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热点问题研讨会系列之电动汽车轻量化

与传统燃油车相比,电动汽车的轻量化更为重要。电池能量密度的提高十分困难,需要大量资源的投入,且很难达到汽油和氢燃料的能量密度水平,这就要求减轻电动汽车重量,以增加续航能力,提升能量利用率,轻量化由此成为电动汽车发展的必由之路。目前,国内外企业在实现电动汽车轻量化的道路上进行了多种尝试,特别是在材料、整车设计、制造工艺等方面的研究和应用已取得突破性进展,实现轻量化不再是空中楼阁。然而,推动电动汽车轻量化的进程中仍面临诸多阻碍,如新材料加工效率低、开发思想及流程尚未转变、产学研合作不足等。 

针对以上问题,中国电动汽车百人会于11月26日召开第七次电动汽车热点问题研讨会,来自政府、行业学会、高校和企业的100余名嘉宾围绕电动汽车轻量化的技术问题展开探讨,中国电动汽车百人会理事长陈清泰对研讨会进行了总结发言。


多种技术促进电动汽车实现轻量化

轻量化的目的是在保证安全的前提下减轻汽车自身重量,以减少能量消耗,实现这一目标的技术途径有很多。目前,国内外汽车企业已在优化产品设计、工艺创新以及新材料应用等方面取得突破性进展,电动汽车轻量化道路前景渐明。

优化结构改进整车设计

湖南大学成艾国教授介绍了用拓扑优化的方式进行整车设计以实现汽车轻量化的思路。他表示,在已经给定整车重量、设计造型、成本、性能等目标的情况下,可通过拓扑优化的方式迅速得到基本判断。其目的是在给定的设计空间内为设计人员提供结构质量最轻、性能最优的力学传递路径方案。以造型、总布置参数、底盘形式、动力系统布置为输入条件,建立初始拓扑优化模型。拓扑优化在常规汽车上已成功实践。成艾国介绍,东风柳汽乘龙M7车架多工况拓扑优化设计是基于密变法的拓扑优化工程实践,其簧悬架的车架减重97Kg(节省成本680元)、空气悬架的车架减重36Kg(节省成本250元)、节省开发时间10天。

目前,湖南大学已经用拓扑优化的办法对电动汽车的骨架进行优化。基于拓扑优化方法的轻量化策略相比常规轻量化方法可节约30天开发时间、多减重22.4kg,同时还可以不同程度的提升整车性能。

奇瑞新能源技术有限公司副总经理、研究院院长倪邵勇随后表示,目前奇瑞新能源轻量化车型是通过经验设计结合实车试验来完成,希望可以通过拓扑优化的方式来进一步提升产品各项指标。

新工艺减少零部件数量

通过采用新工艺可大大减少零部件使用数量,实现轻量化目标。意大利APS技术有限公司总裁王嘉介绍,传统汽车的副车架有八到十个零件,将车门内外版包边的概念应用到副车架上,零件数量可减少至两个,并且焊接减少,强度提高。此外,铝型材的三维弯曲、钢铝焊接以及碳纤维零件的成型是目前面临的全新工艺。其中,碳纤维总成的方式已取得突破性进展,在兰博基尼Sesto Elemento这一项目中,将前围、地板、后围集成为一个整体式座舱,取代了传统结构的48个零件,这些零件主要分为4—6大片,成型之后直接粘接,工艺简单,但减重效果突出。整备质量在加注燃料和其它液体之前只有960 公斤。 

碳纤维材料是主要发展方向

轻量化材料的应用对汽车“减重”起到至关重要的作用,在众多轻量化材料中,碳纤维材料由于密度低、强度高、耐腐蚀、耐高温等特性被寄予厚望,是未来汽车材料的主要发展方向。工业和信息化部原材料工业司副司长潘爱华指出,我国一直将碳纤维作为新材料中最为重要的一个方面在大力推动。据了解,目前已有许多企业在T700、T800和T1000上达到了一千吨以上的产能,并且将碳纤维材料在汽车上的应用作为主攻方向。

一直以来,国际上很多大的汽车企业都在对碳纤维应用于汽车进行了探索并取得突破性进展。王嘉指出,在国际范围内,碳纤维应用于汽车有两个里程碑式的项目——宝马i3和兰博基尼SestoElemento。宝马(中国)高级副总裁Martin Sautter介绍,其i3和i8乘客舱均采用碳纤维材料打造,是全球最先采用碳纤维车身的量产车型。据了解,全新宝马i3的整备质量仅为1224公斤,车辆续航里程、动态性能和安全性也得到优化。

王嘉认为,2020年之后,热塑成型碳纤维将越来越普及,钢板被大量替代。此外,碳纤维材料的成本将不断下降,2017年应该可以达到和铝的价格不相上下。

我国轻量化车型取得突破性进展

目前,奇瑞在电动汽车轻量化技术的研究和应用方面已取得突出成绩。倪邵勇介绍,奇瑞的S51车型采用共享的技术平台,该平台是面向智能化、面向用户可扩展的整车架构。此外,该平台采用首款全铝车身,改变了整体布置,采用技术创新,如断面设计,3D的弯曲,激光焊接等,和传统的车身制造、设计制造有很大不同。S51是首个大批量生产的全铝车身架构汽车产品,重量比传统车减重30%到40%。

中国电动汽车百人会理事长陈清泰表示,在当前碳纤维材料成本居高不下的情况下,奇瑞S51在在全铝车身方面的成功探索给国内轻量化技术的发展带来很大信心。


发展电动汽车轻量化面临挑战

在新材料的应用方面,我国材料的品种数量和性能与发达国家存在较大差距。其中,车用碳纤维复合材料刚刚起步,还处于技术探索和积累阶段,在碳纤维材料应用方面仍存在一些阻碍。首先表现在成本过高,不利于广泛应用。Martin Sautter表示,碳纤维材料的新挑战在成本方面,因此在应用时要非常慎重。除材料本身的价格,加工效率低同样会对成本产生影响。潘爱华指出,我国存在材料和加工成本控制难度大的问题,材料本身并没有贵的很离谱,但是由于加工效率低,导致成本增加,给企业带来巨大压力。

碳纤维在汽车上的应用改变了传统汽车的设计,开发流程、设计思想以及制造工艺,其根本原因在于碳纤维材料是可设计的,碳纤维零件工艺是多样化的,未来碳纤维应用于汽车没有标准化的材料,整个车和零部件的开发过程就是材料开发过程。碳纤维的应用要求企业进行转型,而目前大多数企业难以突破固有思维。王嘉指出,目前存在的一种误区是完全以钣金车体的思维思考碳纤维应用,甚至按照钣金的来设计之后拿着数据去做碳纤维零件。导致原来零件数量一点都没减少,重量可能减轻一点,但是成本增加的更高。

中国汽车工程学会副秘书长张宁强调,轻量化的问题很复杂,而目前跨产业的协同及产学研合作方面非常不足。例如,现在理论上已经找到大幅提高碳纤维性能,使原有成本降低三分之一的方法,但是由于缺乏交叉学科人才,厂商与科研团队之间沟通不畅,严重阻碍了轻量化进程。

研讨会上,清华大学教授周青、奥科宁克亚太区公司事务副总裁黄志湘、上海克劳斯玛菲机械有限公司中国区副总裁Joerg Wittgrebe以及中国区首席销售经理张照将也进行了发言,分别介绍了在轻量化方面取得的研究及应用成果。


中国电动汽车百人会理事长陈清泰在总结发言中表示,我国对汽车电动化推动力度较大,而对轻量化支持力度较弱。但从当前我国汽车企业在轻量化方面取得的成绩来看,实现这一目标并不遥远。他指出,轻量化带来的变化是颠覆性的,设计理念、工艺、装备都要改变,原有的技术存量将被逐渐淘汰,中国企业目前还缺乏这个准备,应加速转型,在这一过程中看到新的机会,埋头追赶原来在燃油车上与国际上的差距。



(来源:中国电动汽车百人会 信息部)

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