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電動汽車減重瘦身勢在必行 “瘦身攻略”讓電動汽車更輕更安全

2021-07-01 10:56:50 來源：科技日報

有研究表明，純電動汽車重量每降低10千克，續(xù)航里程可增加2.5千米。我們的目標(biāo)是通過攻關(guān)能夠讓車身減重30%以上，同時保證車輛的安全性能達到五星標(biāo)準(zhǔn)。

趙會

長安汽車首席專家、輕量化純電動轎車項目總監(jiān)

減重瘦身，不僅僅愛美之人需要，汽車也需要。在“十三五”國家重點研發(fā)計劃“新能源汽車”重點專項中，輕量化純電動轎車集成開發(fā)已作為一項重點攻關(guān)項目。

近日，記者從重慶長安汽車獲悉，該公司聯(lián)合中國汽車工程研究院股份有限公司、中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司、中國科學(xué)院寧波材料所等國內(nèi)13家科研院所、供應(yīng)商聯(lián)合開發(fā)，從材料、分析、設(shè)計、制造、整車集成到試驗驗證等6個方面進行攻關(guān)，突破了多項技術(shù)瓶頸，開發(fā)出了一款具有國際一流技術(shù)水平的碳纖維車身純電動轎車，為新能源汽車能跑得更遠(yuǎn)更快減去“體重”之憂。

迫在眉睫電動車減重瘦身勢在必行

汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性。實驗證明，汽車質(zhì)量降低一半，燃料消耗也會降低將近一半。由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。

“相比燃油車，新能源汽車對于減重的需求更為迫切。”長安汽車首席專家、輕量化純電動轎車項目總監(jiān)趙會表示，相比燃油車，新能源汽車往往重10%，其動力電池占到了整車重量的三分之一到二分之一，在鋰動力電池能量密度和安全性的矛盾沒有解決之前，減重是提高續(xù)航里程的有力保證之一。有研究表明，純電動汽車重量每降低10千克，續(xù)航里程可增加2.5千米。

對于新能源車來說，減重主要從三個方面進行：材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化和制造工藝輕量化。

對此，輕量化純電動轎車集成開發(fā)項目旨在通過“產(chǎn)學(xué)研用”重點突破碳纖維車身載荷分布與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、車用低成本碳纖維、碳纖維車身和鋁合金車架一體化集成設(shè)計等技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)多種輕質(zhì)材料及先進工藝的集成應(yīng)用，掌握碳纖維車身純電動轎車試驗驗證和評價等核心技術(shù)，開發(fā)一款具有國際一流技術(shù)水平的碳纖維車身純電動轎車。

“我們的目標(biāo)是達到國際一流水平，通過攻關(guān)能夠讓車身減重30%以上，同時保證車輛的安全性能達到五星標(biāo)準(zhǔn)。”趙會表示，當(dāng)前在“電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化”科技革命的促進下，汽車工業(yè)正在發(fā)生重大變革，為行業(yè)發(fā)展帶來前所未有的挑戰(zhàn)，也帶來了千載難逢的發(fā)展機遇，正是中國品牌汽車對國外品牌彎道超車的好時候，如果能夠攻克輕量化這一共性技術(shù)難點，那么將對中國品牌汽車高質(zhì)量發(fā)展提供極大的支撐。

技術(shù)突破掌握“材料之王”的制備秘訣

要實現(xiàn)輕量化，首先要突破的難點就是材料。

一般車型車架的材料會采用鋼、鐵材料，昂貴的車型有可能會使用全鋁的車身或者是碳纖維的車身，在減輕重量的同時又可以保證強度與性能。不過使用碳纖維復(fù)合材料、鋁合金這兩種材料都面臨的一大難點就是成本。

重量輕、強度高，碳纖維復(fù)合材料可以說“除了貴以外，沒有任何缺點”。這種主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的“材料之王”，在汽車領(lǐng)域只有超跑等豪車會使用。它的貴不僅在于原材料成本高，也在于其生產(chǎn)和制造工藝難。

“它的原材料價格在國際上是120元1公斤，而且我國在材料加工技術(shù)上還沒有達到國際一流水平。”趙會介紹，對此，他們對低成本碳纖維規(guī)模化制備方式進行了研究，提高紡絲速率，縮短預(yù)氧化時間，同時開發(fā)碳化熱能循環(huán)利用技術(shù)，使碳纖維材料成本降低25%，工藝水平國內(nèi)領(lǐng)先。

長安汽車輕量化純電動轎車項目設(shè)計總師張金生介紹，在仿真分析、載荷分布和結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，項目組采用大變形理論，通過碳纖維復(fù)合材料級—零部件級仿真與試驗分析研究，建立了準(zhǔn)確的碳纖維復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系模型，最終實現(xiàn)了復(fù)合材料CAE仿真高精度，剛度對標(biāo)精度達到80%以上，在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。

針對碳纖維前罩行人保護困難的行業(yè)難題，研究人員通過內(nèi)板開缺口、減少鋪層、加支架、加緩沖泡沫等優(yōu)化方案，將行人保護頭部得分提升至8.18分，且重量比鋼罩板減輕約40%，是國內(nèi)首款達成行人保護五星得分率并實現(xiàn)小批量生產(chǎn)的全碳纖維前罩。

工藝攻關(guān)搭建國內(nèi)一流輕量化車身應(yīng)用平臺

車子既要減重又要保證性能，為了解決這一看似矛盾的需求，研究人員不僅在材料上，更在制造工藝上使出了“十八般武藝”。

“我們的一大突破是在A柱和B柱的加強件上采用超高強鋼。”趙會解釋，A柱是左前方和右前方連接車頂和前艙的連接柱；B柱在駕駛艙的前座和后座之間，安全帶就在B柱上。A柱、B柱都是支撐車輛結(jié)構(gòu)強度的主要部分，強度越高，車身抗撞擊能力越強。對此，研發(fā)人員基于碰撞傳力，國內(nèi)首次在A柱的加強件上采用1700兆帕（MPa）高強鋼3D輥彎成型技術(shù)，B柱采用1800MPa熱成型技術(shù)，將減重需求、駕駛舒適性和安全性三者融合，有效保護乘員安全。

鎂合金比鋁合金輕，針對此材料工藝特點，研發(fā)團隊在座椅骨架和轉(zhuǎn)向支撐方面采用鎂合金壓鑄工藝，不僅零件集成化程度高，尺寸穩(wěn)定，安裝精度高，各項性能均滿足要求，而且相比鋼制件減重30%以上。

為了讓鋁合金減重，研發(fā)團隊在鋁合金后連接件采用多腔體復(fù)雜截面設(shè)計方案，代替鋁合金壓鑄成型，大幅降低成本，并實現(xiàn)減重40%。張金生說，這個安裝精度要在2毫米以內(nèi)，是輕量化零部件制造上的關(guān)鍵點。

同時，團隊研發(fā)了鋁合金高真空壓鑄技術(shù)，實現(xiàn)鋁合金減震塔一模兩件模具設(shè)計、生產(chǎn)及裝車性能驗證，減震塔零件可焊接可鉚接。“它的壁厚最薄處才2毫米，屈服強度達120兆帕，延伸率達12%。這對于材料制造工藝和控制要求非常高，我們在這方面達到了國內(nèi)先進水平。”趙會表示。

如何將這么多材料連接在一起也是挑戰(zhàn)。對此，團隊在工藝制造和設(shè)計方面，開展了碳纖維、鋁合金、鎂合金等14種輕質(zhì)零部件成型技術(shù)研究，通過多種異質(zhì)輕質(zhì)材料連接技術(shù)研究，項目實現(xiàn)了多種異質(zhì)材料間的高效連接。同時，項目突破多種輕量化材料集成設(shè)計技術(shù)，開發(fā)了“碳—鋁—鋼—鎂”多種材料集成車身結(jié)構(gòu)，碳纖維+鋁合金占比76%，車身減重達31%。上車身采用膠接為主、膠鉚結(jié)合的連接方式，鋁車架采用焊接、鉚接等連接方式，實現(xiàn)連接強度與韌性的有機統(tǒng)一。

在整車集成方面，項目完成車身從全傳統(tǒng)材料—混合材料—全新材料三階段的設(shè)計與開發(fā)，解決新材料集成設(shè)計能力和新結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗不足問題，實現(xiàn)了多材料輕量化車身達成碰撞安全五星結(jié)構(gòu)耐撞性的目標(biāo)。

“在試驗評價方面，針對碳纖維車身純電動轎車的設(shè)計、制造、服役的技術(shù)特點和零部件、系統(tǒng)及整車的性能要求，項目團隊完成167項試驗，建立了適用于輕量化純電動轎車的測試評價體系。”趙會表示，通過基礎(chǔ)技術(shù)研究與創(chuàng)新應(yīng)用研究的有機結(jié)合，多項關(guān)鍵輕量化技術(shù)已實現(xiàn)在長安及行業(yè)其他車型上的成果落地。

趙會表示，接下來，他們將繼續(xù)研究輕量化的新能源汽車的量產(chǎn)化問題，讓更輕更安全的新能源汽車走向市場。

標(biāo)簽：電動汽車減重瘦身材料輕量化