DEFENSE新能源汽車節(jié)能技術(shù)第四章

能量回收

目錄contents壹貳叁PPT下載/xiazai/新能源汽車能量回收的

基本原理和方法制動能量回收技術(shù)振動能量回收技術(shù)壹新能源汽車能量回收的基本原理和方法Adesignercanusedefaulttexttosimulatewhattextwouldlooklike.Itlooksevenbetterwithyouusingthistext.新能源汽車能量回收的基本原理和方法能量回收的定義:

新能源汽車能量回收系統(tǒng)是指在汽車行駛和制動過程中，將車輛慣性能量、制動能量或者振動能量轉(zhuǎn)化為電能存儲在電池中，以提高車輛的能量利用效率和續(xù)航里程。根據(jù)能量回收的方式，能量回收系統(tǒng)可以分為動能回收系統(tǒng)、熱能回收系統(tǒng)和振動能量回收系統(tǒng)三種。動能回收是將車輛行駛過程中的慣性能量轉(zhuǎn)化為電能并存儲在電池中；振動能量回收是將車輛行駛時產(chǎn)生的振動來轉(zhuǎn)換成電能存儲在電池中；熱能回收則是將車輛制動時產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能并存儲在電池中。能量回收的基本原理:

能量回收系統(tǒng)的基本原理是將車輛慣性能量、制動能量或者振動能量轉(zhuǎn)化為電能并存儲在電池中，以提高車輛的能量利用效率，延長車輛續(xù)航里程。不同的能量回收系統(tǒng)具有不同的實現(xiàn)方式和應(yīng)用場景，需要根據(jù)實際情況進行選擇。壹新能源汽車能量回收的方法動能能量回收（慣性能量回收）利用利用車輛在行駛過程中由于慣性而保持的速度和能量進行回收。振動能量回收熱能回收振動能量轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)熱能回收是指將原本廢棄的熱量進行回收利用，再次轉(zhuǎn)化為可利用的熱能

在新能源汽車中，能量的回收主要是制動能量回收和振動能量回收，接下來主要介紹這兩種能量回收技術(shù)。再生制動（制動能量回收）踩下制動踏板時，車輛開始減速并釋放出大量動能。再生制動技術(shù)會將這些動能轉(zhuǎn)化為電能并儲存到電池中。貳制動能量回收技術(shù)Adesignercanusedefaulttexttosimulatewhattextwouldlooklike.Itlooksevenbetterwithyouusingthistext.壹貳叁PPT下載/xiazai/制動能量回收對新能源汽車節(jié)能的作用貳制動能量回收的形式制動能量回收系統(tǒng)壹制動器——制動器作用：給車輪施加一個阻止其轉(zhuǎn)動的力矩，達到減速直至停車的目的。分類：一般分為鼓式制動器和盤式制動器兩種。特點：（1）鼓式制動器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，廣泛用于后輪制動系統(tǒng)、中小排量的摩托車上；

（2）盤式制動器的制動扭矩大，散熱性和制動穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，用于前輪制動系統(tǒng)壹制動器——盤式制動器與鼓式制動器性能比較優(yōu)點：（1）熱穩(wěn)定性好，而鼓式制動器有機械衰退；（2）水穩(wěn)定性好，泥水易被甩離制動盤；（3）制動力矩與車輛運動方向無關(guān)；（4）尺寸小、質(zhì)量小、背散熱良好；（5）壓力分布均勻，襯塊磨損均勻；（6）更換襯塊簡單容易；（7）制動力矩大，協(xié)調(diào)時間短；（8）號易于實現(xiàn)間隙自動調(diào)整；（9）易構(gòu)成雙回路系統(tǒng)，可靠、安全(汽車)。壹制動器——盤式制動器與鼓式制動器性能比較缺點：（1）難于避免雜物沾到工作表面；（2）兼作駐車制動器時，驅(qū)動機構(gòu)復(fù)雜；（3）在制動驅(qū)動機構(gòu)中需裝助力器；（4）襯塊工作面積小，磨損快，壽命低。壹制動能量回收對新能源汽車節(jié)能的作用①制動過程中不能將車輛行駛所具有的能量回收，而是將這部分動能通過摩擦轉(zhuǎn)換成熱能的形式消耗，降低了車輛的能量利用率。②車輛頻繁制動或連續(xù)較長時間制動時，制動副表面會產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致制動效果降低甚至失效，降低制動時的安全性。③在車輛行駛中頻繁制動，加劇了車輪和摩擦片的磨損，需要經(jīng)常更換，增加了車輛的維修保養(yǎng)費用。

傳統(tǒng)汽車的制動是通過制動盤與制動鉗或制動鼓與制動蹄之間的摩擦力來實現(xiàn)汽車的減速。在此過程中，整車動能或勢能通過摩擦以熱量的形式消耗，造成大量的能量浪費。新能源汽車制動能量收回，又稱能量再生制動（簡稱再生制動），是指在車輛減速或制動時，使驅(qū)動電機工作于發(fā)電機工況，將車輛的一部分慣性動能轉(zhuǎn)化為電能并回饋至電源的過程。以摩擦原理工作的車輛制動裝置，存在如下缺點：制動能量回收對新能源汽車節(jié)能的作用壹汽車制動時的行駛阻力包括制動器產(chǎn)生的車輪與地面之間的制動力、空氣阻力和滾動阻力。在城市循環(huán)工況中，車速較低，空氣阻力和輪胎滾動阻力對車輛制動的作用較小，車輛制動主要依靠制動器產(chǎn)生的制動力，實現(xiàn)停車或減速作用。圖4-1給出了各種制動因素的比例關(guān)系?？梢钥闯觯褐苿又兄苿悠飨牡膽T性能量約占91%，輪胎和空氣因素只占9%。其中消耗在制動器上的慣性能量是可以進行回收的。制動能量回收對新能源汽車節(jié)能的作用圖4-2是幾種典型的城市循環(huán)工況，UDDS是美國城市動態(tài)驅(qū)動工況，ECE+EUDC為歐洲城市低速+城郊高速工況。日本1015代表日本道路工況?？梢钥闯?，在典型城市循環(huán)工況下，由于交通擁擠，車速不高且經(jīng)常變化，需要車輛頻繁起動和制動，造成大部分驅(qū)動能量在制動過程中以摩擦生熱的形式消耗，使得汽車能量效率低下，同時加速制動器的磨損。制動能量回收對新能源汽車節(jié)能的作用壹制動能量回收對新能源汽車節(jié)能的作用——制動中的能量損耗壹

汽車在制動期間，消耗了較多的能量。例如，將1500kg車輛從100km/h車速制動到零車速，在幾十米距離內(nèi)約消耗了0.16kW·h的能量。如果能量消耗在僅克服阻力（滾動阻力和空氣阻力）而沒有制動的慣性滑行中，則該車輛將行駛約2km，如圖所示。制動能量回收對新能源汽車節(jié)能的作用——制動中的能量損耗壹圖展示了不同城市公交車工況的比例。表8-2列出了在不同的行駛工況下，1500kg客車的最高車速、平均車速、驅(qū)動輪上的總牽引能量，以及每100km行程因阻力和制動所消耗的總能量。制動能量回收對新能源汽車節(jié)能的作用——制動中的能量損耗壹圖展示了不同城市公交車工況的比例。表8-2列出了在不同的行駛工況下，1500kg客車的最高車速、平均車速、驅(qū)動輪上的總牽引能量，以及每100km行程因阻力和制動所消耗的總能量。在典型城市循環(huán)工況下，制動能量占總驅(qū)動能量的30%~50%，由于交通擁擠，車速不高且經(jīng)常變化，需要車輛頻繁起動和制動，造成大部分驅(qū)動能量在制動過程中以摩擦生熱的形式消耗，汽車效率低下，同時加速制動器磨損嚴重。為此，如果能通過再生制動回收一部分被摩擦制動消耗的制動能量，將提高整車的能量效率。城市工況下，有效回收制動能量，可使電動汽車的續(xù)航里程延長10%-30%。制動能量回收對新能源汽車節(jié)能的作用制動消耗比例(%)制動消耗(kJ)風(fēng)阻消耗(kJ)滾阻消耗(kJ)典型循環(huán)工況326612日本J101512251762美國UDDS186585歐洲ECE5301130中國城市工況典型城市工況汽車制動能量消耗占比44404644動能

熱能74920266571287制動能量回收節(jié)能潛力巨大制動能量回收的形式

制動能量回收是新能源汽車領(lǐng)域中的一項關(guān)鍵技術(shù)，其實現(xiàn)方式主要包括飛輪蓄能、液壓蓄能以及蓄電池儲能三大類。每種技術(shù)均展現(xiàn)了其獨特的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，共同推動著該領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。飛輪蓄能技術(shù)，以其高速旋轉(zhuǎn)的飛輪作為能量存儲介質(zhì)，展現(xiàn)了高能量密度、大容量儲能及快速響應(yīng)等顯著優(yōu)勢。液壓蓄能技術(shù)，則是通過將制動過程中產(chǎn)生的車身動能轉(zhuǎn)化為液壓能儲存于液壓缸內(nèi)，隨后通過復(fù)雜的液壓系統(tǒng)實現(xiàn)能量的再轉(zhuǎn)化與利用。該技術(shù)同樣具備高能量密度和大容量儲能的優(yōu)點，但其系統(tǒng)的復(fù)雜性以及維護成本，限制了其更廣泛的應(yīng)用范圍。蓄電池儲能技術(shù)，作為當(dāng)前最為常見的制動能量回收方式，憑借其技術(shù)成熟度高、成本相對較低及高可靠性的特點，在新能源汽車市場中占據(jù)了重要地位

制動能量回收的形式飛輪蓄能：飛輪蓄能是機械蓄能的一種形式，它以慣性能（動能）的方式，將能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中。如圖4-3所示，當(dāng)車輛制動時，飛輪蓄能系統(tǒng)帶動飛輪加速，將車身的慣性動能化為飛輪的旋轉(zhuǎn)動能；當(dāng)車輛起動或加速時，飛輪減速，釋放其旋轉(zhuǎn)動能給車身。按構(gòu)成材料的不同，飛輪主要有兩種：金屬制飛輪與超級飛輪。金屬制飛輪以鋼制飛輪為主，能量密度(單位飛輪重量儲存的最大能量)較低，但其價格實惠，易于加工，在傳動系中易于連接，應(yīng)用廣泛。超級飛輪的比強度(抗拉強度/密度)比金屬制飛輪高10倍，轉(zhuǎn)速非?？?，目前最高轉(zhuǎn)速達78000rpm，但成本較高。

目前該方面的前沿研究是飛輪軸承采用高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，利用永磁鐵的磁通被超導(dǎo)體阻擋所產(chǎn)生的排斥力使飛輪處于懸浮狀態(tài)。設(shè)計飛輪時，既要考慮本身強度，又需注意系統(tǒng)的共振及穩(wěn)定性。飛輪儲能附加重量較輕、成本低，但技術(shù)難度大，節(jié)油效果不如液壓蓄能。

制動能量回收的形式飛輪蓄能：飛輪儲能是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來儲存和釋放能量，其基本工作原理是：當(dāng)車輛制動或減速時，先將車輛在制動或減速過程中的動能轉(zhuǎn)換為飛輪高速旋轉(zhuǎn)的動能；當(dāng)車輛再次起動或加速時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪又將存儲的動能通過傳動裝置轉(zhuǎn)化為車輛行駛的驅(qū)動力。制動能量回收的形式液壓蓄能：液壓蓄能以液壓能的方式儲存能量。如圖4-4所示，系統(tǒng)由一個具有可逆作用的泵/馬達實現(xiàn)蓄能器中的液壓能與車輛動能之間的轉(zhuǎn)化，即在車輛制動時，蓄能系統(tǒng)由高壓蓄能器、液壓泵/馬達和低壓油箱組成的液壓儲能制動能量再生系統(tǒng)，在車輛制動減速過程吸收制動動能，在起步加速過程利用所儲存的液壓能驅(qū)動車輛達到一定的速度之后，再啟動電動機，從而避免動力電池組的大電流及大電流波動工況的出現(xiàn)，達到延長鋰離子動力蓄電池組的使用壽命，降低整車壽命范圍內(nèi)的使用成本。1-發(fā)動機；2-液壓泵；3-聯(lián)合變速器；4-大齒輪；5-液控離合器；6-傳動軸；7-驅(qū)動橋；8-離合器控制閥；9-液壓油箱；10-液壓儲能器；11-小齒輪；12-液壓控制系統(tǒng)制動能量回收的形式液壓蓄能：工作原理是：先將車輛在制動或減速過程中的動能轉(zhuǎn)換成液壓能，并將液壓能儲藏在液壓儲能器中；當(dāng)車輛再次起動或加速時，儲能系統(tǒng)又將儲能器中的液壓能以機械能的形式反作用于車輛，以增加車輛的驅(qū)動力。制動能量回收的形式動力電池儲能:蓄電池儲能技術(shù)作為電動汽車能量管理的核心，通過電化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)能量的儲存與轉(zhuǎn)換，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)以具有可逆作用的發(fā)電機/電動機實現(xiàn)蓄電池中的電能和車輛動能的轉(zhuǎn)化。蓄電池以電能的形式儲存能量，這一過程基于電化學(xué)原理，即通過在正負極之間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能儲存起來。當(dāng)電動汽車需要能量時，這些儲存的電能又能通過逆向的電化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為可供車輛使用的電能。如圖4-3所示，在車輛制動時，發(fā)電機/電動機以發(fā)電機形式工作，車輛行駛的動能帶動發(fā)電機，將車輛動能轉(zhuǎn)化為電能并儲存在蓄電池中。在車輛起動或加速時，車輛以電動機形式工作，將儲存在蓄電池中的電能轉(zhuǎn)化為機械能供給車輛。1-蓄電池；2-車輪；3-制動系統(tǒng)；4-制動踏板；5-電磁離合器；6-半軸；7-驅(qū)動輪；8-驅(qū)動橋；9-變速器；10-發(fā)動機；11-從動齒輪；12-從動齒輪軸；13-飛輪；14-發(fā)電機；15-整流器圖4-5動力電池儲能系統(tǒng)示意圖制動能量回收的形式動力電池儲能:工作原理是：首先將車輛在制動或減速過程中的動能，通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能并以化學(xué)能的形式存儲在儲能器中；當(dāng)車輛需要起動或加速時，再將存儲器中的化學(xué)能通過電動機轉(zhuǎn)化為車輛行駛的動能。電動汽車制動模式系統(tǒng)——汽車的制動要求及電動汽車的復(fù)合制動1.

汽車的制動要求一方面，在緊急制動狀態(tài)下，必須有足夠的制動力，能使汽車在最短可能的距離中停止；另一方面，必須滿足汽車的操控穩(wěn)定性要求，即要保證駕駛?cè)藢ζ嚪较虻目刂?，不能失控。操縱性---指汽車能正確地響應(yīng)駕駛員的操縱指令（轉(zhuǎn)向或直行）的能力；穩(wěn)定性---指汽車在行駛過程中具有抵抗外界干擾，保持穩(wěn)定行駛的能力。電動汽車制動模式系統(tǒng)——汽車的制動要求及電動汽車的復(fù)合制動2.

汽車的制動性能1、車輪的運動與受力未制動時汽車在平地上以車速ua行駛時，車輪以角速度ωW轉(zhuǎn)動。開始制動時車輪受到制動器的制動力矩Mμ的作用而有停止轉(zhuǎn)動的趨勢。汽車的慣性力通過車架、車橋以推力T的形式傳到車輪，將使輪心繼續(xù)以ua的速度向前運動，從而使車輪在接地點處相對路面向前滑移。因此汽車制動的過程是車輪從滾動到抱死拖滑的一個漸變過程。電動汽車制動模式系統(tǒng)——汽車的制動要求及電動汽車的復(fù)合制動2.

汽車的制動性能1、制動時車輪的運動與受力制動器的制動力矩Mμ將在車輪邊緣產(chǎn)生一個對地面的切向力F0，F(xiàn)0=Mμ/r隨之而產(chǎn)生的地面對車輪的反作用力FXb就是地面制動力。車輪尚未完全抱死，仍在滾動時的地面制動力就等于制動器制動力，且隨著踏板力的增長成比例地增長。電動汽車制動模式系統(tǒng)——汽車的制動要求及電動汽車的復(fù)合制動2.

汽車的制動性能前輪先抱死而側(cè)滑時汽車的運動狀況后輪先抱死而側(cè)滑時汽車的運動狀況電動汽車制動模式系統(tǒng)——汽車的制動要求及電動汽車的復(fù)合制動3.

汽車制動性的評價指標轎車制動規(guī)范制動效能的恒定性制動器頻繁工作溫度會升高，進而引起制動效能的降低這就是制動器的熱衰退現(xiàn)象。評價制動器抵御熱衰退性能的指標，一般用連續(xù)制動時制動效能指標占冷制動時對應(yīng)指標的百分比來表示。ISO/DIS6597推薦：在一定車速和踏板力下連續(xù)制動15次，每次的制動減速度為3m/s2,最后制動效能應(yīng)不低于冷制動時最大制動減速度5.8m/s2的60%。電動汽車制動模式系統(tǒng)——汽車的制動要求及電動汽車的復(fù)合制動3.

汽車制動性的評價指標制動時汽車的方向穩(wěn)定性汽車在制動過程中維持原行駛方向，不發(fā)生跑偏、側(cè)滑或失去轉(zhuǎn)向能力的性能，稱為汽車制動時汽車的方向穩(wěn)定性。制動跑偏——汽車制動時未按原定方向行駛，而向左或右偏駛側(cè)滑——汽車制動時某一軸車輪或兩軸的車輪發(fā)生橫向滑動的現(xiàn)象側(cè)滑是由于車輪抱死后拖滑，側(cè)向附著系數(shù)為0，無法抵抗側(cè)向干擾力而造成的。汽車制動時車輪抱死對制動穩(wěn)定性不利，現(xiàn)代汽車，尤其是轎車多數(shù)都采用防抱死裝置ABS（Anti-blockingBrakesystem）。而對于沒裝防抱死裝置的汽車在設(shè)計時通過合理分配前后制動器制動力的比例，盡可能使前后車輪同時抱死或使前輪先于后輪抱死，甚至使后輪在制動過程中總不抱死。制動能量回收系統(tǒng)

當(dāng)車輛制動或慣性滑行時，發(fā)電機將車輛的多余動能轉(zhuǎn)化為電能，并將其儲存在動力電池中。這個過程是可逆的，實現(xiàn)了能量的有效轉(zhuǎn)化和儲存，提高了能源的利用率。在車輛需要加速或啟動時，儲存在蓄電池中的電能就可以被釋放，通過電動機轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動車輛前進。作為系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換裝置的制動電機是實現(xiàn)制動能量回收的最關(guān)鍵部件之一，開關(guān)磁阻電機（SRM）結(jié)構(gòu)簡單、成本低、容錯能力強、起動性能好、沒有電流沖擊、效率高、調(diào)速范圍寬，具有良好的四象限工作狀態(tài)，被認為是電動汽車及混合動力電動汽車中的一種最具潛力的驅(qū)動方式之一，可獲得更高的動靜態(tài)性能。制動能量回收系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油汽車相同，電動汽車的ABS及其控制閥的作用是產(chǎn)生最大制動力。如圖4-6所示，在制動過程中，駕駛員踩下制動踏板后，電泵使制動液增壓產(chǎn)生制動力，制動控制與電機控制協(xié)同工作，確定電動汽車上的再生制動力矩和前后輪上的液壓制動力。再生制動時，再生制動控制回收再生制動能量，且反充到蓄電池中。圖4-6電動汽車能量再生系統(tǒng)2.電動汽車的復(fù)合制動電動機制動的方法可分為機械制動和電氣制動兩大類。電氣制動又可分為反接制動、能耗制動和回饋發(fā)電制動三種形式，其中的回饋發(fā)電制動（即再生制動）就是制動能量回收的最有效方法。另一方面，從電動汽車的角度來看，再生制動產(chǎn)生的制動力矩通常不能像傳統(tǒng)燃油車中的制動系統(tǒng)一樣提供足夠的制動減速度。圖示了再生制動與機械摩擦制動結(jié)合的復(fù)合制動系統(tǒng)情況。8.3.2電動汽車的制動模式1．急剎車

急剎車對應(yīng)于制動減速度大于2m／s2的過程。2．中輕度剎車

中輕度剎車對應(yīng)于汽車在正常工況下的制動過程，可分為減速過程與停止過程。3．汽車下長坡時的剎車

汽車下長坡一般發(fā)生在盤山公路下緩坡時。在制動力要求不大時，可完全由電剎車提供。其充電特點表現(xiàn)為回饋電流較小但充電時間較長。限制因素主要為電池的電荷狀態(tài)和接受能力。8.3.3電動汽車制動能力收回要求

(1)滿足制動的安全要求，符合駕駛時的制動習(xí)慣

(2)考慮驅(qū)動電動機的發(fā)電工作特性和輸出能力

(3)確保電池組在充電過程中的安全，防止過充

由以上分析可發(fā)現(xiàn)電動汽車制動能量的回收約束條件為：①根據(jù)電池放電深度，即電池的荷電狀態(tài)SOC的不同，電池可接受的最大充電電流；②電池可接受的最大充電時間；③能量回收停止時電動機轉(zhuǎn)速，以及與此相對應(yīng)的充電電流值。8.4前后輪的制動功率和制動能量8.4.1電動汽車制動力的分類通常有再生制動的電動汽車還存在機械制動系統(tǒng)，其制動系統(tǒng)是機械和再生制動（電制動）的復(fù)合。它們之間的分配比例關(guān)系可以用圖來表示，這只是一種三者之間的分配關(guān)系，目的是保持最大的再生制動力矩的同時為駕駛?cè)颂峁┡c燃油車相同的制動感。

這一實例的參數(shù)為L=2.7m，La=0.4L，Lb=0.6L和hg=0.55m。從圖中可以看出：1）前輪消耗約65%的總制動功率和能量，因此，若僅在一個軸上實施再生制動，則在前輪上的再生制動比后輪上的再生制動將更為有效。

2）在車速小于50km/h的范圍內(nèi)，制動力幾乎為一恒值，且當(dāng)車速大于40km/h時，其值減小。3）從汽車理論知識可知，如果前輪先于后輪抱死，雖然失去了轉(zhuǎn)向能力，但整車還是穩(wěn)定的；如果后輪先于前輪抱死，將導(dǎo)致整車失去控制，極易發(fā)生嚴重交通事故。制動能量回收的控制策略再生制動控制策略的研究是制動能量回收技術(shù)研究領(lǐng)域的核心，以提高整車經(jīng)濟性為目標，解決電機制動力與液壓制動力的分配問題。再生制動系統(tǒng)的優(yōu)劣很大程度上取決于控制策略的優(yōu)劣。再生制動控制策的研究要兼顧制動過程的安全性、制動能量回收效果、制動協(xié)調(diào)兼容性等重要方面。在充分保證制動安全的基礎(chǔ)上，從車輛硬件參數(shù)（電機、電池以及功率轉(zhuǎn)換器的控制）、傳動裝置布置形式、駕駛員制動意圖、車輛運行狀態(tài)以及能量回收效率等方面考慮。目前再生制動控制策略的發(fā)展，有早前基于規(guī)則的制動控制分配研究，在制動安全法規(guī)限制下，結(jié)合電機、電池性能、車輛狀態(tài)等參數(shù)對機電制動力進行分配與優(yōu)化；又有后續(xù)研究者利用優(yōu)化算法對機電制動力的最佳分配方式進行研究。。目前對于控制策略的研究主要基于以下兩個方面：一是關(guān)鍵部件的控制策略，尋求電機繞組電流的最優(yōu)控制，實現(xiàn)電流充分回收，例如最大再生回饋功率制動、最大再生回饋效率制動、恒值電流制動等；二是制動時候的整車控制，即保證良好的整車制動穩(wěn)定性和平順性的前提下，合理地增加再生制動力矩在整車制動力矩中的比例以提高能量回收效率。電動汽車的再生制動給制動系統(tǒng)的設(shè)計添加了一些復(fù)雜性，呈現(xiàn)出兩個基本問題：一是如何在再生制動和機械摩擦制動之間分配所需的總制動力，以回收盡可能多的車輛的動能；二是如何在前后輪軸上分配總制動力，以實現(xiàn)穩(wěn)定的制動狀態(tài)。8.5.2電動汽車制動能量回收系統(tǒng)的原理電動汽車的制動過程是由液壓摩擦制動與電機再生制動協(xié)調(diào)作用完成的。再生制動系統(tǒng)主要是由輪轂電機、電機控制器、逆變器、制動控制器和動力蓄電池等主要部件組成。制動能量回收的實現(xiàn)過程如下：1）在制動開始時，能量管理系統(tǒng)將動力蓄電池SOC值發(fā)送給制動控制器，當(dāng)SOC>0.8時，取消能量回收；當(dāng)0.7≤SOC≤0.8時，制動能量回收受電池允許的最大充電電流制約；當(dāng)SOC<0.7時，制動能量回收不受電池允許的最大充電電流制約。2）制動控制器接收由壓力傳感器傳送的主缸壓力信號，并計算出需求的電機再生制動強度上限。3）制動控制器根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速，計算電機實際能夠提供的制動強度。4）比較需求的電機再生制動強度上限和電機實際能夠提供的制動強度，并將結(jié)果作為電信號發(fā)送給電機控制器。5）此時的電動機工作在發(fā)電機狀態(tài)下，可以提供電壓恒定流向的電流，再通過逆變器限制電機產(chǎn)生的最高電壓和對電壓進行升壓，以便滿足電流輸出要求，充到動力蓄電池組中。6）為了保護電池，能量管理系統(tǒng)需要時刻監(jiān)測電池溫度，溫度過高則停止制動能量回收。制動能量回收系統(tǒng)1.并行再生制動控制策略并行控制策略，是指在不改變傳統(tǒng)汽車制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入一個制動電機也就是電動汽車的驅(qū)動電機作為制動力矩來源，通過反拖電機發(fā)電進行制動能量回收。并行制動系統(tǒng)的驅(qū)動軸在制動時采用機械制動系統(tǒng)與再生制動系統(tǒng)聯(lián)合制動，非驅(qū)動軸僅采用傳統(tǒng)的機械制動。圖為并行再生制動控制策略：①制動強度z<0.1時，機械制動系統(tǒng)不工作，僅電機制動單獨工作，前后軸制動力分配如圖3-27中線段OA所示。②制動強度0.1<z<0.7時，電機制動和機械制動系統(tǒng)聯(lián)合制動，前后軸制動力分配如圖3-27中線段ABC所示。③制動強度z>0.7時，認為是緊急制動，僅機械制動系統(tǒng)工作，前后軸制動力分配如圖3-27中線段CD所示。制動能量回收系統(tǒng)2.理想制動力回收控制策略制動能量回收的理想制動力回收控制策略是一種通過精確控制前后輪制動力，以實現(xiàn)最優(yōu)能量回收和制動性能的控制策略。理想制動力回收控制策略如圖所示。其控制目標是在保證車輛具有最佳前后制動力分配（最佳制動性能）的前提下盡可能多地回收制動能量。制動能量回收系統(tǒng)3.最大制動能量回收控制策略最大制動能量回收控制策略的核心思想是在制動過程中，盡可能多地回收制動能量。這種策略主要適用于電動汽車和混合動力汽車等能夠利用再生制動的車型。最大制動能量回收控制策略如圖4-9所示。在不同路面條件下的控制策略如下：4制動能量回收系統(tǒng)的評價方法能量經(jīng)濟性制動能量回收效率能量經(jīng)濟性貢獻率舒適性沖擊度可靠性與耐久性安全性確保整車壽命范圍內(nèi)系統(tǒng)的可靠性與耐久性行車制動安全、制動能量回收系統(tǒng)失效保護制動踏板波動度影響因素：駕駛條件、電池特性、電機特性等新能源汽車制動能量回收的主要影響因素

新能源汽車能夠回收的制動能量受車輛自身結(jié)構(gòu)和部件的硬性約束，如驅(qū)動系統(tǒng)布置形式、電池SOC狀態(tài)、儲能裝置、電機性能等。此外，還受能量傳遞過程的制動控制策略以及汽車行駛工況等多種因素的影響。其幾種主要的影響因素如下：驅(qū)動系統(tǒng)布置形式電池SOC狀態(tài)儲能裝置電機性能控制策略,行駛工況5制動能量回收的實際應(yīng)用效果實際應(yīng)用案例：

“單踏板駕駛（single-pedaldriving）”寶馬i3、日產(chǎn)Leaf、奧迪e-tron、比亞迪唐、北汽新能源EU5、北京現(xiàn)代……TeslaModel：城市道路，制動能量回收率約60-70%；高速公路，制動能量回收率可達30%。制動力控制由于制動過程中涉及到多種因素，如車輛的重量、速度、道路條件等，因此要準確控制制動力是非常困難的制動穩(wěn)定性。由于制動能量回收系統(tǒng)是通過電機的反轉(zhuǎn)來產(chǎn)生制動力，因此其制動穩(wěn)定性受到電機性能和電池狀態(tài)等因素的影響。能量回收效率。雖然制動能量回收系統(tǒng)可以回收一部分車輛動能并轉(zhuǎn)化為電能儲存到電池中，但是其能量回收效率受到多種因素的影響，如車輛速度、道路條件、電池容量等。與汽車其他系統(tǒng)匹配協(xié)調(diào)。目前汽車的電控單元越來越多，加入再生制動電控單元后，如何與其他單元更和諧地工作，特別是與ABS、傳統(tǒng)制動系統(tǒng)、汽車減振系統(tǒng)以及電機控制系統(tǒng)的匹配問題。制動能量回收系統(tǒng)的發(fā)展再生制動系統(tǒng)的發(fā)展面臨多個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括與汽車其他系統(tǒng)的匹配協(xié)調(diào)、能量回收效率、技術(shù)融合以及底盤集成控制等。為確保系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行，需要推動行業(yè)標準的制定與統(tǒng)一，采用如CAN總線等先進通信技術(shù)提升通信效率與可靠性。叁振動能量回收技術(shù)Adesignercanusedefaulttexttosimulatewhattextwouldlooklike.Itlooksevenbetterwithyouusingthistext.壓電與饋能式能量回收1.壓電式振動能量回收2.饋能式減振器振動能量回收

在饋能式減振器研究方面，1990年日產(chǎn)公司最早開發(fā)出一種新型蓄能式減振器來抑制振動，減振器的性能與半主動懸架接近，采用壓力控制閥與小型蓄能器和液壓缸相結(jié)合，路面不平導(dǎo)致的振動能量被蓄能器吸收，車身隔振由液力系統(tǒng)的主動阻尼和被動阻尼共同完成。1999年Nakano提出一種自供電式主動控制，由底盤前懸架上的電動機執(zhí)行器回收振動能量并存儲于動力電池內(nèi)，供給座艙后懸架電機執(zhí)行器，實現(xiàn)主動控制。自1880年壓電效應(yīng)被首次發(fā)現(xiàn)以來，人類在壓電研究方面已取得了顯著的進展。1995年，美國新澤西州普林斯頓海洋動力技術(shù)公司的科學(xué)家們成功試制出了1至10千瓦的海浪壓電發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用浮體隨海浪上下浮動時，錨鏈內(nèi)的壓電聚合物不斷被拉伸和放松的原理，產(chǎn)生低頻高壓電。該系統(tǒng)的發(fā)電成本僅為每度電1至3美分，且使用壽命長達20年。汽車減振器消耗的能量由于路面的不平激勵，汽車在行駛中車身相對于車輪或車軸產(chǎn)生持續(xù)的相對運動。懸架中的彈簧起緩沖作用，是儲能元件。為衰減這種振動，汽車懸架中需要安裝減振器，減振器起衰減振動的作用，是阻尼元件，消耗振動能量并轉(zhuǎn)換為熱能釋放到空氣中。實際上，懸架中各桿系的連接球鉸或橡膠襯套都具有一定的阻尼作用，但與減振器的阻尼作用相比可以忽略，因此常通過減振器進行振動能量回收。傳統(tǒng)的液壓減振器通過小孔節(jié)流作用，衰減車身和車輪的振動能量。在惡劣的路面條件下，比如越野車輛，減振器需要衰減較多的振動機械能，其溫度可以達到100℃以上。過高的溫度將使密封件失效，造成減振液泄漏，甚至縮短減振器的壽命。過高的溫度還使油液的黏度也發(fā)生較大變化，導(dǎo)致減振器的外特性畸變、產(chǎn)生沖擊和噪聲。減振器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖4-10所示，減振器衰減振動能量主要通過伸張閥和壓縮閥的小孔節(jié)流作用，即油液分子與小孔的孔壁及油液分子之間產(chǎn)生的摩擦力形成減振器的阻尼，這種節(jié)流方式造成減振器發(fā)熱。補償閥在復(fù)原行程打開進行補償，預(yù)防外特性畸變。油液補償主要通過上、下腔的壓差進行，存在一定的后，會產(chǎn)生空程現(xiàn)象。汽車減振器消耗的能量振動能量的計算過程分為伸張和壓縮兩部分。設(shè)活塞桿的面積為Ag，活塞面積為Ah，伸張閥常通孔的面積為As0，底閥上壓縮閥的常通孔面積為Ay0，伸張閥、補償閥、壓縮閥及流通閥各閥片撓曲變形產(chǎn)生的環(huán)形間隙面積為A1、A2、A3、A4，Ai=2παωi，i=1、2、3、4，ωi為運用大撓曲變形理論求得的各閥片外邊緣的撓曲變形，a為片外徑。當(dāng)車輪相對于車身以速度，向下運動時，減振器處于伸張行程，油液由活塞上腔進入下腔的流量Q11、由補償室進入下腔的流量Q12及伸張時的阻尼力Fs。有如下的關(guān)系式：式中，p1、p2、p3分別為上腔、下腔、補償室的壓力。減振器在伸張過程中，伸張閥和補償閥動作，閥的工作可以劃分為三個階段：開閥前/閥部分打開和閥全開。伸張閥未開時，液流通過伸張閥的常通孔，屬于薄壁小孔節(jié)流，其流量為汽車減振器消耗的能量油液通過補償閥進入活塞下室的流量為：聯(lián)立可解得：式中，p0為大氣壓，ρ為密度，Cd為流量系數(shù)。伸張閥部分開啟后，多個閥片變形形成環(huán)形間隙，油液受到伸張閥的常通孔與環(huán)形間隙共同產(chǎn)生阻尼力。為簡化計算，閥片變形的節(jié)流按照小孔節(jié)流計算。所以有汽車減振器消耗的能量伸張閥開啟到最大時，設(shè)閥片的變形量為ls，形成的環(huán)形面積為A1=πdls，d為伸張閥的直徑。與上述的過程類似，計算結(jié)果如下：當(dāng)汽車車身相對于車輪向下運動時，減振器開始壓縮行程。根據(jù)流量連續(xù)性原理，活塞上腔增加的油液量Q21和補償室增加的油液量Q22等于活塞下腔減少的流量。故有壓縮行程的阻尼力關(guān)系為：與伸張過程類似，壓縮過程可以分為壓縮閥關(guān)閉、部分開啟和全開啟三個過程。壓縮閥未開時，液流低速運動，此時壓縮閥的常通孔和流通閥的撓曲變形共同節(jié)流產(chǎn)生阻尼力，按薄壁小孔節(jié)流處理。Q21和Q22分別滿足如下關(guān)系：聯(lián)立可以求得：汽車減振器消耗的能量減振器在運動中，其瞬時速度表示為，則減振器功率為P=F?。減振器在一個工作行程中所做的功為壓縮閥部分開啟后，則行程與阻尼力滿足的關(guān)系式為：當(dāng)壓縮閥開啟到最大，設(shè)節(jié)流閥邊緣的最大變形為ls，產(chǎn)生的最大環(huán)形面積為A3=πdly，d為壓縮閥閥片直徑。則減振器的行程與阻尼力滿足：饋能式減振器系統(tǒng)2005年，Bose公司就已推出了產(chǎn)品級的電磁饋能懸架減震系統(tǒng)，利用電磁力和線性電機抵消道路沖擊的同時回收部分能量。在這項技術(shù)中，線性電機取代了減振器，線圈通電后可使懸架根據(jù)車身的振動不斷伸張和收縮。當(dāng)懸架總成收縮時，線性電機以發(fā)電機模式工作，將產(chǎn)生的能量回送給功率放大器，如圖4-11(a)。但安裝成本較高，這款產(chǎn)品并未得到大范圍推廣。近年來，隨著電機制造成本的下降，經(jīng)由ClearMotion公司改進，該產(chǎn)品已經(jīng)開始在卡車座椅懸架上得到應(yīng)用，如圖4-11(b)所示。此外，ClearMotion還推出了基于旋轉(zhuǎn)電機的車用減震器，如圖4-11(c)所示。2018年，Audi推出了基于旋轉(zhuǎn)電機的饋能懸架控制系統(tǒng)，通過杠桿結(jié)構(gòu)將往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)電機饋能，如圖4-11(d)所示。饋能式減振器系統(tǒng)相對于電磁式饋能結(jié)構(gòu)，液電饋能結(jié)構(gòu)的商用產(chǎn)品較少。美國Levant公司于年推出了一款名為Genshock的液電饋能減震器，將液壓作動器、液壓馬達等部件進行了集成設(shè)計，使得整個減震器的體積大大減小，如圖4-12所示。GenShock可將商用貨車的燃油公里數(shù)提高2%~5%，軍車提高6%，而混合動力車可將GenShock發(fā)的電儲存起來，最高可節(jié)能10%。武漢理工大學(xué)設(shè)計了一款名為HESA的集成式液電饋能懸架原型機，HESA中集成了兩個穩(wěn)壓蓄能器，從而使得流經(jīng)液壓馬達的油液更加均勻，也提高了電機工作的連續(xù)性如圖，如圖4-12(b)所示。肆謝謝Adesignercanusedefaulttexttosimulatewhattextwouldlooklike.Itlooksevenbetterwithyouusingthistext.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)用實例新能源汽車輕量化的特點015.1、新能源汽車輕量化的特點新能源汽車輕量化特點提升續(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，滿足消費者對于遠程出行的需求。輕量化設(shè)計有助于減少車輛的慣性阻力，提高加速性能和制動性能，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，同時也有利于減少維修和保養(yǎng)費用。5.1.1輕量化可提升續(xù)航里程有關(guān)統(tǒng)計表明：電動汽車每行駛1km需電池質(zhì)量1kg。也就是說汽車行駛里程要達到200km，僅汽車電池的質(zhì)量就高達200kg。國5-1內(nèi)新能源汽車與燃油車的名義密度對比（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)量進而減小慣性，使得汽車的運動狀態(tài)更易改變。無論是加速、制動，還是其他操控，都是改變車輛的運動狀態(tài)。這意味著在駕駛過程中，輕量化汽車的加速性能、制動性能以及操控性能均會有所提升。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汽車中電池包自重大，導(dǎo)致整車重量高于同級別燃油車。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。可以看出，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)勢目前，增加電池包的數(shù)量是提升新能源汽車續(xù)航里程最常用的措施，但是整車成本也會線性增加。新能源車尤其是電動汽車中電池包重量大，導(dǎo)致整車重量高于同級別燃油車，如圖5-3所示。輕量化可以有效解決這一矛盾，實現(xiàn)提升續(xù)航里程的效果。汽車達到相同的續(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.輕量化可減少電池數(shù)量5.1.4新能源汽車輕量化的目標理論上講，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，制動器要消耗的能量越小，制動減速度越快，制動距離越短，汽車主動安全性越好。在汽車發(fā)生碰撞時，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，汽車對乘員的保護性能越好、越安全。

圖5-4新能源汽車輕量化的主要目標事實證明，在各種新的設(shè)計理念、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，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)快速進步。新能源汽車輕量化的主要目標見圖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)計技術(shù)、連接技術(shù)、評價技術(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，進行子系統(tǒng)質(zhì)量指標的分解，進而要考慮整體的性能指標，包括NVH、加速、制動、安全等方面的綜合因素，最后綜合考慮產(chǎn)品成本的控制，以實現(xiàn)輕量化技術(shù)的合理應(yīng)用。圖5-5新能源純電動汽車各系統(tǒng)質(zhì)量占比基于新能源電動汽車各系統(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)的強度、剛度和被動安全性，節(jié)省原材料消耗。使用高強度鋼的具體優(yōu)點如下：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。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展到車身、車門和車蓋。鋁合金雖然具有重量輕的優(yōu)點，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：由于鋁材抗拉強度、屈服強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性的標志之一。（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，具有比強度高、高溫強度高和耐腐蝕等優(yōu)點。用α+β系鈦合金制造的發(fā)動機連桿，強度相當(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)強冷加工和時效處理，強度可達2000MPa，可用來制造懸架彈簧、氣門彈簧和氣門等，與拉伸強度為2100MPa的高強度鋼相比，鈦彈簧可降重20%。由于鈦的價格昂貴，只有賽車和個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。纖維增強樹脂基復(fù)合材料是以纖維為增強體，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，廣泛用于保險杠、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，通常由基體和增強體兩部分構(gòu)成，增強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、高強度和較好的耐高溫、耐腐蝕性特點，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，以計算機為工具，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，對汽車結(jié)構(gòu)進行拓撲、形貌和尺寸優(yōu)化來減輕汽車質(zhì)量。車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計涉及多個性能指標，如模態(tài)、剛度、碰撞安全和性能等，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中，每項性能又涉及多個相互矛盾的考察指標。圖5-6汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計流程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)化各個組成構(gòu)件的截面尺寸，使結(jié)構(gòu)最輕或最經(jīng)濟。例如對節(jié)點位置已定的桁架結(jié)構(gòu)求各梁的最優(yōu)截面尺寸、對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)計變量的類型劃分成四個層次，即結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化和多學(xué)科優(yōu)化。圖5-7尺寸優(yōu)化設(shè)計實例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，對結(jié)構(gòu)的幾何形狀進行優(yōu)化。例如對布局已定的桁架的節(jié)點位置進行優(yōu)化，對連續(xù)體的邊界形狀進行優(yōu)化，對實體結(jié)構(gòu)內(nèi)部開孔的尺寸、形狀進行優(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)的加強肋分布的概念設(shè)計方法，用于設(shè)計薄壁結(jié)構(gòu)的強化壓痕，在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時能滿足強度、頻率等要求。形貌優(yōu)化不刪除材料，而是在可設(shè)計區(qū)域中根據(jù)節(jié)點的擾動生成加強肋。2.形狀優(yōu)化圖5-8形狀優(yōu)化設(shè)計實例5.2.2結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)拓撲優(yōu)化方法是在一個給定的空間區(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)的剛度達到最大或使輸出位移、應(yīng)力等達到規(guī)定要求的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，是有限元分析和優(yōu)化方法有機結(jié)合的新方法，如圖5-9、5-10所示。由于拓撲優(yōu)化設(shè)計自由度大，所以通常用于車身設(shè)計初期和概念設(shè)計階段。拓撲優(yōu)化可以獲得一個最佳結(jié)構(gòu)布局——最佳的載荷路徑，在這個最優(yōu)布局的基礎(chǔ)上，可以按照真實的設(shè)計需求形成工程設(shè)計方案，并應(yīng)用更仔細的尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化工具來優(yōu)化這個設(shè)計方案。圖5-9拓撲優(yōu)化設(shè)計原理圖5-10懸架橫臂拓撲優(yōu)化設(shè)計案例3.拓撲優(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)計是一個涉及材料、工藝、結(jié)構(gòu)及性能等多個學(xué)科的優(yōu)化過程，各個零部件、子系統(tǒng)及整車質(zhì)量的優(yōu)化設(shè)計貫穿整車研制的全過程。通過多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（MultidisciplinaryDesignOptimization，MDO)方法可以更為全面地對汽車零部件和整車系統(tǒng)進行輕量化設(shè)計。為更好地應(yīng)對汽車輕量化發(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)計優(yōu)化仍需不斷改進優(yōu)化算法，使其求解速度更快、結(jié)果更為可靠，同時，可通過將多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法與傳統(tǒng)的尺寸、形狀及拓撲優(yōu)化方法融合，充分挖掘產(chǎn)品的性能潛力并進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，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、等溫擠壓、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）、點焊（SW）等；機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行研究。電池系統(tǒng)是電動汽車的能量源，給電動汽車提供驅(qū)動電能，是電動汽車的關(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汽車的成本和續(xù)航里程，這兩個方面正是電動汽車與傳統(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)展特點鉛酸電池作為動力電池的應(yīng)用只限于A00級的電動乘用車。鉛酸電池的能量密度較低，且鉛對環(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占有率。燃料電池具有高效率和低污染的特點，是指將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)裝置，且燃料電池加氫時間短，在新能源汽車領(lǐng)域具有較大的市場潛力。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)和時間，提高使用便利性，這是新能源汽車技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。提高電池能量密度實現(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

電池箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計是新能源汽車動力電池安全、穩(wěn)定及輕量化的重要環(huán)節(jié)。電池箱體作為動力電池的承載體，對動力電池的安全工作和防護起著關(guān)鍵作用，主要用于防止動力電池在受到外界碰撞和擠壓時損壞而產(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關(guān)注對象。

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，且價格遠低于碳纖維復(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)勢明顯，密度僅為鋼的1/3，且因為具有易加工成型、高溫耐腐蝕、良好的傳熱性和導(dǎo)電性等特點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)的不斷進步以及規(guī)?；a(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.儲氫容器應(yīng)用現(xiàn)狀及輕量化（1）儲氫容器的國內(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，就是車載儲氫技術(shù)。在氫燃料電池系統(tǒng)中，氫氣的安全儲存是最為關(guān)鍵的技術(shù)，儲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、液化儲氫和金屬氫化物儲氫三種方式更適用于商用要求。高壓儲氫技術(shù)成熟、方便、成本低、產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)好，是目前應(yīng)用最廣泛的一種儲氫方式。液化儲氫的質(zhì)量最小，儲氫罐體積也比高壓儲氫容器小得多。從質(zhì)量和體積上考慮，液化儲氫是一種較為理想的儲氫方式。金屬氫化物儲氫因較高的體積儲氫密度和較高的安全性成為近年來研究的重點，但是由于儲氫容器質(zhì)量大且金屬氫化物對雜質(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。三種儲氫技術(shù)的質(zhì)量諸氫密度及優(yōu)缺點對比見表5-2。5.3.1電池系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及輕量化表5-2三種儲氫技術(shù)對比

衡量儲氫技術(shù)性能的主要參數(shù)是體積儲氫密度、質(zhì)量儲氫密度、充放的可逆性、充放氫速率、可循環(huán)使用壽命及安全性等。高壓儲氫是目前較為成熟的車載儲氫技術(shù)，目前已經(jīng)成為氫能儲存和運輸領(lǐng)域的主流解決方案。但其質(zhì)量儲氫密度小，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)襯高壓儲氫容器主要由內(nèi)襯、加強層、保護層、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）儲氫容器的輕量化圖5-14鋁內(nèi)襯高壓儲氫容器結(jié)構(gòu)1-閥座；2-玻璃纖維復(fù)合材料保護層；3-碳纖維復(fù)合材料加強層；4-內(nèi)襯電機是驅(qū)動電機系統(tǒng)的核心，電機的性能、效率直接影響電動汽車的性能，而電機的尺寸、質(zhì)量會影響到汽車的整體效率。5.3.2電機系統(tǒng)的輕量化1.電機輕量化設(shè)計

目前，新能源汽車使用的電機主要是交流感應(yīng)電機和永磁同步電機，兩者特點對比見圖5-15。永磁同步電機具有功率密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高(約90%~95%)、能耗較低等優(yōu)勢，但是需要使用昂貴的系統(tǒng)永磁材料；交流感應(yīng)電機成本較低，劣勢主要是轉(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)電機與永磁同步電機特點比較

永磁電機的輕量化可以體現(xiàn)為在相同工況下減小電機體積和質(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的性能，其輕量化主要三個方面實現(xiàn)：5.3.2電機系統(tǒng)的輕量化（1）高磁負荷電機（2）高電負荷永磁電機（3）高速電機

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

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

增加電機的轉(zhuǎn)子速度、形成高速永磁電機，是提升轉(zhuǎn)矩密度的有效途徑。高速永磁電機根據(jù)轉(zhuǎn)子類型分為內(nèi)置式高速永磁電機和表貼式高速永磁電機。電機控制器作為新能源汽車中連接電池與電機的電能轉(zhuǎn)換單元，是電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)的核心。電機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，二是電機控制算法及邏輯保護等軟件部分。5.3.2電機系統(tǒng)的輕量化2.控制器

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

但隨著電動汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，對電機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。電動汽車動力總成系統(tǒng)輕量化工作主要圍繞系統(tǒng)化、集成化展開。通過電機與減速器集成，電機與控制器集成，或者電機、減速器和控制器三者集成的方式，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和工藝，實現(xiàn)動力總成輕量化。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、電控與減速器集成，整體技術(shù)已經(jīng)較為成熟。5.3.2電機系統(tǒng)的輕量化3.電驅(qū)系統(tǒng)高集成度設(shè)計

圖5-16中的輪轂電機可通過電驅(qū)傳動總成集成化來實現(xiàn)輕量化，輪轂電機將動力、傳動、制動功能整合于輪轂內(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5.3.2電機系統(tǒng)的輕量化

集成化電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展之初，結(jié)構(gòu)形式較為簡單，是將永磁電機和減速器集成在一起，與車橋結(jié)合形成一體式電驅(qū)動橋，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，但至少實現(xiàn)了二合一的設(shè)計，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)動系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。（1）二合一電驅(qū)動系統(tǒng)圖5-17純電動汽車二合一電驅(qū)動系統(tǒng)5.3.2電機系統(tǒng)的輕量化

隨著電驅(qū)動集成技術(shù)的不斷演變發(fā)展，三合一電驅(qū)動系統(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、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)；或是針對中小型轎車提供的更加輕巧的三合一電驅(qū)動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速可達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純電動汽車三合一電驅(qū)動系統(tǒng)5.3.2電機系統(tǒng)的輕量化（2）三合一電驅(qū)動系統(tǒng)項目驅(qū)動電機電機控制器功率密度/（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)動系統(tǒng)國內(nèi)外對比分析表5.3.2電機系統(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)計可以有效地減小電驅(qū)動系統(tǒng)的體積、降低系統(tǒng)總質(zhì)量。電驅(qū)動系統(tǒng)的各個部件通過整合，整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，安裝尺寸和所占體積得到進一步縮減；與此同時，各部件之間的連接材料因為集成化設(shè)計而大幅度減少，系統(tǒng)質(zhì)量也得到了降低。另外，采用集成化電驅(qū)動系統(tǒng)的機艙更加簡潔，使得汽車各系統(tǒng)布局更加靈活。（3）多合一電驅(qū)動系統(tǒng)綜合來看，電驅(qū)動系統(tǒng)集成化對于純電動乘用汽車行業(yè)來說具有積極的推動作用，但是基于現(xiàn)階段電動汽車供應(yīng)鏈的技術(shù)水平，集成化過程中的設(shè)計和質(zhì)量問題對于整車廠商和供應(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、制動踏板等發(fā)出的各種信號，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)各個控制器的通信。電機控制器的作用主要是接收整車控制器的轉(zhuǎn)矩報文指令，進而控制電機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動方向。在能量回收過程中，電機控制器還負責(zé)將電機副轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的交流電進行整流回充給電池，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)作為電動汽車的中央控制單元，是整個電氣系統(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：電機控制器、電池管理系統(tǒng)、車載充電機、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、制動控制單元等。整車控制器及各控制單元的信號由傳感器采集，通過CAN總線進行信息交互、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取代機械或液壓部件向執(zhí)行機構(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個子系統(tǒng)，分別為線控制動、線控懸架、線控轉(zhuǎn)向和線控驅(qū)動。其中，線控制動的產(chǎn)業(yè)化進度較快，目前在國內(nèi)乘用車前裝市場滲透率已經(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)用實例045.4.1鋁合金促進輕量化鋁合金目前主要應(yīng)用在汽車發(fā)動機、變速箱、傳動系統(tǒng)、防撞梁以及輪轂等組件零部件上，其中鋁質(zhì)發(fā)動機可減重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鋁合金促進輕量化相比于非電動汽車，電動汽車雖然不包含發(fā)動機和變速箱等鋁合金滲透率較高的零部件，但電機、逆變器、動力電池等電氣單元的封裝外殼以及平臺零部件對鋁合金的需求更高。目前，電動汽車市場處于高速發(fā)展階段，將在一定程度上帶動單車鋁需求量增長，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，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、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，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多個沖壓件、擠壓件和鑄件，而ModelY僅需2個一體成型的部件，焊點數(shù)量由700-800個減少到50個。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個小時，一體化壓鑄有望2分鐘完成。成本：特斯拉采用大型壓鑄機，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)計正向的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計在概念設(shè)計階段需要借助拓撲優(yōu)化手段，用于確定車身主體框架設(shè)計?；谕負鋬?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，達到結(jié)構(gòu)、性能和輕量化的初步平衡。圖5-25福特探險者車身拓撲優(yōu)化

福特探險者通過拓撲優(yōu)化手段完成了車身的概念設(shè)計數(shù)據(jù)，如圖5-25所示，通過拓撲優(yōu)化和平臺路徑的設(shè)計，實現(xiàn)燃油車、燃料電池車、插電混動車共用的柔性車身平臺。5.4.3輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計

車身接頭優(yōu)化是在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對連接接頭和連接件進行詳細優(yōu)化，以進一步實現(xiàn)輕量化或提升剛度性能。電動野馬將后側(cè)圍兩個支架優(yōu)化為一個“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

電動野馬后側(cè)圍支架優(yōu)化

截面優(yōu)化也是車身設(shè)計過程中重要的詳細優(yōu)化手段。車身截面設(shè)計貫穿整個開發(fā)過程，從概念開發(fā)到數(shù)據(jù)凍結(jié)。通過對關(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對后縱梁的截面進行了優(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

通過增加平衡桿、加強梁、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)計成環(huán)狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了連接支架，同時將原設(shè)計中的左、右后輪罩加強梁連接在一起，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

（b）左右后輪罩加強梁設(shè)計圖5-28

豐田雅力士車身剛度提升優(yōu)化設(shè)計車身輕量化設(shè)計除以上方法外，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，對車身結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計，達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，對三電系統(tǒng)的輕量化一般從集成化設(shè)計、電池殼體輕質(zhì)材料應(yīng)用、電機殼體輕質(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，最終目標是實現(xiàn)車身、底盤和三電系統(tǒng)的一體化和集成化設(shè)計。表5-3

三電系統(tǒng)輕量化發(fā)展趨勢5.4.4電池系統(tǒng)輕量化技術(shù)路徑及策略圖5-29

三電系統(tǒng)輕量化發(fā)展趨勢電池包殼體電池包殼體是實現(xiàn)電池包輕量化的關(guān)鍵零件，同時起到保障電池包安全性的作用。電池包殼體的輕量化材料一般有三類，包括高強鋼、鋁合金、非金屬復(fù)合材料。電池包下殼體電池包上殼體電池包下殼體的承載和碰撞性能要求較高，通過對下殼體框架截面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，能夠提升防撞性能。奧迪e-tron、捷豹I-PACE、歐拉好貓等車型均為擠壓鋁合金型材拼焊的電池包下殼體，如圖5-29所示。電池包上殼體的承載和性能要求較低，輕質(zhì)材料可選用鋁合金板材、片狀模塑料等材質(zhì)，如圖5-29所示，奧迪e-tron和捷豹I-PACE采用鋁板材上殼體，長城汽車歐拉好貓和奇瑞螞蟻采用SMC上殼體。（a）（b）（c）（d）（a）奧迪e-tron鋁合金電池殼體（b）捷豹I-PACE鋁合金電池殼體

（c）歐拉好貓SMC上殼體/鋁下殼體

（d）奇瑞螞蟻SMC上殼體/鋼下殼體5.4.4電池系統(tǒng)輕量化技術(shù)路徑及策略電池模組無模組技術(shù)促進輕量化和能量密度提升。通過無模組電池包的應(yīng)用，可以大幅提升電池包的體積利用率，體積利用率可以提升20%~50%，另外可以降低模組殼體的質(zhì)量，從而使電池包能量密度提升10%~20%。5.4.5電機系統(tǒng)高集成設(shè)計表5-4多合一電驅(qū)系統(tǒng)的集成零部件及代表廠家驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)迭代的主要路徑是更深層次的集成。深度集成電驅(qū)動系統(tǒng)是在產(chǎn)品開發(fā)過程中，將電機、電機控制器和減速箱的相關(guān)模塊和功能部件進行集成化開發(fā)，以最大程度減少零部件數(shù)量，減小驅(qū)動系統(tǒng)包絡(luò)空間，同時降低系統(tǒng)質(zhì)量。從電機、電控、減速器的動力總成，到動力總成、電源總成組成的六合一總成，再進一步集成BMS、VCU組成八合一總成，電驅(qū)動系統(tǒng)功率密度和效