摘要：新能源汽车的发展速度近几年越来越快，续航里程则成为一大难题，轻量化则可解决这一问题。轻量化的定义是指要保证汽车行驶安全性、通过性及舒适性等不降低并且总成本造价不提高的情况下，有方向的减轻目标重量。本文主要从四个方面介绍可轻量化方式--动力源、结构优化、材料优选和制造工艺。
关键词：新能源汽车；汽车轻量化；动力电池；结构优化；优选材料
1前言
随着国家能源紧缺局势及环境污染问题愈发严重，我国对于新能源汽车的发展也愈发重视，在《中国制造2025》一文中已将新能源汽车的发展列为重点发展的十大领域之一，且总体的发展趋势朝向“电动化”、“智能化”、“网联化”、“轻量化”的方向发展。对新能源汽车的轻量化研发可从安全性高、能量密度大的动力电池方面考虑；同时还可进行整车轻量化设计（如通过优选材料、结构优化等）。已有大量研究数据表明在汽车空载时，70%的油耗与汽车车身质量有关，且在汽车整车质量每减少10%时，油耗就可减少6%-8%，排放也可减少5%左右[1]。如丰田目前最先进的THS4技术，其具有的两大显著优势：一是能够大幅度改善油耗，二是实现6%的整车轻量化。这一技术对新能源汽车提高续航里程有重大意义。
2 轻量化方式
新能源汽车的发展趋势是能源清洁化、驱动电机及逆变器小型化、电驱动系统的集成度更高、车用材料新型化。驱动电机的小型化形式主要是提高永磁电机功率密度、缩短线圈末端和增加线圈的占积率等措施；逆变器小型化的优点是可以降低损耗；也可用碳化硅替代现有的车载硅功率器件。电机优化的方式是使电机、电控、减速器三合一。既降低成本，还可实现小型化、轻量化及高效的运行模式。
2.1 动力电池
目前新能源汽车主要有混合动力电池汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车及其它新能源汽车，普遍是以燃料动力电池作为动力输出源。缺点是此类汽车受续航里程限制，虽可增设充电桩设施缓解，但仍是 “治标不治本”。故研发高能量比的动力电池成为关键的影响点。在“十五”电动汽车重大科技专项布局中规划的 “三纵三横”发展路线，也强调了横向发展中动力电池对于新能源汽车的重大影响。在规划中要求在2020年实现动力电池单体比能量达到300（W•h）/kg，系统的比能量大于210（W•h）/kg[2]。以纯电动汽车为例，目前搭载的动力电池多以三元锂材料为主，可优化为具有阻燃性质的材料。如轻质导热硅胶片来降低动力电池包密度减轻重量，也可采用具有绝缘、质量轻、易加工等优点的塑料。
2.2 结构优化
结构优化设计指利用CAD/CAE软件分析结构模型后，对分析结果采用拓扑优化、尺寸优化和形貌优化等措施，使其在满足各方面使用要求的前提下减轻重量。对重要的结构和零部件在设计初期通过CAE仿真分析模型强度和刚度，优化结构零部件参数后减薄零部件以减轻重量的目的；还可采用拓扑优化并结合参数反演技术实现多目标全局优化等现代车身设计方法，然后去除冗余结构材料再修改优化设计图形，可减少后期设计成本[3]。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆且拓扑优化设计能有目的性的设计零部件结构，可改善或避免原设计中的缺陷；还可通过特定的约束条件仿真分析，可提高材料利用率并减薄板件厚度、优化结构设计及模态静动态力学性能[4]。
2.3 轻量化材料应用
材料轻量化指使用高强度、低密度的轻质材料代替原有的材料。常用碳纤维、高强度钢板、超高强钢、铝（镁）合金、钛合金、复合材料、塑料等替代传统的低强度、刚度的材料，然后结合先进的制造技术、合理的结构设计[4]。在国际市场上主流车型车身使用高强度钢占比70%以上，而自主品牌车应用的高强度钢仅达45%左右，部分车型达50%以上。美国大量研究数据表明，汽车上使用铝材料部件的重量可减55%左右，油耗可降低8%左右。碳纤维复合材料的物理特性尤为突出，强度比铝高30%，是钢的7~9倍且比钢轻50%。应用于汽车车身和底盘时质量可减轻40%~60%，且比同类的钢制零件质量减轻30%左右[5]。
在实际生产中，对车门槛、前防撞梁、纵横梁及电池包防护框架等零件大多采用超高强度钢；车身系统（发动机盖板、车门、行李箱盖等）、热交换器（散热器、中冷器等）及其他系统（冲压车轮、保险杠等）常使用铝合金来制造零部件。
2.4制造工艺
材料与工艺是相辅相成的存在，有了新材料则也需有相应的制造技术将其加工成型。目前汽车零部件的制造工艺主要有对高强钢材料冲压、激光拼焊、液压成型；对铝合金材料有挤压成型、压铸成型、电磁成型；对镁合金材料有铸造及变形技术；对复合材料主要有热固性复合材料及热塑性。目前威廉姆斯的一组主要针对于CFRP材料加工制造的新技术223技术与Racetrak技术。223工艺是适用于二维到创建三维复合结构的经济有效手段，一般用于盒装几何形状及单独组件组装结构，与等效的铝合金材料相比可减重25%-30%且更易实现大批量生产；Racetrak技术主要用于创建连接两个或多点的高强度的结构件，在汽车领域使用时比铝板轻40%左右，比钢板轻60%左右[6]。
3结论
汽车轻量化设计与新型的复合材料密不可分，这是实现可持续发展的必经之路。综上所述对于新能源汽车的轻量化并不只是简单的对车身或者零部件、电池驱动系统及结构优化，还涉及到新型轻质材料的研发并有相应的制造技术以保证相应材料性能得到最大程度的发挥。
参考文献
[1]蔡明 胡巧声 温媛媛 国内外汽车轻量化技术讨论[C].汽车与配件，2014（23）：54
[2]欧阳明高 中国新能源汽车的研发及展望中国新能源汽车的研发与展望[J].科技导报，2016（07）：88.
[3]宫永玉，王矍，张志鹏新能源汽车轻量化途径及其评价[J].汽车实用技术，2017（01）:5-6
[4]黄颖 汽车零部件结构性能分析及关键部件轻量化设计[D].重庆：重庆理工大学，2017
[5]于艳敏 新能源汽车轻量化技术应用现状[J].汽车工程师，2018（11）：51-53
[6]汽车轻量化在线 汽车轻量化进展[J].汽车轻量化在线，2019（2）：1-2
论文作者:崔长青
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/4
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