新能源汽车轻量化设计探讨

耿金华，吴嘉聪，陈伟豪，陈湖演

新能源汽车轻量化设计探讨

耿金华，吴嘉聪，陈伟豪，陈湖演

(佛山职业技术学院，广东 佛山 528137)

轻量化是目前新能源汽车发展的重要方向，从新能源汽车材料、结构、制造工艺方面分析探讨轻量化设计方法，以实现新能源汽车节能减排目的。

新能源；轻量化；结构设计

1　引言

随着现代工业的不断发展，能源短缺及环境污染的问题也越来越严重。汽车是能源消耗和二氧化碳排放的大户，随着国家对节能减排的要求越来越高，汽车行业急需变革。新能源汽车有别于传统燃油汽车，采用新型动力系统，依靠新型能源驱动。使用新能源汽车可大大降低燃料排放量，在很大程度上起到节能减排的作用。当前，发展新能源汽车已经成为世界各国的共识。由于我国的汽车保有量世界排名靠前且仍在逐年增加(如图1所示)，因此更应将新能源汽车列为重点发展的战略性新兴产业，大力发展新能源汽车。

图1 2012-2020年中国汽车保有量

在国家政策的大力推动下，我国新能源汽车技术发展突飞猛进，涉及的技术面范围广泛(如图2所示)。由于目前新能源汽车制造及电池关键技术在短时间内无法突破，因此轻量化设计成为了节能减排重要的突破口[1]。

图2 节能与新能源汽车技术路线图

2　轻量化设计

2.1　轻量化设计背景

新能源汽车轻量化不单指减轻新能源汽车重量，而是要在不提高成本并保证新能源汽车性能的前提下尽可能地减轻整车重量，进而达到降低能耗，减少排放的目的。相对于传统汽车而言，新能源汽车要增设电机、电池、电控系统等设备(如图3所示)，要比传统汽车重5%～25%，所以轻量化设计对于新能源汽车意义重大。

图3　新能源汽车特有部件

2.2　轻量化设计方法

目前，新能源汽车轻量化设计的主要方法有：材料轻量化、结构轻量化和制造装配工艺轻量化。

2.2.1材料轻量化

新能源汽车轻量化设计最直接也是最有效的方法就是采用轻量化的材料。目前，新能源汽车使用的制造材料仍以金属材料为主，并辅以一些性能优良的非金属材料。

高强度钢具有自重轻、强度高、硬度高、塑性高、耐磨性高等优点。以高强度钢为新能源汽车的制造材料，不仅可以降低车身重量，而且在发生碰撞时可以提供很好的保护。但是相对于普通钢材，高强度钢价格较高。目前，新能源汽车车体材料主要还是采用普通钢材，只在制造新能源汽车的前后保险杠、防撞梁等主要零部件时使用了高强度钢[2]。高强度钢存在屈服强度低、焊接性能差、易锈易腐蚀等缺点，阻碍了高强度钢在汽车产业的进一步应用。

镁合金材料是汽车制造金属材料中最轻的材料，具有强度高、刚性好、韧性好、减震性能良好、散热性好的优点，一般应用于新能源汽车的底盘、引擎、传动系统等零部件的制造。因镁合金材料抗拉强度低、抗疲劳强度低、塑性差、耐腐蚀性差，使得镁合金材料在新能源汽车中的应用率偏低。

铝合金也是一种轻质材料，它的密度只有普通钢材的三分之一。铝合金具有抗拉强度高、延展性好、加工性能好等优点，通常被应用于新能源汽车的发动机、传动系统、行走系统中。铝合金是所有汽车金属材料中最有研究前景的轻量化材料，它可以通过铸造工艺被用于制造各种外形复杂的汽车零部件，并且价格低廉可回收利用，有望取代钢材成为汽车最主要的金属材料[3]。

碳纤维增强复合材料是目前比较先进的轻量化材料，它以树脂、陶瓷、橡胶等作为基体材料，添加碳纤维丝束作为增强体，具备了轻质、高强度、高稳定性等优良性能[4]。但碳纤维材料价格昂贵，一般使用在高性能汽车上，难以广泛应用于普通汽车市场，而碳纤维增强复合材料的出现，则打破了这一僵局，有望取代钢材成为新能源汽车的主要材料。

2.2.2结构轻量化

除了使用轻量化的材料来减轻新能源汽车重量，还可以通过轻量化结构设计使新能源汽车减重。轻量化结构设计，是主要通过结构优化、尺寸优化等方式来达到汽车结构轻量化的目的[5]。

汽车结构的轻量化设计主要有以下三种方式：

（1）优化新能源汽车整车结构。首先利用三维软件进行整车结构设计，在车身骨架等部位进行优化设计减轻质量，再通过模型模拟真实情况进行受力分析，校核整车的强度，最后通过碰撞试验测试整车优化后的安全性能(如图4所示)。

图4　优化整车结构流程

(2)在保持新能源汽车性能不改变的前提下，尽量将结构设计小型化，以实现汽车轻量化。该方法主要是在保持新能源汽车的整车结构功能不变的前提下，按比例缩小整车尺寸，并利用软件调整汽车优化性能。

(3)合理利用多种轻量化汽车材料组合。首先通过软件模拟仿真不同材料组合而成的汽车部件进行运动试验，再对比不同材料组合构成的部件强度，在各部件结构材料搭配中寻找到一个最佳组合。

2.2.3汽车制造工艺轻量化

随着轻量化材料的广泛应用，轻量化制造装配工艺也发展迅速。目前，先进的汽车制造工艺有热成形技术、激光拼焊技术、冲压成型技术三种工艺。热成形技术工艺，是综合了落料、加热、冲压等过程的综合制造工艺系统(如图5所示)；激光拼焊技术工艺，是利用激光能源将材料进行拼合焊接形成一块完整的材料，从而满足对汽车不同部件的性能要求；冲压成型技术工艺，是通过对材料施力，使材料变形分离，而获得零件所需的尺寸及形状[6]。

图5　热成形技术工艺

3　总结

在当前全球倡导环保和节能的新形势下，轻量化已成为全球汽车发展的主流和趋势。通过轻量化设计，在制造新能源汽车时采用合适的材料、合理的结构及尺寸、适当的制造工艺，使新能源汽车在保障强度和安全性能的前提下减轻自身重量，从而达到节能减排的目的。

[1] 贾朝贝.汽车结构的轻量化设计措施分析[J].时代汽车2021(2):133-134.

[2] 赵一鸣,郑德兵,柳一凡.基于车身轻量化技术的高强钢应用趋势[J].汽车与配件,2016(46):76-79.

[3] 高永迪.试论铝合金材料在未来汽车轻量化中的应用与发展[J].世界有色金属,2019(21):174,176.

[4] 方鲲,孟秀青,王建军．高性能化的碳纤维复合材料在汽车轻量化应用新进展[J].新材料产业2020(2),63-69.

[5] 齐郑欣.新能源汽车轻量化的关键技术[J].百科论坛电子杂志,2018(4):715.

[6] 胥浩卫.新能源汽车技术研究[J].时代汽车,2020(2):47- 48.

Discussion on the lightweight design of new energy vehicles

GENG Jinhua, WU Jiacong, CHEN Weihao, CHEN Huyan

(Foshan Polytechnic, Foshan, Guangdong 528137, china)

For new energy vehicles, the lightweight design is an important development trend. This article analyzes and discusses lightweight design methods from the aspects of new energy vehicle materials, structure, and manufacturing process to achieve the purpose of energy-saving and emission reduction of new energy vehicles.

new energy; lightweight; structural design

U469.7

A

2096–8736(2021)03–0022–03

2021年广东省科技创新战略专项资金(“攀登计划”)项目“基于虚拟单像素的数字超分辨成像技术研究”(pdjh2021b0921)。

耿金华(1986—)，女，硕士研究生，主要研究方向为汽车机械加工技术。

责任编辑：阳湘晖

英文编辑：唐琦军