电动汽车轻量化技术研究现状与发展趋势.pdf

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1、电动汽车轻量化技术研究现状与发展趋势 陈辛波;杭鹏;王叶枫【摘 要】为深入研究电动汽车轻量化技术,主要从电池轻量化、电驱传动总成轻量化、车身轻量化和其他零部件轻量化 4 个方面对其研究现状进行了介绍,从技术层面分析了电动汽车在材料、设计方法及制造工艺的轻量化上取得的进展.总结了电动汽车轻量化对续航里程、行驶能耗、电池寿命和安全性能等方面的影响.从高比能量和高比功率电池、高功率密度电机及轻量化车身 3 个角度提出了电动汽车轻量化技术的关键问题,并对电动汽车轻量化技术提出展望.【期刊名称】汽车工程师【年(卷),期】2015(000)011【总页数】7 页(P23-28,57)【关键词】电动汽车;轻

2、量化技术;轻量化效果;发展趋势【作 者】陈辛波;杭鹏;王叶枫【作者单位】同济大学新能源汽车工程中心;同济大学汽车学院【正文语种】中 文 我国汽车保有量和销售量逐年上升，使得我国石油对外依存度逐年上升，节能降耗已刻不容缓。迫于国家对汽车燃油消耗量逐渐降低的要求，各大汽车厂商纷纷抓紧了对新能源汽车尤其是电动汽车的研制与推广，电动汽车的销量正逐渐上升。与传统燃油汽车相比，电动汽车目前所使用的动力电池的比能量比燃油的比能量小很多，且电池的引入大幅增加了汽车的整车质量，这使得电动汽车的续航里程远不如传统燃油汽车，因此加快对电动汽车的轻量化显得十分迫切。目前，国内外对传统燃油汽车的轻量化做了很多研究，但对

3、于电动汽车轻量化技术的直接研究相对较少，文章在综合前人对电动汽车轻量化技术研究的基础上，主要从电池轻量化、电驱传动总成轻量化、车身轻量化和其他零部件轻量化 4 个方面对目前电动汽车轻量化技术的研究现状、轻量化效果和关键技术问题进行分析，并提出展望。1 电动汽车轻量化技术研究现状 1.1 电池轻量化 目前电动汽车所使用的动力电池可以分为蓄电池和燃料电池 2 类。蓄电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂电池等。与传统燃油汽车相比，电动汽车装备了过重动力电池组件，这使得电动汽车的续航能力和动力性相形见绌。为此，以提高电池的质量能量比（比能量）和质量功率比（比功率）为目标，实现动力电池的轻量化，是目前电动汽

4、车动力电池研究的重要方向。铅酸电池因为采用体积质量较大的金属铅作为电极材料，比能量和比功率低是其致命缺点，虽然可以通过增大电极的表面积来提高比功率，但这却会增加侵蚀速度而缩短电池寿命1。通常可以通过轻量化反应容器来提高比能量，再在铅酸电池活性物质中加入合适的添加剂以提高电池容量寿命2。与铅酸电池相比，镍氢电池具有更高的比能量和比功率，如表 1 所示，且不存在重金属污染问题，所以在电动汽车动力电池市场更具有竞争力3。制约镍氢电池发展的主要原因是其在低温时容量减小，高温时充电耐受性差以及制造成本较高4。为解决在高温和低温条件下，镍氢电池存在比功率下降的问题，可以通过提高金属氢化物电极表面催化剂的活

5、性、使用合适的添加剂和导电粘结剂及优化电池设计等方法来提高镍氢电池的高速充放电功率和容量5-6。表 1 电动汽车动力电池性能指标电池类型铅酸电池镍氢电池锂电池比能量/（Wh/kg）比功率/（W/kg）3050 30110 100250 6075 2501 200 250340 循环次数 500800 5001 500 4002 000 锂电池与铅酸电池和镍氢电池相比，比能量和比功率均有所提高，如表 1 所示，其比能量约为镍氢电池的 23 倍，是铅酸电池的 46 倍。锂电池根据电极材料不同又可以细分为钴酸锂电池、镍钴锰三元锂电池、锰酸锂电池和磷酸锂电池等，目前在电动汽车上均有使用，各具优势。目前

6、已经产业化的电动汽车多采用锂电池作为动力电池，表 2 示出部分产业化纯电动汽车动力电池的使用情况。从表 2 可以看到，国产电动汽车仍以磷酸铁锂电池和三元锂电池为主要动力电池，三元锂电池比能量较高，从发展趋势上可以看出，未来三元锂电池将更受青睐。表 2 部分产业化纯电动汽车动力电池性能比较车辆名称荣威E50 比亚迪 e6 腾势奇瑞 eQ 江淮 iEV5 北汽 EV200 特斯拉 Model S85 宝马 i3 电池类型磷酸铁锂电池磷酸铁锂电池磷酸铁锂电池三元锂电池三元锂电池三元锂电池钴酸锂电池高压锂离子电池容量/kWh 18 63 48 23 23 30 85 22 电池组质量/kg 235 7

7、50 550 256 230 291 900 233 比能量/（Wh/kg）77 84 87 90 100 103 94 94 续航里程/km 120 322 253 151 240 245 502 160 充电时间/h 上市年份 2013 2014 2014 2015 2015 2015 2015 2014 0.56 1.58 132 810 2.58 18 410 15.5 相比于传统的铅酸电池、镍氢电池及锂电池等蓄电池，燃料电池具有更高的理论比能量，能够有效克服传统电池导致续航能力不足和输出功率低的技术瓶颈7。燃料电池的轻量化主要集中在双极板及储氢设备的轻量化上。双极板质量要占电池总质量

8、的 70%以上，为了减轻电堆的质量和体积，就必须使双极板降低质量、减小体积，尽量做到小型化与轻量化，这对双极板的材料选型、流场设计和加工提出了更高要求8。此外，寻求储氢能力更强的轻质材料也是燃料电池轻量化的重点9。1.2 电驱传动总成轻量化 电动汽车的电驱传动总成主要包括驱动电机、减速器及传动轴等零部件，在整车质量中占有较大比重，故电动汽车电驱传动总成的轻量化显得十分必要。尤其对于分布式驱动电动汽车，若驱动系统质量偏大将引入较大的非簧载质量，恶化汽车的行驶平顺性和操纵稳定性10-11。驱动电机是电动汽车电驱传动总成的核心部件，其基本要求是体积小、质量轻、转矩大、效率高及功率大，小型轻量化是驱动

9、电机的发展趋势，衡量其轻量化水平的相对指标为功率密度。“十二五”期间，国家对电动汽车驱动电机功率密度提出的要求是大于 2.7 kW/kg；“十三五”期间，驱动电机功率密度的目标是大于 3 kW/kg。这对电动汽车驱动电机的高功率密度特性提出了更高的要求。目前，电动汽车上所使用的驱动电机主要有永磁同步电机和交流异步电机 2 类。表 3 示出部分电动汽车驱动电机的性能参数，从表 3 可以发现，交流异步电机的工作电压和转速都不算高，但其功率密度却大于永磁同步电机，主要原因是交流电机不使用永磁体材料，质量较小，且交流电机可以自我励磁，建立远超永磁体的磁场强度。表 3 部分产业化电动汽车驱动电机性能比较

10、车辆名称 汽车类型特斯拉 Model S90D 比亚迪秦宝马 i3 荣威 E50 纯电动车混合动力车纯电动车纯电动车电机类型 最大功率/kW 最高转速/（r/min）电压/V 质量/kg 交流异步电机永磁同步电机永磁同步电机永磁同步电机 310 110 125 52 最低扭矩/Nm 660 250 250 155 8 600 12 000 11 400 8 000 375 501 360 380 52 28 65 30 功率密度/（kW/kg）6.0 3.9 1.9 1.7 最高车速/（km/h）210 150 150 130 续航里程/km 560 70 160 120 上市年份 2015

11、2014 2014 2013 高功率密度电机由于高速高频的特性，与传统电机在运行特性上有很大的不同。主要特点包括：转子高速旋转，额定转速均在 6 000 r/min 以上，最高转速可达 10 000 r/min 以上，由于转速较高，使得电机供电频率很高，在200 Hz 左右，最高频率可达 1 000 Hz 以上12-13；较高的电磁负荷，导致电机单位体积的损耗增大，使得电机各部件的温升偏高，需要更为有效的冷却方式14。为提高永磁同步电机的转矩密度和功率密度，永磁材料多选用剩余磁通密度、矫顽力和最大磁能积较大的永磁材料，考虑电机单位体积损耗很大，温升很高，为避免发生退磁的危险，高功率密度永磁同步

12、电机永磁材料宜选用钐钴永磁体。高功率密度电机转速是普通电机的几倍甚至十几倍，使得电机定子要承受很大的离心力，这对高速转子结构的机械强度提出了很高的要求。高功率密度永磁同步电机转子的永磁体多采用内嵌式结构，为克服电机运行时绕组产生的电磁力和离心力，可采用无纬带箍保护转子15。交流异步电机为了降低电机的铁耗，通常采用的方法是适当降低铁心中的磁感应强度，采用高导磁低损耗的铁心材料，选用较薄的硅钢片；为了降低定子铜耗，电机线圈应选用高导电率的导线，如银铜线；为提高电机效率，异步电机转子材料多选用紫铜；异步电机多采用铸铜转子以提高电机功率密度16-17。特斯拉汽车驱动异步电机采用冷压铜条工艺，端环与整个

13、铜条冷压在一起，两端加保护环固定，使电机转子能够承受较高的离心力14。在散热系统设计上，高功率密度电机多采用强迫风冷和水冷。水冷冷却效果较好，但结构较为复杂，且会加重驱动系统的质量，不利于轻量化设计，风冷系统结构简单，通过合理设计能够达到较好的散热效果。提高驱动电机功率密度是实现电动汽车驱动系统轻量化的重要路径。此外，对电机壳体结构可以进行优化设计，采用轻质合金，减轻电机壳体质量；对电机转子可以采用空心轴结构，在磁路允许的情况下，以转子铁心开孔的方式减重18。为实现电动汽车电驱传动总成的轻量化，集成化设计是一条重要的技术路径。可以将驱动电机与变速箱集成，驱传动系统与悬架、转向系统集成，文献19

14、设计了一体化单摆臂悬架-轮边减速式电驱动系统，如图 1 所示。此系统既有效地抑制了因驱传动系统带来的簧下质量负效应，提高了行驶平顺性和乘车舒适性，又为整车轻量化做出了贡献。图 2 示出米其林公司研发的主动车轮，该车轮集成了刹车系统、驱动系统、传动系统及悬架系统等多个系统，很大程度上减轻了整车质量 20。图 1 一体化单摆臂悬架-轮边减速式电驱动系统 图 2 米其林主动车轮 1.3 车身轻量化 汽车车身质量在整车质量中占有相当大的比重，一直以来都是汽车轻量化的重要对象，对电动汽车也不例外，甚至显得更加重要。由于动力电池的引入很大程度上增加了电动汽车整车质量，使得电动汽车的动力性和续航能力远不如传

15、统燃油汽车，故在电池技术获得较大突破之前，车身轻量化是一条重要的技术路径。电动汽车车身轻量化可以通过选用轻量化材料，采用轻量化设计方法，并结合轻量化制造工艺三方面来实现。1.3.1 轻量化材料 1）高强度钢。高强度钢是指屈服强度介于 210550 MPa 的钢材，而屈服强度超过 550 MPa 的钢材则称为超高强度钢。高强度钢主要应用于制造车身板件及车身结构件。与普通钢相比，高强度钢能够大幅增加构件的变形抗力，提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。在同等强度等级下，高强度钢可以通过减薄零件来达到减轻车身质量的目的21。2）轻质合金材料。铝、镁、钛合金材料是目前金属材料中体积质量较小的轻质合金材料，

16、将其应用于电动汽车车身能够有效减轻车身质量，降低能耗并提升动力性能22。铝合金车身具有质量轻、耐腐蚀性好、耐磨性好、比强度高及可回收等优点23，越来越受到汽车厂商的青睐。相比于传统的钢板车身，轻质铝合金车身可以显著减轻车身质量 30%40%。此外，铝合金车身几乎可以 100%回收循环再利用，这对环境保护十分有利。镁的体积质量只有铝的 2/3，铁的 1/4，在实用构造金属材料中最轻。镁合金车身质量轻、比强度高、比刚度高、抗冲击性好及阻尼减振性好，使用镁合金可以极大降低车身的质量24。镁制车身板件与传统钢材制品相比最多可减重 75%。因此，镁合金车身具有很大的应用潜力。但镁合金车身研制目前仍存在很

17、多的困难需要克服。镁合金的冲压成型工艺还不成熟，这使得制造成本非常高。相比于铝制板材件，镁合金车身板件的成本要高出34 倍。钛合金是一种综合性能十分优异的轻质合金材料，具有体积质量小、比强度和比断裂韧性高、疲劳强度和抗裂纹扩展能力好、低温韧性良好、抗腐蚀性能优异、抗阻尼性能强、耐热性能好及吸气性能好等优点 25。钛合金材料优越的性能使其在汽车车身上的应用具有巨大的潜力，目前制约其发展的主要因素是昂贵的价格。3）复合材料。复合材料是由 2 种或 2 种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，提高材料的综合性能。复合材料具有体积质

18、量小、比强度和比模量大、耐磨耐蚀性好及加工成型方便等优点，正逐步取代金属材料，在汽车工业中发挥着越来越重要的作用。目前复合材料在汽车车身中的应用主要有玻璃纤维增强塑料（GFRP）和碳纤维增强塑料（CFRP），是重要的车身轻量化材料。目前在汽车车身部件上使用的 GFRP 材料主要有片状模压复合塑料（SMC）、玻璃纤维毡增强热塑性材料（GMT）和树脂传递模塑料材料（RTM）26。SMC 是用低黏度的树脂复合物浸渍片状玻璃纤维而制成的片状模压塑料复合材料，具有质量轻、设计自由、制件整体性好及耐用性好等优点。GMT 是一种以热塑性树脂为基体，以玻璃纤维毡为增强骨架的复合材料，具有轻质高强、耐腐蚀、易成

19、型、可回收等特点，多用于汽车保险杠材料27。某公司采用 GMT 代替原来的金属材料制造的运动轿车的保险杠，与原先相比质量降低了近60%。RTM 是在模具型腔中预先放置玻璃纤维增强材料，闭模锁紧后注入树脂胶液浸透玻璃纤维增强材料，固化后得到的复合材料28。RTM 被广泛应用于车身制造，如顶盖、侧围外板及行李箱盖等。CFRP 材料是以各种树脂、碳、金属及陶瓷为基体材料的塑料，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。和其他车身材料相比，CFRP 具有诸多优势。CFRP 作为车身材料，质量轻和强度大的特点使其在车身轻量化上效果显著，与钢材相比，CFRP 的体积质量只有钢材的 20%30%，

20、而硬度却是钢材的 10 倍以上，这使得 CFRP 车身比钢质车身减轻 50%以上，比铝质车身减轻约 30%。除此之外，CFRP 还具有良好的抗疲劳性、碰撞吸能性及制造工艺性，这些优点都适应轻量化车身材料的需求。CFRP 在电动汽车车身轻量化上已有所应用29-30，某公司已经成功将碳纤维复合材料应用于电动汽车量产车型，使其车身质量降低300 kg 左右。1.3.2 轻量化设计方法 汽车车身轻量化设计是针对车身结构应用优化设计方法，在保证车身结构性能要求的前提下，减少冗余材料，提高材料利用率，从而达到车身轻量化的目的。优化设计是将数学中的最优化理论与工程设计相结合，将实际设计问题转化为最优化问题，

21、根据设计对象不同，结构优化设计按设计变量的类型可以分为结构尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化 4 个层次。在电动汽车车身轻量化优化设计方面，文献31利用有限元软件，对低地板城市电动客车车架结构进行了有限元分析，并计算了该客车在弯曲、转弯、制动及扭转 4种工况下的应力，根据计算结果提出了降低车身质量的方案。文献32-33以提高电动大客车的多种性能指标为目的，在多种工况下对其车身结构进行了优化技术问题的分析和研究。文献34针对线性结构与非线性结构拓扑优化的不同点进行研究，提出了一种非线性结构的拓扑优化方法，同时将该方法应用于电动客车电池舱门的优化设计中，取得了较好的效果。1.3.3 轻量化制造

22、工艺 轻量化制造工艺主要指轻量化车身材料制造和连接的新工艺。车身材料制造方面包括复合材料的片状模压成型（SMC）、树脂转移成型（RTM）等成型工艺及金属合金材料的液压成型、内高压成型、热成型及铝合金半固态成型等新型成型工艺35-37。车身连接新工艺一方面可实现复合材料、轻质合金及高强度钢等不同车身轻量化材料之间的连接，另一方面可减轻车身质量，实现车身轻量化。中频焊接能够焊接高强钢、带镀层钢板、不锈钢、铝合金及异种导热材料；激光焊接可实现不同型号、异种金属之间的焊接，尤其适用于超高强度钢和轻质合金的焊接；特种焊接主要应用于热塑性汽车复合材料部件；激光拼焊是通过高能量的激光将几块不同材质、不同厚度

23、、不同涂层的钢材焊接成一块整体板再冲压生产38，可使车身零件数量减少约 25%，车身质量减轻 20%，抗扭刚度提高 65%，振动特性改善 35%，并且增强了弯曲刚度39。除了焊接连接技术之外，复合材料之间的连接还多用粘接和铆接技术。粘接技术是采用高性能结构粘接剂粘接的连接方式，目前常用的汽车复合材料结构粘接剂主要有环氧树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂；铆接技术多采用铆钉和螺栓，不需要进行表面处理和后续抛光，可重复拆卸。为了使不同连接方式的优势互补，提高接头扭转刚度和疲劳强度、改善密封性及汽车的 NVH 性能，可以将多种连接方式复合使用，如“铆接-粘接”，“点焊-粘接”等40。1.4 其他零部件轻量

24、化 目前轻质合金和复合材料是汽车零部件轻量化的主要材料，如用镁合金或铝合金锻压轻量化轮毂以减轻非簧载质量，可改善加速和操控性能；用镁合金制造仪表板骨架、座椅、转向柱部件、中控台、变速器壳体、转向盘及电池壳体等39，41；利用 LFT 复合材料能够承受高强度和高冲击的特点，制造油门踏板、塑料齿轮变速箱及电器插接盒等；用纤维增强塑料制造的圆簧与传统钢制弹簧相比，可以减轻质量 40%以上。2 电动汽车轻量化效果分析 电动汽车轻量化对电动汽车的续航里程、能耗和电池使用寿命有着重要影响。文献42以某纯电动城市客车为轻量化对象，对这三方面的影响进行了实证分析，结果表明电动汽车轻量化能够有效提高续航里程、降

25、低能耗、减少电池更换次数。此外，文章还将电动汽车轻量化收益与燃油汽车进行对比，结果表明电动汽车轻量化效果比燃油汽车更加显著。文献43对电动汽车轻量化效果进行了分析研究，得出了对电动汽车进行轻量化有利于减小能耗、降低电动车成本、减少能量损失及提高效率的结论。除此之外，轻量化还有利于改善汽车的转向、加速和制动等操纵性能，有利于降低噪声和减轻振动44。电动汽车实现轻量化，面临的重要问题就是安全问题。对大量撞车事故的统计数据进行研究表明，在两车正面相撞的条件下，乘员死亡的比例（R）（车 1 的死亡人数/车 2 的死亡人数）与汽车自身质量存在的经验关系为45：式中：m1，m2车 1 和车 2 的质量，k

26、g。由上式可知，轻量化的确会大大降低汽车的安全性能，但通过使用屈服强度比高的高强度钢、冲击能量吸收率高的轻合金及结构泡沫等新材料，能显著提高汽车的安全性。3 电动汽车轻量化技术关键问题与发展趋势 3.1 高比能量和比功率电池 铅酸电池虽然比能量和比功率较低，但其存在价格上的优势，仍会在低速短途电动汽车上占有一席之地。镍氢电池虽然具有较高的比能量和比功率，但其制造成本较高，随着锂电池的大规模生产和成本的降低，将会逐渐退出。锂电池在比能量和比功率上具有显著的优势，制造成本和大功率锂电池的安全性是制约其发展的主要因素。超级电容与锂电池的综合使用有利于提高锂电池的功率密度，采用固体电解质的全固态电池是

27、解决锂电池安全问题的重要途径。对于氢燃料电池，开发新型更高能量密度储氢合金以及电池整体结构的优化设计是其轻量化技术发展的关键。未来新能源电池如锂硫电池和石墨烯电池等或许会对电动汽车驱动电池带来历史性变革。3.2 高功率密度电机 一方面，汽车所需求的电机输出和能量回收功率不断提高，以满足不同工况不同车型的需求；另一方面，新型机电一体的传动系统尺寸受到车内空间的限制。这就需要驱动电机向高功率和小尺寸发展，高功率密度电机成为电动汽车驱动电机的必然选择。要想进一步提高驱动电机功率密度，需要克服一些技术困难：提高功率密度将导致供电频率增大，电机铁耗将大幅增加；提高功率密度，电机单位体积的损耗增大，温度升

28、高，对永磁体耐热性和电机散热性能提出了挑战；提高功率密度将使得电机转子的最高转速增大，转子材料及结构的机械强度需要得到保证，以保证电机转子在承受较大离心力的情况下能够正常运行。电驱传动总成的集成化是一种趋势，未来高功率密度轮毂电机的使用将使电驱传动总成的轻量化水平大幅提高。3.3 轻量化车身 从轻量化车身材料上看，镁合金、钛合金及碳纤维复合材料的工艺要求和制造成本都非常高，尚有许多关键技术没有突破，目前还不太适合电动汽车轻量化车身制造，高强度钢和铝合金目前和未来一段时间将是主流的轻量化车身材料。随着铝合金在半固态成型及快速凝固等先进成型技术研究与应用方面取得的突破性进展，未来铝合金在轻量化车身

29、材料上的优势将更加明显。车身结构轻量化设计方面，由于汽车车身结构轻量化设计起步时间不长，缺乏经验，还存在一些技术难点。如有限元分析法主要应用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、振动及噪声等方面的模拟分析还有待于积累更多的经验，对车身结构或部件的各项性能指标进行系统分析及优化的实例都还处于探索阶段；目前的车身结构优化一般局限于单目标优化设计模式，事实上采用这种模式常常会对多个重要的总体性能指标难以取舍和兼顾，建立整车结构多目标与多工况优化模型是今后的研究方向38。4 结论 高比能量、比功率动力电池和高功率密度电机研制将是电动汽车轻量化技术的难题；未来汽车的塑料使用水平将成为其轻量化水平的一个重要

30、标志，高性能塑料以塑代钢可能会成为一种趋势，随着制造工艺的改进和生产成本的降低，碳纤维车身有望大规模量产使用；先进的生产制造技术，如3D 打印技术等，将会给电动汽车轻量化注入新的活力。参考文献 【相关文献】1LUKICSM,CAOJ,BANSALR C,et al.Energystorage systems for auto-motive applicationsJ.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55（6）:2258-2267.2EDWARDSDB,KINNEYC.Advancedlead acid batterydesign

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