2022年电动汽车整车技术及其发展研究报告 .docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用电动汽车的整车技术及其进展讨论【摘要】着眼于可连续进展,节省资源、削减环境污染成为世界汽车工业界亟待 解决的两大问题；节能、环保、安全是当今世界汽车工业关注的主要话题；电动 汽车是当前及将来汽车的进展方向；电动汽车是高科技综合性产品 , 除电池、电 动机外 , 车体本身也包含很多高新技术；而对整车技术的讨论有利于减小汽车质 量和对能量的消耗；【关键词】电动汽车整车技术新材料应用 进展前言汽车产业的进展, 日益增大的石油能源的消耗, 将加快从能源短缺到能源枯竭的步伐；汽车排放造成的大气污染和地球的温室效应, 成为世界全人

2、类的公害；人类社会和汽车产业的可连续进展 , 受到极大的威逼 , 进展汽车新能源、开发汽车新动力 , 成为世界汽车产业面临十 分紧迫的任务；当代融合多种高新技术而兴起的纯电动汽车、混合电动汽车、燃料电池汽车 , 特殊是立足于氢能基础上的燃料电池汽车正在引发世界汽车工业的一场革命 , 呈现了汽车工 业新能源、新动力进展的光明前景；本文将在下面着重介绍电动汽车的整车技术,以及一些 新材料在电动汽车上的应用；1整车技术这是很重要也是常被忽视的 要包括：国内的开发常是改装车,忽视对电动车整体技术的讨论）；主 轻质车身的材料和制造技术,高强度轻质车架,如复合材料、铝合金、金属蜂窝材料及其 加工技术,新型

3、电动车辆造型与结构的整体设计,CAD技术等； 基于微电子的电动车智能化综合监控治理系统,对动力链的各环节进行治理,如电池治理、剩余电量显示、充放电掌握、电控系统的监控等,涉及到延长蓄电池的使用寿命,提高电能 的利用效率和电动车的续驶里程等重要技术性能指标；整车技术的深化讨论将对电动汽车产生深远影响,比如：采纳轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料 , 优化结构 , 可使汽车自身质量减轻30% 50%；实现制动、下坡和怠速时的能量回名师归纳总结 收；采纳高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎, 可使汽车的滚动阻力削减50%；汽车车身特殊第 1 页,共 10 页是汽车底部流线型化, 可使汽车的空气阻力削减

4、50%；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用2 新材料的介绍与应用2.1 镁合金2.1.1 镁合金的特点镁合金是一种轻合金,熔点为650；金属镁及其合金是工程应用中最轻的金属结构材料,纯镁的密度仅为1.738g cm-3,而常规镁合金如AZ91密度也只是 1.81g cm-3,约为铝的 2/3 ,钢的 1/4 ,接近工程塑料的密度 质量；2 ,因此将镁合金应用在汽车领域中可极大地减轻结构件的2.1.2 镁合金与其它金属相比镁合金具有很多性能优势： 1）密度小,常用金属中最轻的金属 例如 AZ91镁合金的密度是 1.81g cm-

5、3,约为铝的2/3 ,锌的 1/4 ,不到钢或铸铁的 1/4 ,接近工程塑料的密度；对于含 30%玻璃纤维的聚碳酸酯复合材料来说,镁的比重也不超过它的 一为几种金属的密度对比表1 几种常用金属密度10%；因此镁合金的使用可有效减轻汽车的质量；表金属名称 密度 g/cm3）与镁比Mg 1.74 23 Al 2.71 35 Ti 4.50 58 Zn 7.13 90 Fe 7.87 100 2）比强度高 抗拉强度、屈服强度、伸长率与铝合金铸件相当；从设计者的立场考虑,密度小的金属如不具有高强度,将没有意义；试验显示,镁合金的比强度比铝合金和钢高；因此在不降低零部件强度条件下,镁合金铸件比铝铸件的重

6、量减轻大约 25%；几种常用的镁合金性能见下表 2；表2 常用镁合金的性能名师归纳总结 合金抗拉强度 MPa 拉伸屈服强度 MPa 拉压屈服强度 Mpa 延长率弹性模量 GPa 第 2 页,共 10 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用AM60A 205 115 115 6 45 AS21X1 240 130 130 9 AS41A,XB 220 150 150 4 45 AZ91ABD 230 150 165 3 45 A350 325 160 4 71 3）热传导性好 具有良好的耐腐蚀性能、电磁屏蔽性能、防辐射性能,可进行

7、高精度机械加工,且热传导性好,虽然镁合金的导热系数不及铝合金,但是比钢高近 1倍,比塑料材料高 10倍；因此镁合金已广泛用于压铸汽车轮毂上,可有效散发制动摩擦热量,提高制动稳定性；4）良好的焊接和铸造性能镁合金的熔点、比热容和相变潜热比铝合金低,融解耗能较少,固化速度快,动力粘度低具有良好的压铸成形性能和尺寸稳固性,压铸件生产周期比铝合金短,易形成薄壁结构件,压铸件壁厚最小可达 才能低,不易粘模,铸模寿命比生产铝合金高015 mm,镁与铁的亲和力小,固溶铁的 2,3倍,适合制造各类汽车压铸件；5）对振动、冲击的吸取性能好 具有良好的阻尼系数,镁合金对振动能量的吸取才能强,消震性能优于铝合金和铸

8、铁,用于驱动和传动部件上可以降低噪声,用于座椅、轮圈、方向盘可以削减振动,在汽车发出碰撞后很好地吸取冲击能量,提高汽车的安全性和舒服性；6）抗凹陷性能好 镁合金与其他金属相比抗变形才能强,由冲击而引起的凹陷小于其它金属；7）易于机械加工 镁合金特别易于机械加工,在无冷却液、无润滑剂的情形下能实现高负荷加工,得到光滑的加工面,衡量机械加工的指标之一是动力消耗量；表 3是以镁合金为 1的情形下,各种合金机械加工时的动力消耗量比较；由表 性；表3 机加工时动力消耗量比较3可知镁合金具有良好的机械加工合金种类动力消耗量之比合金种类动力消耗量之比镁合金1.0 铸铁3.5 铝合金1.8 软铜6.3 黄铜2

9、.3 镍合金10 8）易于回收再生；回收的镁合金可直接熔化再进行浇铸,且不降低其力学性能；镁合金 同其它金属相比,熔点低,比热小,在再生溶解时所消耗的能源是新材料制造所消耗能源的 4%；此外,镁合金的电磁波屏蔽性好,外表美观；更为重要的是,镁是自然界中分布最广的名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用元素之一,约占地壳质量的 2.35%,列第八位,仅次于 O、 Si 、Al 、 Fe、Ca、 Na 、K,由于镁本征化学性质活泼,在自然界中主要以化合物的形式存在,在陆地上的含量为 1.930%,海

10、水中的含量为 0.42%,达 2.1 1015t ；我国是世界上镁矿资源最富有的国家；主要含镁资源包括菱镁矿：资源总量 31.45 亿t ,居世界首位；白云石：资源总量约 40亿t ；盐湖卤水：柴达木盆地镁盐保有储量 48.15 亿t4；丰富的镁矿资源为我国镁产业的可连续进展供应了最牢靠的资源保证；相反,铁矿及铝矿资源就相对贫乏一些；已探明世界储量的铁矿石与铝土矿的可采储量保证年限只有约70年和 50年；我国的铁、铝资源更加贫乏,储量仅占世界比例18.7%和2.3%,可采储量保证年限分别在 30年左右和 10年以下；从污染角度讲,钢铁的质量密度大,消费量大,其制品在使用过程中易造成高能耗和污染

11、排放；铝虽为轻质材料,但仅铝电解一个工艺环节的电耗就占到整个有色工业的90,并也间接导致高污染排放；而被冠以“21世纪绿色结构材料” 5 美誉的金属镁在这些方面就相对好一些；据中国有色金属工业协会数据统计 ,2022 年18月份全国共产原镁 44.89 万吨 , 同比增长 16.8%；需要说明的是,由于受到国际各种金属材料的影响,刚才价格的上升,使镁合金成 本方面的劣势进一步减小,镁合金的综合优势进一步明显；因此,对于盛产镁合金资源的中 国来说,中高档轿车采纳镁合金制作汽车零件也就更加彰显优势了；2.1.3 镁合金的新进展尽管镁合金在汽车上的应用具有其它金属不行比拟的优点,但在过去几十年中,由

12、于价 格和生产技术方面的缘由,镁合金始终未得到广泛应用,近年来随着镁价格逐步下降,使镁 合金在汽车中全面应用逐步成为可能,世界范畴内各主要汽车生产国不断加大在镁合金开发 和应用技术讨论上的投入,从而一些新技术相继问世； 1. 耐蚀镁合金2个方面来解决：错误 .严格限制镁合金中的 Fe 、Cu、Ni等镁合金的耐蚀性的问题可通过杂质元素的含量；例如,高纯AZ91HP镁合金 Mg、Al 、Zn）在盐雾试验中的耐蚀性大约是AZ91C镁合金 Mg、Al 、Zn）的 100倍,超过了压铸铝合金 A380Mg、Al 、 Zn）比低碳钢仍要好；错误 .对镁合金进行表面处理；依据不同的耐蚀性要求,可挑选化学表面

13、处理,阳极氧化处理、有机物涂覆、电镀、化学镀、热喷涂等方法处理；例如,经化学镀的镁合金,其耐蚀性超过 了不锈钢；2耐热镁合金 耐热性差是阻碍镁合金广泛应用的主要缘由之一；当温度上升时,镁合金的强度和强蠕变性能大幅度下降,使它难以作为关键零件如发动机零件）材料在汽车工业中广泛应用；耐热镁合金的讨论与开发主要环绕新合金讨论和改善现有镁合金的高温性能两个方面进行；Mg-Al-SiAS ）系合金是德国大众汽车公司开发的压铸镁合金；当在175时, AS41合金的蠕变强度明显高于 AZ91Mg、Al 、Zn）和 AM60Mg、Al 、Zn）合金；20世纪 80岁月,国外致力于利用Ca来提高镁合金的高温拉强

14、度和蠕变性能表现良好；日本东名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 北高校采纳快速凝固法制成的具有个人资料整理仅限学习使用3100-200nm晶粒尺寸的高强镁合金,强度为超级铝合金的倍,并具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性；3. 阻燃镁合金 镁合金在熔炼烧铸过程中易发生猛烈的氧化燃烧；上海交通高校轻合金精密成型国家工 程中心通过同时加入几种元素,开发了一种阻燃性能和力学性能均良好的轿车用阻燃镁合金,胜利进行了轿车变速箱盖的工业试验；4. 高强高韧镁合金现有镁合金的常温强度和塑韧性均有待进一步提高；在Mg-Zn和Mg-Y合金中

15、加入 Ca、Zr 可显著细化晶粒,提高其抗拉强度和屈服强度；加入 Ag和Th能够提高 Mg-稀土 -Zr 合金的力学性能,如含有 Ag的QE22A合金具有较高的室温拉伸性能和抗蠕变性能；5. 变形的镁合金虽然目前铸造镁合金产品用量大于变形镁合金,但经变形的镁合金材料可获得更高的强度、延展性及更多样化的力学性能,可满意不同场合结构件的使用要求；因此开发变形镁合金具有长远的进展趋势；美国胜利研制了各种系列的变形镁合金产品；通过挤压和热处理得到的 Zk60或Al7475Mg、Al 、Zn）合金；而采纳快速凝固RS）、粉末治金 PM）和热挤压工艺开发的Mg-Al-Zn 系EA55RS变形镁合金,成为迄

16、今报到的性能正确的镁合金,其性能不但超过常规镁合金,比强度甚至超过7075铝合金 Mg、Al 、Zn）,并具有超塑性300, 436）,腐蚀速率与2024-T6 合金 Mg、Al 、Zn）相当,成为先进镁合金材料的典范；日本最近开发出超高强度的Mg-Y系变形镁合金材料,可冷压加工的镁合金板材；6. 镁合金成形技术镁合金成形分成变形和铸造两种方法,当前主要使用铸造成形工艺；压铸是应用最广泛的镁合金成形方法；近年来进展起来的镁合金压铸新技术有真空压铸和充氧压铸,前者已成功生产出 AM60B镁合金 Mg、Al 、Zn）汽车轮毂和方向盘,后者已用于生产汽车上的镁合金零件；镁合金半固态触变铸造、陶瓷基复

17、合材料CMC和金属基复合材料MMC；碳纤维增强环氧树脂基复合材料的强度、刚度、耐热性能是其它材料无法比拟的,其比强度、比模量均高于其他材料,拉伸强度比铝、钢都大,弯曲、压缩、剪切等机械性能优良；以树脂和金属为基体的复合材料在车身上的应用较为成熟；2.2.1 碳纤维复合材料特性碳纤维增强复合材料具有应用于车身制造的诸多优势；为了确保足够的安全性能,在主承载车身结构件上汽车厂商通常要挑选强度,刚性及耐冲击性能均很高的材料用于制作主承力结构件,这时环氧树脂碳纤维增强复合材料就成为抱负的材料挑选；环氧树脂碳纤维增强复合材料具有可设计性、质轻高强、与同体积的铝合金构件相比减重可达 50%,耐冲击,耐腐蚀

18、抗疲惫 , 材料寿命长,此类材料制作的主承载车身结构件,不仅大大提高了汽车的安全性,而且降低了车重 削减了燃油消耗,提高了经济性,另外仍改善了美观性；1. 复合材料具有极高的比模量和比强度,是目前常用材料中最高的；密度小、质量轻,碳纤维的密度为1.5-2g/3 cm , 相当于钢密度的1/4 ,铝合金的1/2 ,用其制成与高强度钢具有同等强度和刚度的构件时,其重量可减轻20%左右；表4碳纤维环氧增强塑料与几种材料特性的比较名师归纳总结 材料种类纤维含密度拉伸强弹性模比强度比模量第 6 页,共 10 页钢量体积/g cm度 /Mpa 量/Mpa /m /km 比/% -3 1000 214000

19、 1.3 0.27 7.8 高级合金钢8.0 1280 210000 1.6 0.26 铝2.6 400 70000 1.5 0.27 2A12铝合金2.8 420 71000 1.5 0.25 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 玻璃增强塑料高强度型60单向2.0 1100 个人资料整理仅限学习使用40000 5.5 0.2 碳纤维环60单向1.5 1400 130000 9.3 0.87 氧塑料高模量型60单向1.6 1100 190000 6.2 1.2 碳纤维复合材料具有比玻璃纤维更低的密度和更高的强度,因此比强度很高；另外,由于其密度方面的压倒

20、性优势,替代钢材后,车体质量将是钢材的25%左右,却10 倍于钢强度；2. 纤维复合材料的抗疲惫性能极佳；由于在疲惫载荷作用下的断裂是材料内部裂纹扩展的 结果,碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体间的界面能有效阻挡疲惫裂纹扩展,具有较高的 断裂韧性和假塑性,而外加载荷有增强纤维承担因而疲惫强度极限比金属材料和其他非金属 材料高很多；如下是三种材料疲惫强度的比较；2 m /kgf/m力应150 碳纤维复合材料100 玻璃钢铝合金循环次数 /r 103 10 4 10 5 106 107图 1、三种材料疲惫强度3. 碳纤维复合材料是汽车金属材料最抱负的替代材料,在碰撞中对能量的吸取率是铝和钢 的 45

21、 倍,减轻车身质量的同时,仍能保证不缺失强度或刚度,保持防撞性能；下面是碳 纤维复合材料和其他材料的对比结果；图 2,、能量碰撞吸取对比4. 碳纤维复合材料的工艺性和可设计性好,调整CFRP材料的外形、排布、含量,可满意构名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用件的强度、刚度等性能要求,能用模具制造的构件可一次成型,削减紧固件和接头数目,可以大大提高材料利用率；2.3 铝与铝合金的应用 铝作为汽车材料有很多优点,如在满意相同力学性能的条件下,比钢削减质量60%,且易于回收、在碰撞过程中比钢多吸取

22、50%的能量、无需防锈处理等；比强度和比刚度特别优良的铝金属基复合材料的讨论开发胜利,为汽车轻量化的进一步进展提供了途径；据猜测 2022 年每辆轿车的平均铝使用质量将进一步上升到 130kg,与 1998 年相比增长 53%；世界铝协会在日前发表的一项讨论报告中宣布,铝在汽车中的用量已超过 铸铁,成为仅次于钢的其次大汽车材料；北美、欧洲和日本汽车的单车平均用铝质量如图 1 所示,其中北美汽车铝的应用水平最高,乘用车每车平均用铝质量目前已达 145kg,欧洲平均每车用铝 118kg,日本情形与欧洲比较接近；图 3 北美、欧洲和日本汽车的单车平均用铝量2.3.1 铝合金车身框架结构从各国汽车制造

23、商推出的概念车看,在车体结构上大多数采纳无骨架式结构和空间框架式结构,而且大多数以铝挤压型材为主；如图2 所示,尽管铝材的强度和刚度比钢材小很多,但是通过框架结构设计及采纳更厚的板材,补偿了这个不足,使用铝材后的车身空间框架式结构质量下降47%,同时采纳改进的断面形式,使车身抗扭抗弯才能增加了13%；图 4 框架结构图例名师归纳总结 奥迪公司的 A2型轿车,采纳了全铝骨架车身和铝合金蒙皮结构,使总质量削减到895kg,第 8 页,共 10 页车身由车身框架、刚性型材、铸铁接头和罩壳板组成,比传统钢体车身轻43%,力学性能提高40%；另外,奥迪 A8系列良好的碰撞安全性也是基于它的ASF铝合金空

24、间框架结构1车身结- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用构；这种车身采纳高强度铝合金骨架,包围整个乘员室,就像一个防护的笼子；宝马 Z8型车 也采纳了骨架结构和铝合金蒙皮车身,不仅提高了整车的刚度而且削减了汽车的振动,使 z8 成为宝马家族中最受欢迎的一种车型；可见采纳铝合金骨架以及其蒙皮车身在增加整个车身 的刚度,提高汽车被动安全性的同时,大大降低了车身的总重量；但是,由于铝材料的回弹 大且易显现裂纹,使铝板在冲压时比钢板难度大,仍没有大批量完全采纳铝板生产汽车；目 前采纳全铝制车身一般是年产量在几千辆的小批量生产的汽车,大批量

25、生产的中型轿车车身 . 中铝结构的比重只占 3%7%；2.4 塑料塑料是一种高分子材料,用它代替各种昂贵的有色金属和合金材料,不但可以提高汽车 造型的美观度与设计的敏捷性,而且仍可以降低汽车的能耗；此外,塑料的应用有抗腐蚀、耐磨、隔热、消声、减振等优点；近年来,塑料在汽车上的应用越来越多,目前已由内外装 饰件向车身掩盖件和结构件方面进展,而且由通用塑料为主转变为工程塑料、纳 M塑料等为 主；塑料主要应用在衬套、装饰件及车身某些部件上,可是人们追求的目标是应用在整个车 身外壳上；全塑汽车的开发已成为国外各大汽车公司长期以来竞相追求的目标,通用、福特、戴 克、丰田等公司在该领域走在前列；不久前在美

26、国汽车城底特律举办的“ 北美国际汽车展” 上,福特公司展出了一个新品牌“ 思索”THINK）牌电动汽车,小巧玲珑,全塑车身,质量为 940kg,充电 1次能行驶 85km,时速达到 90km/h ；戴姆勒克 - 莱斯勒公司生产的VCC Composite Concept Vehicle概念车,一种几乎全塑材料的车身外壳；车身材料含有玻璃增强纤维,加强车身的刚度和硬度,仍含有稳固剂、冲击延展剂、颜色添加剂等；3 小结电动汽车在动力不足、续驶里程短等问题的制约下,轻量化材料在电动汽车中的讨论十 分重要；随着材料技术的进展,电动汽车车身材料将向更轻质、易成形、低成本、易回收、高稳固性方向进展；综合国

27、内外已经开展的讨论,足见汽车车身结构轻量化的理论讨论和实 际应用都取得了重要的进展；例如在赛车和高档跑车之外,碳纤维增强复合材料可以很大程 度地应用于传统汽车中替代传统零部件材料,如发动机系统、传动系统、底盘系统；参考文献1 BOSCH CRBSZ 2022 2 Yimin GAO , Ali Emadi, Mehrdad Ehsani Modern Electric, Hybrid Electric,and Fuel Cell Vehicles Fundamentals,Theory , and Design 4 刘倩 , 单忠德 . 镁合金在汽车工业中的应用现状与进展趋势 M. 铸造技术,2022812:1688-1692.名师归纳总结 5 彭婓 . 碳纤维增强塑料在汽车领域掀起一场革命J.汽车与配件, 2022 第 10 页,共 10 页6 王宏雁,陈君毅. 汽车车身轻量化结构与轻质材料J.北京高校出版社,2022-664 7 崔胜民,韩家军. 新能源汽车概论J.北京高校出版社,2022 - - - - - - -