新能源汽車節(jié)能技術(shù)第五章—整車結(jié)構(gòu)及輕量化節(jié)能技術(shù)content目錄01新能源汽車輕量化的特點(diǎn)02新能源汽車輕量化技術(shù)03新能源汽車零部件輕量化04新能源汽車輕量化技術(shù)應(yīng)用實(shí)例新能源汽車輕量化的特點(diǎn)015.1、新能源汽車輕量化的特點(diǎn)新能源汽車輕量化特點(diǎn)提升續(xù)航里程提高車輛性能降低制造成本通過減輕車身重量，可以降低車輛的能耗，從而提高新能源汽車的續(xù)航里程，滿足消費(fèi)者對(duì)于遠(yuǎn)程出行的需求。輕量化設(shè)計(jì)有助于減少車輛的慣性阻力，提高加速性能和制動(dòng)性能，使新能源汽車更加靈活和安全。輕量化材料的應(yīng)用可以減少車輛的原材料消耗，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)也有利于減少維修和保養(yǎng)費(fèi)用。5.1.1輕量化可提升續(xù)航里程有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明：電動(dòng)汽車每行駛1km需電池質(zhì)量1kg。也就是說汽車行駛里程要達(dá)到200km，僅汽車電池的質(zhì)量就高達(dá)200kg。國5-1內(nèi)新能源汽車與燃油車的名義密度對(duì)比（緊湊型車）圖5-1為國內(nèi)新能源汽車與燃油車的名義密度對(duì)比?？梢钥闯?，新能源汽車產(chǎn)品的名義密度明顯偏大，因此更需要通過輕量化技術(shù)來平衡使用動(dòng)力電池帶來的質(zhì)量增加。5.1.2輕量化可提升車輛操控性能物體的慣性與質(zhì)量直接相關(guān)。在汽車領(lǐng)域內(nèi)，輕量化可以減輕車輛的質(zhì)量進(jìn)而減小慣性，使得汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更易改變。無論是加速、制動(dòng)，還是其他操控，都是改變車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這意味著在駕駛過程中，輕量化汽車的加速性能、制動(dòng)性能以及操控性能均會(huì)有所提升。一般來說整車質(zhì)量越輕，操縱性能越好，特別是“簧下質(zhì)量”對(duì)整車的操控影響更加明顯?；上沦|(zhì)量主要包括輪胎(包括輪轂)、剎車鉗、減振器、彈簧、懸架擺臂、傳動(dòng)半軸、穩(wěn)定桿等零部件。5.1.3汽車輕量化具有成本優(yōu)勢(shì)輕量化有利于減小新能源汽車能耗、降低成本、減少能量損失。新能源車尤其是電動(dòng)汽車中電池包自重大，導(dǎo)致整車重量高于同級(jí)別燃油車。圖5-2整車質(zhì)量與NEDC續(xù)航里程、能量消耗率的關(guān)系1.輕量化可使電池的電量減少整車質(zhì)量與NEDC工況續(xù)航里程、能量消耗率的關(guān)系如圖5-2所示?？梢钥闯?，減輕整車質(zhì)量，能有效減小整車能量消耗、增加續(xù)航里程。5.1.3汽車輕量化具有成本優(yōu)勢(shì)目前，增加電池包的數(shù)量是提升新能源汽車?yán)m(xù)航里程最常用的措施，但是整車成本也會(huì)線性增加。新能源車尤其是電動(dòng)汽車中電池包重量大，導(dǎo)致整車重量高于同級(jí)別燃油車，如圖5-3所示。輕量化可以有效解決這一矛盾，實(shí)現(xiàn)提升續(xù)航里程的效果。汽車達(dá)到相同的續(xù)航里程，需要的電池包能量更低，因此電池包重量、成本可以進(jìn)一步降低。圖5-3新能源汽車中電池包重量及占整車重量的比例2.輕量化可減少電池?cái)?shù)量5.1.4新能源汽車輕量化的目標(biāo)理論上講，汽車質(zhì)量越輕，慣性就越小。當(dāng)汽車以相同的初速度剎車時(shí)，制動(dòng)器要消耗的能量越小，制動(dòng)減速度越快，制動(dòng)距離越短，汽車主動(dòng)安全性越好。在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，沖擊能量與汽車的質(zhì)量成正比，所以在同等條件下汽車越輕，碰撞時(shí)沖擊能量越小，車身結(jié)構(gòu)的變形、侵入量和乘員受到的沖擊加速度就越小，汽車對(duì)乘員的保護(hù)性能越好、越安全。

圖5-4新能源汽車輕量化的主要目標(biāo)事實(shí)證明，在各種新的設(shè)計(jì)理念、新技術(shù)、新材料和新工藝的集成應(yīng)用下，完全可以實(shí)現(xiàn)安全性、輕量化水平的共同提升。而在采用輕量化技術(shù)的同時(shí)，許多安全技術(shù)也被用在汽車制造中，兩者相輔相成，使得現(xiàn)在汽車安全性和輕量化技術(shù)快速進(jìn)步。新能源汽車輕量化的主要目標(biāo)見圖5-4。新能源汽車輕量化技術(shù)025.2.1材料輕量化技術(shù)

輕量化技術(shù)包括材料技術(shù)、工藝技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)、連接技術(shù)、評(píng)價(jià)技術(shù)等系統(tǒng)集成的綜合工程。輕量化的開發(fā)核心是要在整車整備質(zhì)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)行子系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的分解，進(jìn)而要考慮整體的性能指標(biāo)，包括NVH、加速、制動(dòng)、安全等方面的綜合因素，最后綜合考慮產(chǎn)品成本的控制，以實(shí)現(xiàn)輕量化技術(shù)的合理應(yīng)用。圖5-5新能源純電動(dòng)汽車各系統(tǒng)質(zhì)量占比基于新能源電動(dòng)汽車各系統(tǒng)質(zhì)量占比和輕量化技術(shù)應(yīng)用可行性的分析，車身、三電和底盤系統(tǒng)的質(zhì)量占整車的75%~85%，如圖5-5所示。5.2.1材料輕量化技術(shù)（1）高強(qiáng)度鋼隨著材料科學(xué)的發(fā)展、成形與連接工藝的完善，高強(qiáng)鋼與輕質(zhì)合金在車身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用正在逐漸增多，并在一些量產(chǎn)車型上得到大規(guī)模應(yīng)用。高強(qiáng)度鋼的使用不僅可以有效降低車身重量，還可以提高車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和被動(dòng)安全性，節(jié)省原材料消耗。使用高強(qiáng)度鋼的具體優(yōu)點(diǎn)如下：可以吸收更多的沖擊能量，提高汽車的安全性；可減輕零件的重量；可以增強(qiáng)零件表面硬度，提高外表面制件的抗凹陷性能。1.金屬材料5.2.1材料輕量化技術(shù)（2）鋁合金與傳統(tǒng)鋼材相比，鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、易于加工等優(yōu)勢(shì)。作為新型輕量化材料，鋁合金在汽車制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，從車輪等零部件逐漸擴(kuò)展到車身、車門和車蓋。鋁合金雖然具有重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但是要想在大量生產(chǎn)的車身結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，還需要很好地解決如下問題：由于鋁材抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性極限都比鋼低，能否滿足相當(dāng)于鋼車身的安全性、耐久性和NVH性能。由于材料的伸長率大大低于鋼材，零件能否采用沖壓成形的加工方法。由于導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性比鋼高很多，能否采用高速連接的電焊加工方法。鋁的成本是鋼的5~6倍，能否做到將車輛的成本控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。5.2.1材料輕量化技術(shù)（3）鎂合金鎂合金是以鎂為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鎂合金是密度最小的一種金屬材料，約為鋁合金的2/3，其比強(qiáng)度和比剛度都高于鋁合金和鋼。鎂合金因其顯著的減重效果、良好的鑄造和尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)良的抗振性及可回收再生等特性，已成為汽車制造業(yè)最具潛力的結(jié)構(gòu)材料。特別是大力提倡發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的今天，鎂合金是汽車輕量化中取代鋼鐵及部分鋁合金的首選材料，各國也把單車鎂合金用量作為汽車先進(jìn)性的標(biāo)志之一。（4）鈦合金鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鈦的密度為4.5g/cm3，具有比強(qiáng)度高、高溫強(qiáng)度高和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。用α+β系鈦合金制造的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，強(qiáng)度相當(dāng)于45鋼調(diào)質(zhì)的水平，而質(zhì)量可以降低30%；β系鈦合金經(jīng)強(qiáng)冷加工和時(shí)效處理，強(qiáng)度可達(dá)2000MPa，可用來制造懸架彈簧、氣門彈簧和氣門等，與拉伸強(qiáng)度為2100MPa的高強(qiáng)度鋼相比，鈦彈簧可降重20%。由于鈦的價(jià)格昂貴，只有賽車和個(gè)別豪華車上有少量應(yīng)用。5.2.1材料輕量化技術(shù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有良好的力學(xué)性能、抗疲勞與耐腐蝕特性以及優(yōu)異的減重效果，被視為新一代汽車輕量化材料。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是以纖維為增強(qiáng)體，熱塑性或熱固性樹脂作為基體的復(fù)合材料。常用于汽車零部件制造的FRP主要包括：碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、玄武巖纖維復(fù)合材料、天然纖維復(fù)合材料等。2.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3.塑料和復(fù)合材料為滿足輕量化、防腐、美觀性等要求，應(yīng)用于車身輕量化的非金屬材料主要有工程塑料和復(fù)合材料兩類。工程塑料主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等，具有密度低、防腐、防震效果好、成型優(yōu)良等特點(diǎn)，廣泛用于保險(xiǎn)杠、翼子板及整車內(nèi)外飾等汽車零部件；復(fù)合材料由兩種或兩種以上的材料組合，通常由基體和增強(qiáng)體兩部分構(gòu)成，增強(qiáng)材料主要包括纖維類和高分子類材料。由于復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度和較好的耐高溫、耐腐蝕性特點(diǎn)，主要用于汽車懸架、車架等車身構(gòu)件。5.2.2結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一門新興的學(xué)科，研究內(nèi)容是把數(shù)學(xué)規(guī)劃與力學(xué)分析方法結(jié)合起來，以計(jì)算機(jī)為工具，建立的一套科學(xué)、系統(tǒng)、可靠而又高效的方法。汽車結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)是利用CAD、CAE技術(shù)，通過集成化設(shè)計(jì)，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)?、形貌和尺寸?yōu)化來減輕汽車質(zhì)量。車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)涉及多個(gè)性能指標(biāo)，如模態(tài)、剛度、碰撞安全和性能等，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，每項(xiàng)性能又涉及多個(gè)相互矛盾的考察指標(biāo)。圖5-6汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程5.2.2結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)

尺寸優(yōu)化是指在給定結(jié)構(gòu)的類型、材料、布局和外形幾何的前提下，優(yōu)化各個(gè)組成構(gòu)件的截面尺寸，使結(jié)構(gòu)最輕或最經(jīng)濟(jì)。例如對(duì)節(jié)點(diǎn)位置已定的桁架結(jié)構(gòu)求各梁的最優(yōu)截面尺寸、對(duì)幾何形狀已定的平面板結(jié)構(gòu)求各部位的最佳厚度等，如圖5-7所示。1.尺寸優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以按設(shè)計(jì)變量的類型劃分成四個(gè)層次，即結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化和多學(xué)科優(yōu)化。圖5-7尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例5.2.2結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)形狀優(yōu)化是指在結(jié)構(gòu)的類型、材料、布局已定的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)的幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化。例如對(duì)布局已定的桁架的節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)連續(xù)體的邊界形狀進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部開孔的尺寸、形狀進(jìn)行優(yōu)化等，如圖5-8所示。形貌優(yōu)化是形狀優(yōu)化的一種特例，一般指在板形結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的加強(qiáng)肋分布的概念設(shè)計(jì)方法，用于設(shè)計(jì)薄壁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化壓痕，在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)能滿足強(qiáng)度、頻率等要求。形貌優(yōu)化不刪除材料，而是在可設(shè)計(jì)區(qū)域中根據(jù)節(jié)點(diǎn)的擾動(dòng)生成加強(qiáng)肋。2.形狀優(yōu)化圖5-8形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例5.2.2結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)拓?fù)鋬?yōu)化方法是在一個(gè)給定的空間區(qū)域內(nèi)，依據(jù)已知的外載及支承等約束條件，尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳結(jié)構(gòu)材料分配方案，從而使結(jié)構(gòu)的剛度達(dá)到最大或使輸出位移、應(yīng)力等達(dá)到規(guī)定要求的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，是有限元分析和優(yōu)化方法有機(jī)結(jié)合的新方法，如圖5-9、5-10所示。由于拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)自由度大，所以通常用于車身設(shè)計(jì)初期和概念設(shè)計(jì)階段。拓?fù)鋬?yōu)化可以獲得一個(gè)最佳結(jié)構(gòu)布局——最佳的載荷路徑，在這個(gè)最優(yōu)布局的基礎(chǔ)上，可以按照真實(shí)的設(shè)計(jì)需求形成工程設(shè)計(jì)方案，并應(yīng)用更仔細(xì)的尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化工具來優(yōu)化這個(gè)設(shè)計(jì)方案。圖5-9拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)原理圖5-10懸架橫臂拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)案例3.拓?fù)鋬?yōu)化5.2.2結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)4.多學(xué)科優(yōu)化汽車輕量化設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及材料、工藝、結(jié)構(gòu)及性能等多個(gè)學(xué)科的優(yōu)化過程，各個(gè)零部件、子系統(tǒng)及整車質(zhì)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)貫穿整車研制的全過程。通過多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MultidisciplinaryDesignOptimization，MDO)方法可以更為全面地對(duì)汽車零部件和整車系統(tǒng)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。為更好地應(yīng)對(duì)汽車輕量化發(fā)展所面臨的成本、工藝和性能約束及不同系統(tǒng)的復(fù)雜耦合作用等挑戰(zhàn)，未來多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化仍需不斷改進(jìn)優(yōu)化算法，使其求解速度更快、結(jié)果更為可靠，同時(shí)，可通過將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法與傳統(tǒng)的尺寸、形狀及拓?fù)鋬?yōu)化方法融合，充分挖掘產(chǎn)品的性能潛力并進(jìn)一步提升其輕量化效果。5.2.3工藝輕量化技術(shù)制造工藝是輕質(zhì)材料和先進(jìn)結(jié)構(gòu)的基石，確保了各類輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)可以在汽車上應(yīng)用，促進(jìn)了汽車行業(yè)的發(fā)展。輕量化制造技術(shù)指的是以車身輕量化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在綜合考慮所采用輕量化材料的特性和產(chǎn)品控制成本要求前提下而采用的制造技術(shù)。近年來汽車制造工藝不斷涌現(xiàn)并獲得了極大的發(fā)展，汽車制造工藝可分為成型工藝和連接工藝圖5-11先進(jìn)制造工藝三維輥壓成形5.2.3工藝輕量化技術(shù)1.成型工藝輕量化工藝技術(shù)液壓成型技術(shù)三維輥壓成形電磁成形技術(shù)其他成型技術(shù)主要用來加工管件，使之成為具有異型截面的構(gòu)件，代替實(shí)心構(gòu)件。三維輥壓成形是以輕量化和一體化為特征的一種三維空心變截面輕體構(gòu)件的新型輥壓成形技術(shù)。電磁成形是利用電流通過線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，在磁力作用下，使坯料產(chǎn)生塑性變形的一種成形方法。其他成型工藝如半固態(tài)成型、高真空壓鑄、等溫?cái)D壓、等溫鍛造、不等厚度軋制工藝、復(fù)合材料注射成型工藝等。5.2.3工藝輕量化技術(shù)輕量化設(shè)計(jì)中存在一種理念——將合適的材料用在合適的位置，這一理念的促進(jìn)了多種輕質(zhì)材料在整車中的應(yīng)用。汽車連接技術(shù)根據(jù)原理不同可分為焊接連接技術(shù)、機(jī)械連接技術(shù)和膠接連接技術(shù)。其中，焊接連接技術(shù)主要包括激光焊接（LW）、攪拌摩擦焊（FSW）、點(diǎn)焊（SW）等；機(jī)械連接包括自沖鉚連接（SPR）、無鉚沖壓連接、熱熔自攻絲鉚接（FDS）等。如圖5-12所示。2.連接工藝圖5-12典型薄板連接技術(shù)新能源汽車零部件輕量化035.3.1電池系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及輕量化電池系統(tǒng)輕量化可以從電芯輕量化、電池箱體輕量化以及不同類型的電池容器輕量化等方面進(jìn)行研究。電池系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的能量源，給電動(dòng)汽車提供驅(qū)動(dòng)電能，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵核心部分。電池系統(tǒng)主要由電芯、模組、電池管理系統(tǒng)、箱體以及輔助的電子元件、線束等構(gòu)成。電池系統(tǒng)的功率密度、能量密度、使用壽命決定了電動(dòng)汽車的成本和續(xù)航里程，這兩個(gè)方面正是電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油汽車競爭的關(guān)鍵。

在保證電芯安全性不變的前提下，增大電芯能量密度和減輕電芯質(zhì)量是電芯輕量化的主要手段。新能源汽車應(yīng)用的動(dòng)力電池電芯，即單體電池，按照材料分為三種：鉛酸電池、鋰離子電池(磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、錳酸鋰電池和鈦酸鋰電池)和燃料電池。1.電芯的輕量化5.3.1電池系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及輕量化各種類電池發(fā)展特點(diǎn)鉛酸電池作為動(dòng)力電池的應(yīng)用只限于A00級(jí)的電動(dòng)乘用車。鉛酸電池的能量密度較低，且鉛對(duì)環(huán)境有污染，鉛酸電池逐漸被其他電池替代。三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池是新能源汽車中最常用的鋰電池類型。三元鋰電池的能量密度高、低溫性能好、壽命長，因此具有較高的市場(chǎng)占有率。燃料電池具有高效率和低污染的特點(diǎn)，是指將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)裝置，且燃料電池加氫時(shí)間短，在新能源汽車領(lǐng)域具有較大的市場(chǎng)潛力。5.3.1電池系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及輕量化電池的能量密度是指電池的能量與其體積或重量之比。提高電池的能量密度有助于增加電池釋放的能量，從而提升新能源汽車的續(xù)航里程，減少充電次數(shù)和時(shí)間，提高使用便利性，這是新能源汽車技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。提高電池能量密度實(shí)現(xiàn)電池輕量化的方式有很多，具體方案如下：（1）提升正極材料的性能（2）提升負(fù)極材料的性能（3）提升電解質(zhì)的性能（4）提升電芯結(jié)構(gòu)及工藝技術(shù)（5）模組的輕量化（6）熱管理系統(tǒng)輕量化（7）氫燃料電池輕量化（8）電芯輕量化的發(fā)展趨勢(shì)

電池箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是新能源汽車動(dòng)力電池安全、穩(wěn)定及輕量化的重要環(huán)節(jié)。電池箱體作為動(dòng)力電池的承載體，對(duì)動(dòng)力電池的安全工作和防護(hù)起著關(guān)鍵作用，主要用于防止動(dòng)力電池在受到外界碰撞和擠壓時(shí)損壞而產(chǎn)生汽車性能及安全問題。新能源汽車電池包質(zhì)量約占整車總質(zhì)量的20%~30%，電池箱體質(zhì)量占電池包總質(zhì)量的10%~20%，所以電池包殼體自然成為輕量化的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

電池箱體一般由上箱體和下箱體兩部分組成，如圖5-13所示。2.電池箱體輕量化圖5-13電池箱體結(jié)構(gòu)5.3.1電池系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及輕量化隨著制造材料的發(fā)展，為了提高新能源汽車的電池箱體輕量化效果，鋁合金材料、復(fù)合材料(玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料等)受到整車企業(yè)和電池廠家的關(guān)注。特別是鋁合金材料，由于其輕量化效果突出，性能較好，且價(jià)格遠(yuǎn)低于碳纖維復(fù)合材料等，是目前電池箱體輕量化的主要材料。（1）鋁合金電池箱體（2）復(fù)合材料電池箱體5.3.1電池系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及輕量化鋁合金在質(zhì)量方面較鋼優(yōu)勢(shì)明顯，密度僅為鋼的1/3，且因?yàn)榫哂幸准庸こ尚?、高溫耐腐蝕、良好的傳熱性和導(dǎo)電性等特點(diǎn)成為一種理想的電池箱體材料。用復(fù)合材料制作電池箱體能提高電池的絕緣安全性能，同時(shí)起到緩沖吸振作用；另外，復(fù)合材料保溫效果更好，有利于電池?zé)峁芾淼挠行?，使電池溫度一致性得到控制。?）電池箱體輕量化的發(fā)展趨勢(shì)表5-1展示了電池箱體目前的主要用材及成型工藝。表5-1可知，就目前發(fā)展來看，采用鋁合金下箱體和復(fù)合材料上箱體的輕量化方案具有較好的應(yīng)用前景。表5-1電池箱體主要材料及成型工藝隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步以及規(guī)模化生產(chǎn)，碳纖維復(fù)合材料電池箱體的成本有望降低，并得到應(yīng)用。5.3.1電池系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及輕量化5.3.1電池系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及輕量化3.儲(chǔ)氫容器應(yīng)用現(xiàn)狀及輕量化（1）儲(chǔ)氫容器的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

氫燃料電池汽車發(fā)展的主要技術(shù)之一，就是車載儲(chǔ)氫技術(shù)。在氫燃料電池系統(tǒng)中，氫氣的安全儲(chǔ)存是最為關(guān)鍵的技術(shù)，儲(chǔ)氫容器也是存在安全隱患最大的裝置。從技術(shù)條件和目前的發(fā)展現(xiàn)狀看，高壓儲(chǔ)、液化儲(chǔ)氫和金屬氫化物儲(chǔ)氫三種方式更適用于商用要求。高壓儲(chǔ)氫技術(shù)成熟、方便、成本低、產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)好，是目前應(yīng)用最廣泛的一種儲(chǔ)氫方式。液化儲(chǔ)氫的質(zhì)量最小，儲(chǔ)氫罐體積也比高壓儲(chǔ)氫容器小得多。從質(zhì)量和體積上考慮，液化儲(chǔ)氫是一種較為理想的儲(chǔ)氫方式。金屬氫化物儲(chǔ)氫因較高的體積儲(chǔ)氫密度和較高的安全性成為近年來研究的重點(diǎn)，但是由于儲(chǔ)氫容器質(zhì)量大且金屬氫化物對(duì)雜質(zhì)較為敏感、氫氣吸脫附困難等問題，限制了其在汽車上的應(yīng)用。三種儲(chǔ)氫技術(shù)的質(zhì)量諸氫密度及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表5-2。5.3.1電池系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及輕量化表5-2三種儲(chǔ)氫技術(shù)對(duì)比

衡量儲(chǔ)氫技術(shù)性能的主要參數(shù)是體積儲(chǔ)氫密度、質(zhì)量儲(chǔ)氫密度、充放的可逆性、充放氫速率、可循環(huán)使用壽命及安全性等。高壓儲(chǔ)氫是目前較為成熟的車載儲(chǔ)氫技術(shù)，目前已經(jīng)成為氫能儲(chǔ)存和運(yùn)輸領(lǐng)域的主流解決方案。但其質(zhì)量儲(chǔ)氫密度小，還需向著輕量化、高壓化、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的方向發(fā)展。

鋁內(nèi)襯高壓儲(chǔ)氫容器主要由內(nèi)襯、加強(qiáng)層、保護(hù)層、閥座等結(jié)構(gòu)組成，如5-14所示。5.3.1電池系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及輕量化（2）儲(chǔ)氫容器的輕量化圖5-14鋁內(nèi)襯高壓儲(chǔ)氫容器結(jié)構(gòu)1-閥座；2-玻璃纖維復(fù)合材料保護(hù)層；3-碳纖維復(fù)合材料加強(qiáng)層；4-內(nèi)襯電機(jī)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的核心，電機(jī)的性能、效率直接影響電動(dòng)汽車的性能，而電機(jī)的尺寸、質(zhì)量會(huì)影響到汽車的整體效率。5.3.2電機(jī)系統(tǒng)的輕量化1.電機(jī)輕量化設(shè)計(jì)

目前，新能源汽車使用的電機(jī)主要是交流感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)，兩者特點(diǎn)對(duì)比見圖5-15。永磁同步電機(jī)具有功率密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高(約90%~95%)、能耗較低等優(yōu)勢(shì)，但是需要使用昂貴的系統(tǒng)永磁材料；交流感應(yīng)電機(jī)成本較低，劣勢(shì)主要是轉(zhuǎn)速區(qū)間小，效率低，需要性能更高的調(diào)速器匹配。圖5-15交流感應(yīng)電機(jī)與永磁同步電機(jī)特點(diǎn)比較

永磁電機(jī)的輕量化可以體現(xiàn)為在相同工況下減小電機(jī)體積和質(zhì)量，也可以表現(xiàn)為在相同體積和質(zhì)量的情況下提升電機(jī)的性能，其輕量化主要三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：5.3.2電機(jī)系統(tǒng)的輕量化（1）高磁負(fù)荷電機(jī)（2）高電負(fù)荷永磁電機(jī)（3）高速電機(jī)

提升功率密度需要電機(jī)具備更高的磁負(fù)荷。永磁材料性能直接決定電機(jī)磁負(fù)荷的高低。釹鐵硼永磁體的磁能積、磁感應(yīng)強(qiáng)度均高于釤鈷永磁體，在提升電機(jī)磁負(fù)荷方面具有優(yōu)勢(shì)。

永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩由電樞磁場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生。因此，提升電機(jī)的電負(fù)荷也是提升電機(jī)功率密度的有效途徑。

增加電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度、形成高速永磁電機(jī)，是提升轉(zhuǎn)矩密度的有效途徑。高速永磁電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子類型分為內(nèi)置式高速永磁電機(jī)和表貼式高速永磁電機(jī)。電機(jī)控制器作為新能源汽車中連接電池與電機(jī)的電能轉(zhuǎn)換單元，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)的核心。電機(jī)控制器主要包含兩部分，一是IGBT功率半導(dǎo)體模塊及其關(guān)聯(lián)電路等硬件部分，二是電機(jī)控制算法及邏輯保護(hù)等軟件部分。5.3.2電機(jī)系統(tǒng)的輕量化2.控制器

目前，電動(dòng)汽車電機(jī)控制器多采用三相全橋電壓型逆變電路拓?fù)?，部分產(chǎn)品前置雙向DC/DC變換器，以增大電機(jī)端輸入交流電壓，提升高轉(zhuǎn)速下的輸出功率，降低電機(jī)設(shè)計(jì)成本。

但隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)電機(jī)控制器的輕量化提出了更高的要求。

高功率密度是未來電機(jī)控制器的重要技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。采用溝槽柵場(chǎng)終止IGBT與雙面焊接及冷卻技術(shù)，可以提升芯片IGBT器件功率密度。電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)輕量化工作主要圍繞系統(tǒng)化、集成化展開。通過電機(jī)與減速器集成，電機(jī)與控制器集成，或者電機(jī)、減速器和控制器三者集成的方式，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和工藝，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力總成輕量化。目前，電驅(qū)系統(tǒng)的集成以三合一技術(shù)路線為主流，將電機(jī)、電控與減速器集成，整體技術(shù)已經(jīng)較為成熟。5.3.2電機(jī)系統(tǒng)的輕量化3.電驅(qū)系統(tǒng)高集成度設(shè)計(jì)

圖5-16中的輪轂電機(jī)可通過電驅(qū)傳動(dòng)總成集成化來實(shí)現(xiàn)輕量化，輪轂電機(jī)將動(dòng)力、傳動(dòng)、制動(dòng)功能整合于輪轂內(nèi)，底盤結(jié)構(gòu)大幅簡化，節(jié)省車內(nèi)空間提高汽車空間利用率，減輕30%的自身質(zhì)量。圖5-16

輪轂電機(jī)5.3.2電機(jī)系統(tǒng)的輕量化

集成化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展之初，結(jié)構(gòu)形式較為簡單，是將永磁電機(jī)和減速器集成在一起，與車橋結(jié)合形成一體式電驅(qū)動(dòng)橋，如圖5-17所示。從圖5-17中可以看到，雖然該系統(tǒng)的連接部分比較復(fù)雜，但至少實(shí)現(xiàn)了二合一的設(shè)計(jì)，縮短了各部件之間的距離。二合一這種簡單的集成形式，也使得電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。（1）二合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖5-17純電動(dòng)汽車二合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5.3.2電機(jī)系統(tǒng)的輕量化

隨著電驅(qū)動(dòng)集成技術(shù)的不斷演變發(fā)展，三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)，如圖5-18所示。主流電驅(qū)供應(yīng)商多采用三合一電驅(qū)系統(tǒng)，例如：將電機(jī)、電控系統(tǒng)和減速器集成在一起并與車橋相結(jié)合的電驅(qū)系統(tǒng)；或是針對(duì)中小型轎車提供的更加輕巧的三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速可達(dá)21000r/min，不僅性能優(yōu)異，而且電能轉(zhuǎn)化效率極為高效。（2）三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（a）某主流供應(yīng)商產(chǎn)品（b）某自主品牌產(chǎn)品圖5-18純電動(dòng)汽車三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5.3.2電機(jī)系統(tǒng)的輕量化（2）三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)電機(jī)電機(jī)控制器功率密度/（kW/L）減速器最高輸入轉(zhuǎn)速/（r/min）三合一系統(tǒng)集成度功率密度/（kW/L）最高轉(zhuǎn)速/（r/min）國內(nèi)2.5~3.5120001512000中等國外2.5~3.5≥1600020~25≥16000較高三合一集成化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)國內(nèi)外對(duì)比分析表5.3.2電機(jī)系統(tǒng)的輕量化

相比傳統(tǒng)的分立式部件布置方案，多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過電路和結(jié)構(gòu)的集成，體積和重量降低20%以上。集成化設(shè)計(jì)可以有效地減小電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積、降低系統(tǒng)總質(zhì)量。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)部件通過整合，整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，安裝尺寸和所占體積得到進(jìn)一步縮減；與此同時(shí)，各部件之間的連接材料因?yàn)榧苫O(shè)計(jì)而大幅度減少，系統(tǒng)質(zhì)量也得到了降低。另外，采用集成化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)艙更加簡潔，使得汽車各系統(tǒng)布局更加靈活。（3）多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)綜合來看，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成化對(duì)于純電動(dòng)乘用汽車行業(yè)來說具有積極的推動(dòng)作用，但是基于現(xiàn)階段電動(dòng)汽車供應(yīng)鏈的技術(shù)水平，集成化過程中的設(shè)計(jì)和質(zhì)量問題對(duì)于整車廠商和供應(yīng)商來說，仍然是巨大的挑戰(zhàn)。電控指整車控制器，主要是采集油門、制動(dòng)踏板等發(fā)出的各種信號(hào)，并作出相應(yīng)判斷并給出指令在新能源汽車上還要協(xié)調(diào)各個(gè)控制器的通信。電機(jī)控制器的作用主要是接收整車控制器的轉(zhuǎn)矩報(bào)文指令，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在能量回收過程中，電機(jī)控制器還負(fù)責(zé)將電機(jī)副轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的交流電進(jìn)行整流回充給電池，電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖5-19。5.3.3電控系統(tǒng)的輕量化圖5-19

電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖整車控制系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的中央控制單元，是整個(gè)電氣系統(tǒng)的核心，采用分層控制架構(gòu)。第一層：整車控制器，負(fù)責(zé)總體控制，協(xié)調(diào)各控制單元的工作及信息處理第二層：電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、車載充電機(jī)、DC/DC變換器、儀表控制單元、空調(diào)控制單元、轉(zhuǎn)向控制單元、制動(dòng)控制單元等。整車控制器及各控制單元的信號(hào)由傳感器采集，通過CAN總線進(jìn)行信息交互、協(xié)同工作。5.3.3電控系統(tǒng)的輕量化線控底盤也是電控系統(tǒng)輕量化的一種方法。圖5-21展示了線控底盤系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，是車輛底盤的新形態(tài)。線控底盤通過電信號(hào)取代機(jī)械或液壓部件向執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞信息，以減少或取消座艙與底盤執(zhí)行器之間的物理連接。線控底盤一般包括4個(gè)子系統(tǒng)，分別為線控制動(dòng)、線控懸架、線控轉(zhuǎn)向和線控驅(qū)動(dòng)。其中，線控制動(dòng)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度較快，目前在國內(nèi)乘用車前裝市場(chǎng)滲透率已經(jīng)突破20%。5.3.3電控系統(tǒng)的輕量化圖5-21

線控底盤系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)應(yīng)用實(shí)例045.4.1鋁合金促進(jìn)輕量化鋁合金目前主要應(yīng)用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)系統(tǒng)、防撞梁以及輪轂等組件零部件上，其中鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)可減重30%，鋁質(zhì)散熱器比銅質(zhì)輕20%~40%，鋁質(zhì)輪轂重量減少30%。5.4.1鋁合金促進(jìn)輕量化相比于非電動(dòng)汽車，電動(dòng)汽車雖然不包含發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱等鋁合金滲透率較高的零部件，但電機(jī)、逆變器、動(dòng)力電池等電氣單元的封裝外殼以及平臺(tái)零部件對(duì)鋁合金的需求更高。目前，電動(dòng)汽車市場(chǎng)處于高速發(fā)展階段，將在一定程度上帶動(dòng)單車鋁需求量增長，如圖5-22所示。在汽車節(jié)能減排的需求下，輕量化將成為必然趨勢(shì)，鋁合金作為一種有效的汽車輕量化材料，需求量與滲透率有望不斷提高，其中鋁合金在新能源車領(lǐng)域以及車身的應(yīng)用前景廣闊。5.4.2一體化壓鑄技術(shù)傳統(tǒng)汽車制造工藝中沖壓常用于鋼材的成型，而鋁合金常見制造工藝包括鈑金、鑄造、擠壓、鍛造等，車用零部件中60%以上為鑄造而成。在鑄造工藝的各類方法中，壓鑄技術(shù)最先進(jìn)、效率最高。壓鑄，即壓力鑄造，其工藝原理是利用高壓將熔融的金屬液壓入并填充鑄型模具，并在高壓下冷卻成型的鑄造方法，如圖5-23所示。壓鑄件具有材質(zhì)輕、精密、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，且能夠制造形狀復(fù)雜、薄壁深腔的金屬零件。圖5-23壓鑄工藝原理示意圖5.4.2一體化壓鑄技術(shù)通常，壓鑄機(jī)鎖模力和模具等因素限制了鋁壓鑄零部件尺寸，鋁合金車身的制造也局限于傳統(tǒng)制造工藝，其工藝流程仍通常為先制造車身零部件、再進(jìn)行車身連接工藝。由于鋁合金材料熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)高、電阻率和熔點(diǎn)低、表面易形成氧化膜等物理特性，鋁合金難以形成高質(zhì)量的焊接頭，而鋁合金與鋼材的性能差異進(jìn)一步增加了車身連接難度。以奧迪A8（D5）為例，車身材料中58%的結(jié)構(gòu)是鋁合金，還包括超高強(qiáng)鋼、碳纖維、鎂合金等，如圖5-24所示。圖5-24奧迪A8白車身結(jié)構(gòu)材料分布5.4.2一體化壓鑄技術(shù)特斯拉率先提出一體化壓鑄概念，先后實(shí)現(xiàn)后地板、前縱梁一體化壓鑄件量產(chǎn)。2020年9月，特斯拉電池一體化壓鑄首先應(yīng)用于ModelY后地板總成的制造。Model3的后地板需要70多個(gè)沖壓件、擠壓件和鑄件，而ModelY僅需2個(gè)一體成型的部件，焊點(diǎn)數(shù)量由700-800個(gè)減少到50個(gè)。效率：零部件數(shù)量、焊接工序減少，提高生產(chǎn)效率。ModelY后地板總成傳統(tǒng)制造工藝需要2個(gè)小時(shí)，一體化壓鑄有望2分鐘完成。成本：特斯拉采用大型壓鑄機(jī)，工廠占地面積減少30%，人力成本節(jié)省20%，ModelY后地板生產(chǎn)成本降低40%。汽車車身結(jié)構(gòu)件與覆蓋件示意圖5.4.3輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正向的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在概念設(shè)計(jì)階段需要借助拓?fù)鋬?yōu)化手段，用于確定車身主體框架設(shè)計(jì)?；谕?fù)鋬?yōu)化，在輸入正碰、側(cè)碰、扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、模態(tài)等邊界要求的基礎(chǔ)上，得到車身空間結(jié)構(gòu)的最佳分布，達(dá)到結(jié)構(gòu)、性能和輕量化的初步平衡。圖5-25福特探險(xiǎn)者車身拓?fù)鋬?yōu)化

福特探險(xiǎn)者通過拓?fù)鋬?yōu)化手段完成了車身的概念設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖5-25所示，通過拓?fù)鋬?yōu)化和平臺(tái)路徑的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)燃油車、燃料電池車、插電混動(dòng)車共用的柔性車身平臺(tái)。5.4.3輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車身接頭優(yōu)化是在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)連接接頭和連接件進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化或提升剛度性能。電動(dòng)野馬將后側(cè)圍兩個(gè)支架優(yōu)化為一個(gè)“Y”字型支架，如圖5-26所示，使得后減震剛度提升6%，整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率提升了0.4Hz。（a）優(yōu)化前

（b）優(yōu)化后圖5-26

電動(dòng)野馬后側(cè)圍支架優(yōu)化

截面優(yōu)化也是車身設(shè)計(jì)過程中重要的詳細(xì)優(yōu)化手段。車身截面設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)開發(fā)過程，從概念開發(fā)到數(shù)據(jù)凍結(jié)。通過對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的截面優(yōu)化，可以獲得較好剛度或碰撞性能。本田電e對(duì)后縱梁的截面進(jìn)行了優(yōu)化，提升了碰撞吸能效果和彎曲剛度，如圖5-27所示。（a）優(yōu)化前

（b）優(yōu)化后圖5-27

本田電e后縱梁截面優(yōu)化5.4.3輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過增加平衡桿、加強(qiáng)梁、連接支架、環(huán)狀結(jié)構(gòu)等可以提升車身整體剛度，如圖5-28所示。豐田雅力士將后圍框架設(shè)計(jì)成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了連接支架，同時(shí)將原設(shè)計(jì)中的左、右后輪罩加強(qiáng)梁連接在一起，提升了車身的整體剛度，從而使車身輕量化系數(shù)降低。（a）后門環(huán)設(shè)計(jì)

（b）左右后輪罩加強(qiáng)梁設(shè)計(jì)圖5-28

豐田雅力士車身剛度提升優(yōu)化設(shè)計(jì)車身輕量化設(shè)計(jì)除以上方法外，還可以通過結(jié)構(gòu)膠的使用、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等手段，對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，達(dá)到減重和剛度提升的目的。5.4.4電池系統(tǒng)輕量化技術(shù)路徑及策略目前，電池材料單體能量密度提升面臨技術(shù)瓶頸，對(duì)三電系統(tǒng)的輕量化一般從集成化設(shè)計(jì)、電池殼體輕質(zhì)材料應(yīng)用、電機(jī)殼體輕質(zhì)材料應(yīng)用等方面開展。如表5-3所示，電池包殼體從普通鋼制向鋁合金、非金屬復(fù)合材料、多材料混合等方向發(fā)展，三電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向高度集成化方向發(fā)展，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)車身、底盤和三電系統(tǒng)的一體化和集成化設(shè)計(jì)