新能源客車輕量化技術(shù)途徑研究

王立波

摘 要：為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，新能源汽車早已成為我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略舉措，而汽車輕量化對(duì)降低能源消耗起著重要作用。文章以新能源客車為對(duì)象進(jìn)行研究，通過車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕質(zhì)材料應(yīng)用、先進(jìn)制造工藝和電池系統(tǒng)優(yōu)化四個(gè)途徑來對(duì)新能源客車輕量化技術(shù)進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：新能源汽車;客車;輕量化中圖分類號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）10-08-02

Research on Lightweight Path of New Energy Bus

Wang Libo

（ Yangling Vocational and Technical College， Shaanxi Xianyang 712100 ）

Abstract：?In?order?to?face?the?challenges?of global?climate?change， new energy vehicles have long been a strategic measure for the development of China's automobile industry， and vehicle lightweight plays an important role in reducing energy consumption. This paper takes the new energy bus as the object of study， and analyzes the new energy bus lightweight technology through four ways： body structure optimization， light material application， advanced manufacturing process and battery system optimization.Keywords： New energy vehicle; Bus; LightweightCLC NO.： U469.7 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）10-08-02

前言

在環(huán)境保護(hù)要求日益提高、全球氣候變暖、節(jié)能減排措施日趨嚴(yán)格的背景下，新能源汽車的發(fā)展則是目前緩解能源、環(huán)境和氣候問題較有效的方法之一。我國將新能源汽車發(fā)展作為從汽車大國到汽車強(qiáng)國的必由之路，是應(yīng)對(duì)氣候變化，推動(dòng)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措^[1]。

2015年5月29日，國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》（國發(fā)[2015]28 號(hào)）文件提出，將全面實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，其中新能源汽車作為中國未來十年重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，繼續(xù)支持新能源汽車發(fā)展，提升動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、智能控制、輕量化材料等核心技術(shù)，推動(dòng)新能源汽車的發(fā)展，為中國節(jié)能和新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了方向。

1?新能源客車輕量化研究的必要性

汽車輕量化、智能化、電動(dòng)化和網(wǎng)聯(lián)化是我國汽車產(chǎn)業(yè)的四大發(fā)展方向，為達(dá)到節(jié)能減排的目的，汽車輕量化是主要途徑之一。

我國客車車身骨架大多由型鋼焊接而成，導(dǎo)致車身質(zhì)量過大^[2]。有數(shù)據(jù)顯示，大客車車身骨架作為客車的主要承載結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量占大客車總質(zhì)量的30%～40%，新能源客車“三電”系統(tǒng)約占大客車總質(zhì)量的25%^[3][4]。

為了提升新能源客車的性能品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭力，提高續(xù)航里程，減少電耗，通過對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、輕量化材料應(yīng)用、先進(jìn)制造工藝應(yīng)用、動(dòng)力電池系統(tǒng)輕量化技術(shù)應(yīng)用等措施，如圖1所示，降低新能源客車的整備質(zhì)量。

2?新能源客車輕量化的技術(shù)途徑

2.1?整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

整車結(jié)構(gòu)優(yōu)化可分為尺寸、形狀、拓?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)類型優(yōu)化，尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，而拓?fù)鋬?yōu)化可滿足更高的車身結(jié)構(gòu)輕量化要求^[4]，在滿足車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、安全性的條件下，通過對(duì)純電動(dòng)客車車身骨架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，車頂骨架拓?fù)鋬?yōu)化分析，車底骨架拓?fù)鋬?yōu)化分析，可實(shí)現(xiàn)減重率達(dá)20%以上^[5]。

2.2?采用輕量化材料

（1）高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼（HSS）是指屈服強(qiáng)度在210-?550MPa之間、抗拉強(qiáng)度在270-700MPa之間的鋼材，而屈服強(qiáng)度超過550MPa的鋼材則稱為超高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼依然是客車輕量化主要材料，近年來，鋼材作為客車車身的主要材料，在滿足剛度、強(qiáng)度及防腐能力要求的基礎(chǔ)上，通過多種改進(jìn)技術(shù)，鋼材的品質(zhì)和性能大大提高。Q355B、Q700的矩形鋼管的應(yīng)用，不但可以提高客車車身的強(qiáng)度和剛度，而且可以大大減少車身重量。

（2）輕質(zhì)合金材料。通過對(duì)車身骨架、門、內(nèi)飾等采用輕質(zhì)合金材料，在實(shí)現(xiàn)車身輕量化、整車降重方面，目前效果最為明顯，漸成趨勢(shì)的鋁、鎂合金材料的應(yīng)用。鋁、鎂合金有優(yōu)越的強(qiáng)度和輕量化特性、防腐、環(huán)保等優(yōu)異的特點(diǎn)。有數(shù)據(jù)表明，在車身機(jī)構(gòu)機(jī)械性能得到滿足的條件下，車身骨架五大片采用鋁合金材料，而底骨架為傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用鋁合金材料后，整車可減重約560kg，憑借鋁、鎂合金材料優(yōu)異特點(diǎn)，現(xiàn)已成為汽車減重的首選材料^[6]。

（3）復(fù)合材料。主要有玻璃纖維增強(qiáng)材料，碳纖維增強(qiáng)材料，具有重量輕，剛度，強(qiáng)度和耐腐蝕好等優(yōu)點(diǎn)，在儀表盤、前部保險(xiǎn)杠，車身內(nèi)飾件、側(cè)圍內(nèi)飾襯板、地板及座椅等結(jié)構(gòu)上應(yīng)用并取得顯著效果。有實(shí)驗(yàn)表明，通過充分采用復(fù)合材料，可明顯減少客車質(zhì)量。

2.3?先進(jìn)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，新能源客車在輕量化材料應(yīng)用的同時(shí)在制造工藝方面，對(duì)輕量化也起到重要的作用，如：金屬合金材料的液壓成型、熱成型、內(nèi)高壓成型及鋁合金半固態(tài)成型等新型成型工藝^{[8] [9]}，鉚釘車身拼接、混合氣MAG焊、雙脈沖MIG焊、鎂合金或鋁合金鍛壓輕量化輪轂合金技術(shù)、復(fù)合材料成型及“鉚接-粘接”等技術(shù)的應(yīng)用，提高了各部件連接強(qiáng)度和車體密封性，減少了加強(qiáng)筋及附屬的生產(chǎn)工藝，以及部件的數(shù)量和材料消耗都相應(yīng)的減少，從而降低了整車質(zhì)量，在輕量化、密封性、抗腐蝕性等方面都可得到改進(jìn)^[10]。

2.4?電池系統(tǒng)優(yōu)化

新能源客車的核心部件就是動(dòng)力電池，對(duì)整車性能起著直接影響的作用，重量占到客車的20%左右。對(duì)于新能源客車而言，安全性最重要，磷酸鐵鋰電池安全性能符合要求，其循環(huán)壽命也是最好，廣泛應(yīng)用在新能源客車上，但是磷酸鐵鋰電池單體的比能量較低。數(shù)據(jù)顯示，2019年度新能源客車電池裝機(jī)量中，磷酸鐵鋰電池占比為90.3%，在滿足其安全性能的前提下，提高動(dòng)力電池能量密度，降低電池系統(tǒng)重量，將使新能源客車?yán)m(xù)航里程大大提高。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面對(duì)電池系統(tǒng)優(yōu)化，在輕量化材料方面，采用高強(qiáng)度鋼，鎂、鋁合金，纖維復(fù)合材料，工程塑料等應(yīng)用。在成型連接工藝方面，采用激光焊接、熱壓成型、液壓成型、微孔發(fā)泡注塑及材料打印等技術(shù)。

3 結(jié)論

通過以上研究，新能源客車在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、輕質(zhì)材料應(yīng)用、采用先進(jìn)制造工藝以及動(dòng)力電池系統(tǒng)優(yōu)化等方面，對(duì)輕量化發(fā)展起到了重要作用。我國汽車輕量化研究起步較晚，隨著新能源汽車行業(yè)發(fā)展和國家政策的加持，對(duì)企業(yè)提出了更高的要求，輕量化核心技術(shù)還需要不斷進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 工業(yè)和信息化部.新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）（征求意見稿）[2019-12-03].

[2]?陳銘年，潘翔，梁霖鋒.汽車輕量化是節(jié)能環(huán)保的有效措施[J].福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，6（S1）：26-29.

[3]?王登峰，毛愛華，牛妍妍，魏建華，師雪超.基于拓?fù)鋬?yōu)化的純電動(dòng)大客車車身骨架輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國公路學(xué)報(bào)，2017，30?（02）：136-143.

[4]?何志雄，李毅.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在客車車身輕量化中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2010，39（05）：86-88.

[5]?任詩發(fā).新能源客車輕量化技術(shù)評(píng)析[J].汽車與配件，2018（21）：54-?57.

[6]?康潔，陳瑋，張鐵，汪沛?zhèn)ィ徺?基于鋁合金車身結(jié)構(gòu)的連接方法研究[J].汽車科技，2017（02）：45-49.

[7]?林標(biāo)華.基于剛度和強(qiáng)度性能的新能源城市客車車身輕量化研究[J].汽車科技，2019（03）：87-91.

[8]?陳辛波，杭鵬，王葉楓.電動(dòng)汽車輕量化技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車工程師，2015（11）：23-28+57.

[9]?馬鳴圖，易紅亮，路洪洲，等.論汽車輕量化[J].中國工程科學(xué)，2009， 11（9）：20-27.

[10]?范軍峰，馮奇，凌天鈞，等.汽車輕量化與制造工藝[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（7）：141-143.