李德君
南京金龙客车制造有限公司 211215
摘要：近年来，随着经济的发展，汽车行业的科技水平发展程度逐渐提高，汽车行业进入高速发展阶段，然而随之而来的环境和能源问题也日趋加重。轻量化技术变成了各个汽车企业提升市场竞争力的关键。
关键词：电动汽车；车身结构；轻量化
引言
随着我国经济水平的飞速发展,汽车拥有量逐年增加,但同时使用汽车所带来的环境问题也日益凸显出来。为适应节能减排要求,汽车轻量化势在必行。目前实现节能减排的最直接有效的方式就是减轻车辆质量。
1电动汽车轻量化设计的重要意义
目前，我国汽车生产行业将电动车作为具有发展前景的产品，通过充分利用新能源，缓解因汽车数量增加导致的生态气候污染严重问题，从根本上保障地区可持续发展。现阶段，国内电动汽车生产尚未积累丰富经验，在电动汽车性能、续航能力以及能耗等方面依然存在较大提升空间。基于此，汽车轻量化可以提高汽车的舒适性、转向响应、操控稳定性及安全性，节省材料，降低制造成本。具体来说，电动汽车重量轻了，汽车驱动电机将产生更高的加速度，同时，汽车惯性减小，刹车距离缩短，切实提升了电动汽车的续航能力。实验证明，若纯电动汽车整车重量能降低10%，那么平均续航里程将会增加5%～8%，汽车整备质量每减少100kg，100km需要的电耗可降低约7.5%。电动汽车在实际运行过程中，车身结构重量的下降会使得车辆充电次数减少，车辆充电系统运行寿命延长。由于电动汽车内部电池以及附加装置会增加车身结构整体重量，需对车身结构进行轻量化设计，通过控制车身整体重量保障电动汽车运行效果。对电动汽车车身结构进行轻量化研究的根本目的就是在保障或超越汽车原有运行性能的基础上，控制与减轻车辆整体重量，从根本上提升电动汽车的运行水平。从微观角度分析，需要做好设计计算机状态模拟工作，综合分析电动汽车生产过程中的人机工程、工业成本等因素，确保汽车车身结构设计工作能在保证汽车总体开发质量与效率中发挥出重要作用。
2电动汽车车身结构轻量化研究
2.1高强度钢
高强度钢吸能性好，强度高，可使车身重量降低的同时，达到碰撞安全性的要求。目前高强度钢广泛应用在汽车制造相关领域，其中汽车的结构件、安全件和加强件是其应用的主要部分，例如:A/B/C柱、车的前后保险杠以及常见的防撞梁等零部件。钢种的延伸率通常随强度增高而下降，往往会引起在它的加工成型阶段以及发生碰撞时出现早期断裂，限制了它在汽车工业领域的广泛应用。随着材料技术的不断提升，高强度钢的性能得到改善，伸长率也有所提高，从第一代高强度汽车用钢，发展进步到具有极高应变硬化率以及塑性的第二代高强度汽车用钢，例如孪晶诱导塑性钢以及具有诱导塑性的轻量化钢应用程度不断扩大，现在已经发展成为具有高强度和韧性第三代高强度汽车用钢，它的常用种类较多，例如用Q＆P淬火和退火工艺的低合金钢，不仅有较好的可塑性，而且制造时不需要特别的去匹配冷成形加工工艺，使得第三代汽车用钢应用将更加广阔。
2.2玻纤含量
玻璃纤维增强热塑性塑料的性能主要取决于玻纤含量。总体来说,其尺寸稳定性、力学性能等会随着玻纤含量升高而增强。但是玻纤含量升高到一定程度时,其力学性能加强的速率会随着玻纤含量升高而下降或者某些性能直接降低。因此,除非有特殊要求(如高模量),玻璃纤维增强热塑性塑料的玻纤含量控制在45%以内为宜,因此支架材料选定为PA66+45%短玻纤。
2.3电动汽车车身轻量化结构设计关键技术
相较于传统汽车结构，电动汽车增加了车辆部分行车功能，要在电动汽车设计过程中保障车辆运行水平，从根本上控制车辆结构重量。
通过国内外研究成果发现，电动汽车车身结构轻量化设计需要围绕新型材料应用、车身载体结构设计、车身制造方法等方面开展。材料轻量化设计主要使用强度更高的材料，如钢材、合金材料、非金属材料等，将这些材料加工成车身结构，更好地实现车身轻量化设计目标。车辆外部覆盖件均可往非金属材料方向发展。当前所使用的轻量化汽车材料无法满足电动车轻量、安全以及续航能力强等要求，因此需要重点开发出新型轻量化车身材料。由于研发新型车身材料需要强大的技术支持，相对应的实验周期较长，因此在汽车结构轻量化设计过程中，也需要做好材料变性、材料复合以及虚拟实验等工作。其中，材料变性主要就是利用先进的精密化技术保证材料原有的优势，通过物理或化学手段改变不利于车身轻量化改造的性能，确保车身结构材料能达到最佳参数组合。材料复核主要就是将几种材料依照一定比例进行复核加工，确保材料各项优势能被充分发挥出来，在实现电动车车身结构轻量化设计目标的前提下，增强车身结构强度与提高性能。不仅如此，在汽车车身结构新材料开发期间，相关研究部门也可用先进的计算机虚拟技术，建立材料性能动态模型，从根本上降低车辆试验开发难度。
2.4碳纤维复合材料电池包下壳体
碳纤维环氧树脂复合材料密度为1400～1800kg/cm3，约为钢的1/4～1/5，另外具有非常高的比强度(材料拉伸强度与密度之比)和比模量(材料弹性模量与密度之比)，比强度约为钢的5～7倍，比模量约为钢的4～6倍，同时具有优异的低热导率、抗腐蚀性能和阻燃性，是汽车轻量化的理想材料。但目前较为昂贵的价格(约为铝的5倍，钢的10倍)限制了碳纤维复合材料的应用普及，所以碳纤维复合材料电池包壳体目前国内市场上并无量产应用，部分企业进行了前瞻研究探索。天津中科先进技术研究院与力神合作开发碳纤维复合材料电池包壳体总质量约为24kg，较铝合金结构减重50%，能量密度高达210W·h/kg。蔚来与德国SGLCarbon联合开发了84kW·h碳纤维电池包，该碳纤维壳体比铝结构轻40%，能量密度大于180W·h/kg。对碳纤维复合材料电池包壳体进行了轻量化设计和铺层工艺优化，在满足相关工况条件下，得到的壳体重量较钢结构减轻了66%。采用碳纤维复合材料，利用刚度等效设计法对电池包壳体进行轻量化设计，相比于钢结构质量减小64%～67.6%。
2.5镁合金材料
镁材料密度比铝更小(约为铝的2/3)，不但具有重量轻，吸震性能强的特点，而且具有良好的铸件性能、自动化生产能力好、尺寸的稳定性高的特点，是最轻的工程材料之一。适合用于铸造汽车的零部件，如在汽车内部构造中的仪表盘、座椅以及转向结构中。这是因为镁合金虽然耐腐蚀性能差，但汽车内部，零件的工作环境好，不需要对防腐蚀进行特殊考虑。实验研究了轻量化的镁合金车轮相比于铝合金车轮而言其质量降低50%，机械性能更优，对于降低燃油车油耗以及提高电动车续航里程十分重要。目前，汽车外部车身板件(如汽车的车门外板、车顶等)工作环境比较差，镁合金尚未广泛应用。镁未在汽车轻量化市场中发挥出更多应用潜能，主要由于:镁的耐腐蚀性比较差，如雪佛兰采用镁制作了发动机支架，但支架需要连接到车身其余部分，为了防止电腐蚀，采用了重要的隔离策略，但减少镁支架电腐蚀的成本过高，相对而言铝合金就更有价格竞争优势。
结语
我国电动汽车的研发与推广水平依然处于有待提升阶段，虽然现在市场中已经投入了许多电动汽车，但是这些汽车的自重量依然与实际设计目标存在较大差距，为确保电动汽车生产行业能在推动地区可持续发展过程中发挥出重要作用，相关工作人员应当积极开展车身轻量化设计工作，通过不断完善电动汽车运行性能，从根本上延长电动汽车全生命周期，切实提升电动汽车产业的经济效益。
参考文献
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