電系統(tǒng)”，大大增加了自身質(zhì)量，影響了新能源汽車的制動性能、動力性能、被動安全性、續(xù)航里程以及電力消耗。相關(guān)數(shù)據(jù)研究表示，新能源汽車質(zhì)量降低20%則可以增加5-10%的續(xù)航里程，節(jié)約15-20%的電池成本與日常損耗[1]。因此，新能源汽車的減重需求十分迫切。汽車名義密度是體現(xiàn)輕量化的核心指標，名義密度越大則表明相同體積大小汽車的質(zhì)量越大。當前新能源汽車的名義密度顯著偏大，在短時間內(nèi)無法顯著改善電池能量密度的基礎(chǔ)上應(yīng)用輕量化技術(shù)能夠顯著提升新能源車輛的續(xù)航里程。

3 新能源汽車輕量化技術(shù)

3.1 輕質(zhì)材料的應(yīng)用

新能源汽車實現(xiàn)輕量化中輕質(zhì)材料的應(yīng)用包括以下幾個方面：

第一，高強度鋼。高強度鋼分為普通高強度高以及先進高強度鋼。其中，普通高強度鋼有無間隙原子鋼、高強度低合金鋼，先進高強度鋼有馬氏體鋼、復(fù)相鋼。高強度鋼應(yīng)用在新能源車輛車身結(jié)構(gòu)件中，尤其是車輛安全件的應(yīng)用中是保證汽車輕量化的同時提高汽車安全性能的重要材料。

第二，鋁合金材料。鋁合金比重只有2.68g/cm3，僅為鋼材料比重的30%。在相同彎曲剛度情況下鋼與鋁的厚度比為1.43;在相同彎曲剛度情況下鋁減重潛力高達49.0%。汽車中鋁質(zhì)零件的減重效果理想，可達30-40%，車輛的減重效果可以進一步提升50%。根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，新能源汽車中每應(yīng)用1kg鋁可以讓新能源汽車在使用壽命中減少20kg的尾氣排放[2]。當前我國汽車制造工業(yè)中常見鋁合金應(yīng)用形式有鋁合金鍛件、半固態(tài)鑄造件、金屬模鑄件等，如鋁合金鍛件主要應(yīng)用于新能源汽車中的結(jié)構(gòu)件，如懸架支架、鋁合金車輪等，這些結(jié)構(gòu)件要求較高的強度與的抗疲勞性;半固態(tài)鑄造件用于制造新能源車中強度較高、尺寸較小的鑄件;金屬模鑄件主要用于新能源汽車的電機機殼等。

第三，鎂合金材料。金屬鎂的密度為1.74g/cm3，是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一。鎂合金可以被用作鋼鐵材料的替代，從而有效減輕新能源汽車的自重。在相同彎曲剛度情況下，使用鎂合金替代鋼材料可以減輕61%的重量。在相同彎曲強度的情況下鎂合金可以替代鋼材料減重74%。鎂合金是十分環(huán)保金屬材料，可以實現(xiàn)環(huán)保回收，可持續(xù)利用。雖然當前鎂合金與鋁合金相同還存在一定差距，但鎂合金在新能源汽車輕量化技術(shù)中有著廣闊的發(fā)展前景。當前汽車產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用鎂合金較為成熟的國家與地區(qū)主要為北美、日本、韓國等。我國汽車鎂合金產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)的發(fā)展相對不高，但當前已有20余種汽車零部件可以使用鎂合金進行制造。如行李架骨架、立柱梁可以使用AZ61制造;變速箱殼體可以使用AE44制造;方向盤芯骨、散熱器支架、大燈托座等可以使用AM60B制造[3]。

第四，塑料復(fù)合材料。塑料復(fù)合材料的密度較小，擁有良好的抗腐蝕性，容易成型，車輛中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件使用塑料復(fù)合材料加工簡單，耐沖擊性能好、設(shè)計空間大、外觀多元化、絕熱性能良好，是新能源汽車實現(xiàn)輕量化的重要材料。當前新能源汽車輕量化的發(fā)展趨勢是不斷提升塑料復(fù)合材料的應(yīng)用比例，以塑料替代合金等材料。塑料的比重遠低于鎂合金，是十分典型的輕量化材料。在相同彎曲剛度下，與鋼材料相比PC塑料可以達到35%的減重效果。在相同彎曲強度條件下，塑料復(fù)合材料與鋼材料相比可以減重72%。

3.2 新技術(shù)和工藝的應(yīng)用

第一，內(nèi)高壓成型技術(shù)。內(nèi)高壓成型技術(shù)是將管材作為原材料，在內(nèi)部灌充高壓液體，從而使得沿軸線方向不等界面的復(fù)雜零件實現(xiàn)一次成型。如A車型車架縱梁使用內(nèi)高壓成型，縱梁總長度為4.63m，沿軸線方向為截面結(jié)構(gòu)，截面周長最小為308mm，最大為534mm，可以利用錐形管分若干次數(shù)進行成型制作。內(nèi)高壓成型技術(shù)的應(yīng)用能夠減輕34%的質(zhì)量，提升30%的材料使用率[4]。新能源汽車的副車架、散熱器支架、下擺臂等構(gòu)件都可以使用內(nèi)高壓成型技術(shù)。

第二，熱壓成型技術(shù)。熱壓成型技術(shù)是在一定溫度的模具中進行沖壓并淬火，以完成成型處理并強化相變的一種方法。當前主流應(yīng)用的熱壓成型鋼為硼鋼，成型處理后強度大約為1500MPa。相對傳統(tǒng)沖壓技術(shù)來說，熱壓成型零部件厚度可以降低20%，在提升汽車零部件強度的過程中減少加強板的使用量，從而減輕車身重量。B車型的B柱將原經(jīng)激光拼焊板搭配兩個小加強板的方案轉(zhuǎn)為熱壓成型的B柱加強板，零部件厚度變薄，且減少了兩個小加強板的使用，單側(cè)質(zhì)量減少1.3kg。車輛A、B、C的柱加強板、地板、頂蓋邊梁等零部件都可使用熱壓成型技術(shù)處理。

第三，輥壓成型技術(shù)。輥壓成型采用了多個輥輪作為成型設(shè)備，伴隨著輥輪不斷旋轉(zhuǎn)位置，把鋼帶持續(xù)向前運送的同時順次成型，以得到所需要斷面形狀的一種加工技術(shù)，如圖1所示。車輛中應(yīng)用輥壓成型技術(shù)制成的零部件有門檻梁、地板橫梁、車門窗框等。X車型使的門檻梁應(yīng)用輥壓成型技術(shù)，使用1.4mm的1180MS冷軋高強鋼替代2.0mm的B410LA冷軋結(jié)構(gòu)件鋼能夠降低30%的質(zhì)量，有著良好的減重效果。

4 新能源汽車輕量化發(fā)展建議

當前全球各國都在全力發(fā)展新能源汽車，實現(xiàn)新能源汽車的輕量化。而我國新能源汽車輕量化發(fā)展起步相對較晚，與合資品牌相比在輕量化技術(shù)研究與材料應(yīng)用上都有一定差距，如鋁鎂合金與高分子材料等輕量化材料的應(yīng)用不夠成熟。近幾年伴隨著我國自主新能源車型的開發(fā)以及輕量化技術(shù)的推進，新能源汽車輕量化得到了顯著的發(fā)展。我國新能源汽車輕量化技術(shù)發(fā)展路線計劃在2020年前完成8-15%的減重目標，提升高強度鋼在新能源汽車中的使用比例，全面發(fā)展熱成型加工技術(shù)。同時，注重鋁合金覆蓋件等構(gòu)件的技術(shù)研究，加大塑料復(fù)合材料替代鋼材的比例;在2025年實現(xiàn)減重12-20%的輕量化發(fā)展目標，提升車輛使用鋁鎂合金比例。針對當前新能源汽車輕量化發(fā)展現(xiàn)狀，提出以下建議：第一，全面開放新能源汽車輕量化共性基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究。目前還有部分人群對輕量化的認識依然停留在單純的材料替換以及減輕車輛自重，尚未對輕量化形成全面的理解。因此，在新能源汽車輕量化技術(shù)發(fā)展過程中要深入了解輕量化的表征參數(shù)、參數(shù)的物理意義、輕量化設(shè)計、加工工藝、材料之間的關(guān)系等，全面進行新能源汽車輕量化共性基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究，才能夠有力推動新能源汽車輕量化的發(fā)展。第二，分析不同輕量化結(jié)構(gòu)材料特點，充分發(fā)揮每種輕量化材料的優(yōu)勢，明確汽車輕量化材料在新能源汽車發(fā)展中的價值。針對不同材料的特征選擇輕量化效果良好，性價比高的材料來拓展材料應(yīng)用范圍。第三，建立新能源汽車輕量化數(shù)據(jù)庫。建立重量對標數(shù)據(jù)庫，提升新能源汽車輕量化設(shè)計能力，實時跟蹤新能源汽車輕量化技術(shù)發(fā)展動態(tài)。打造以A2MAC1數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的重量對標庫;探索車輛結(jié)構(gòu)輕量化結(jié)構(gòu)形狀與規(guī)格設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計材料、結(jié)構(gòu)、性能、成本等一體化設(shè)計方法;第四，積極參加全球汽車輕量化技術(shù)交流合作活動，與相關(guān)科研結(jié)構(gòu)開展的信息成果共享。

5 結(jié)束語

在我國社會經(jīng)濟發(fā)展過程中實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展是一項長期的發(fā)展戰(zhàn)略任務(wù)。全面推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展是汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)可持續(xù)發(fā)展，保護生態(tài)環(huán)境的重要技術(shù)路線之一。在發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)中，實現(xiàn)新能源汽車輕量化是十分重要的內(nèi)容，在實現(xiàn)新能源汽車輕量化過程中要全面考慮輕量化材料、輕量化工藝方面的選擇與配合，在不斷的探索研究下實現(xiàn)更高層次的新能源汽車輕量化發(fā)展。

參考文獻：

[1]王帥，孫洋.新能源汽車輕量化技術(shù)路線和應(yīng)用策略[J].汽車實用技術(shù)，2019（10）：46-48+65.

[2]袁博.車身輕量化技術(shù)對新能源汽車性能的提升研究[J].汽車文摘，2019（05）：39-42.

[3]佟國棟.國內(nèi)外鋁鎂材料在汽車零部件上的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].鑄造縱橫， 2008（3）：29-34.

[4]倪紹勇，王金橋，王書，et al.輕質(zhì)材料在純電動汽車輕量化中的應(yīng)用[J].時代汽車， 2016（7）：55-57.