純電動汽車核心零部件輕量化安全技術(shù)的研發(fā)

陳立旦++齊忠蒙

摘 要：本文通過分析國內(nèi)外汽車輕量化研究現(xiàn)狀，提出了純電動汽車核心零部件輕量化安全技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和實施方案及實施路線。本研究有利于降低原油依賴程度，有利于減少環(huán)境污染，有利于推動電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程。

關(guān)鍵詞：電動汽車 輕量化 安全技術(shù) 研發(fā)

中圖分類號：U469 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

本文為2015浙江省教育廳高等學(xué)校訪問工程師校企合作項目階段性成果。

1.研究背景

電動汽車的發(fā)展一直受到各國政府的高度重視，政府通過各種政策鼓勵新能源汽車的研發(fā)生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。我國政府也投入了大量的人力、物力、財力，進行電動汽車的研發(fā)，部分核心技術(shù)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。可以說，電動汽車的產(chǎn)業(yè)化必將成為中國汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整實現(xiàn)跨越式發(fā)展的切入點。

為了進一步降低新能源汽車的能源消耗，減輕環(huán)境污染，新能源汽車研發(fā)企業(yè)和生產(chǎn)廠家必須要研發(fā)出新的輕量化技術(shù)。消費者一般認(rèn)為汽車輕量化必然降低汽車安全性，但是隨著新興材料的出現(xiàn)和運用，汽車輕量化并不會降低安全性。事實證明，在各種新的設(shè)計理念、新技術(shù)、新材料和新工藝的集成應(yīng)用下，完全可以實現(xiàn)安全性、輕量化水平的共同提升。

2.汽車輕量化研究現(xiàn)狀

汽車輕量化主要包括兩個方面：車輛設(shè)計的優(yōu)化和輕量化材料。其中車輛設(shè)計主要包括車身輕量化、發(fā)動機輕量化、底盤輕量化三個方面；輕量化材料主要包括碳纖維、鋁合金、鎂合金、鈦合金、工程塑料、復(fù)合材料和高強度鋼等，主要用來改造和替代傳統(tǒng)的車身材料。

汽車輕量化已經(jīng)成為國外主要汽車OEM降低油耗、提升節(jié)能環(huán)保的重要方面。為此，美、日、歐、韓都分別制定了一個明確的發(fā)展指標(biāo)和路線。在輕量化材料方面，美日歐汽車OEM廠商在材料動態(tài)物理力學(xué)性能測試及評價技術(shù)，如高應(yīng)變速率拉伸試驗技術(shù)、吸能試驗技術(shù)等均加大研發(fā)力度，部分廠商已取得一定突破。

目前，國內(nèi)汽車輕量化材料正在加速發(fā)展，車用高性能鋼板、鎂合金已在汽車上有所應(yīng)用。在汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面，國內(nèi)已從主要依靠經(jīng)驗設(shè)計逐漸發(fā)展到應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計方法進行靜強度計算和分析階段。

3. 純電動汽車核心零部件輕量化安全技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)

3.1動力系統(tǒng)優(yōu)化匹配技術(shù)

提出一種能達到指定功能需求的電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配方法，利用ADVISOR進行二次開發(fā)，從電機、電池、傳動機構(gòu)等的選型匹配進行動力系統(tǒng)參數(shù)整體優(yōu)化，從而提高整車等效燃油經(jīng)濟性和續(xù)駛里程。在完成動力系統(tǒng)各部件選型和參數(shù)匹配后，基于CAE仿真技術(shù)，針對不同驅(qū)動方案，對動力系統(tǒng)進行合理布置，研究使整車具有合理軸荷分配的最優(yōu)空間布置方案。此系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)可以優(yōu)化空間分配，減少零部件的用材，減輕車身重量。

3.2車輛總體布置技術(shù)

通過CATIA視覺化人機工程學(xué)模塊以及裝配模塊進行整車總體布置設(shè)計，對關(guān)鍵總成進行強度校核和模態(tài)分析，并進行整車性能分析和計算，有效減少車輛總體布置成本，同時使布局更合理，減輕車身重量。

3.3車輛安全結(jié)構(gòu)與車身輕量化協(xié)同設(shè)計

采用高強度鋼板、模塊化部件及采用鋁、碳纖維和其他新興材料的同時，應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法，在優(yōu)化模型中綜合考察白車身扭轉(zhuǎn)剛度、最大碰撞力、碰撞吸能要求和質(zhì)量最輕等多個性能指標(biāo)要求，進行安全可靠性優(yōu)化設(shè)計。

4. 純電動汽車核心零部件輕量化安全技術(shù)實施方案

本項目首先確定集轎車的安全性和小型車的節(jié)能減排的電動汽車整車性能為研究背景，制定總體研發(fā)方案。以總體研發(fā)方案為指導(dǎo)，研發(fā)出更具經(jīng)濟性和安全性的電動汽車，對動力系統(tǒng)優(yōu)化匹配和整車安全結(jié)構(gòu)與輕量化協(xié)同設(shè)計進行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。通過動態(tài)仿真試驗、臺架試驗、路面試驗，不斷優(yōu)化設(shè)計，不斷改進樣車獲得最佳輕量化性能，完成小批量試產(chǎn)。如圖1所示。

5. 純電動汽車核心零部件輕量化安全技術(shù)實施路線

5.1整車總體布置

開發(fā)扁平式電池箱結(jié)構(gòu)，動力電池組安裝在電池箱內(nèi)，電池箱安裝在前后橋的底盤中間位置，采用扁鐵吊裝的方式固定。設(shè)計開發(fā)電池箱散熱系統(tǒng)，空氣入口在電池箱前方，采用軟管連接，進入駕駛倉，作為進氣口，電池箱后方安裝一個冷風(fēng)機，采用軟管與電池箱連接的方式，抽風(fēng)降溫。采用動力裝置前置驅(qū)動設(shè)計，將驅(qū)動電機，控制器等零部件安裝在前機艙位置。電壓箱、車載充電機、高壓電氣盒等系統(tǒng)總成和零部件布置在座椅下面，保證其碰撞安全性。

5.2 動力系統(tǒng)優(yōu)化匹配

開發(fā)一套切實可行的電動汽車動力系統(tǒng)自動匹配軟件，根據(jù)開發(fā)車型的動力性和驅(qū)動方式要求，進行初步動力匹配。對電動汽車專用軟件ADVISOR進行二次開發(fā)，進行動力系統(tǒng)的優(yōu)化，基于等效燃油經(jīng)濟性和續(xù)駛里程，選取最優(yōu)組參數(shù)，并結(jié)合實際情況，最終確定各電池、電機、傳動機構(gòu)等部件的參數(shù)。在此基礎(chǔ)之上，設(shè)計動力系統(tǒng)布置方案，利用三維建模軟件CATIA對動力系統(tǒng)進行建模并在虛擬環(huán)境下將其裝配至整車。運用計算機虛擬技術(shù)，計算整車的軸荷分布，根據(jù)最佳軸荷分布選定動力系統(tǒng)布置方案。依據(jù)布置方案進行樣車改裝，通過樣車試驗，驗證修改所設(shè)計的動力系統(tǒng)，最終建立電動汽車通用動力系統(tǒng)優(yōu)化匹配仿真—試驗平臺。

5.3整車安全結(jié)構(gòu)與輕量化

建立參數(shù)化網(wǎng)絡(luò)有限元模型，確定車身結(jié)構(gòu)輕量化方案，結(jié)合車身剛度、模態(tài)等進行分析驗證，合理協(xié)調(diào)車身薄弱環(huán)節(jié)的加強與車身剛度優(yōu)化的關(guān)系、車身低階振動與車身剛度優(yōu)化的關(guān)系、車身剛度優(yōu)化與車身輕量化的關(guān)系等，實現(xiàn)電動汽車車身輕量化效果；同時，進行整車碰撞安全模擬分析及優(yōu)化方案，確保整車的碰撞安全性能，實現(xiàn)整車質(zhì)量目標(biāo)、安全目標(biāo)、NVH目標(biāo)，同時實現(xiàn)整車成本可控的目的。具體車身輕量化設(shè)計方案如下（如圖2）：

一是采用Benchmark方法對電動汽車目標(biāo)車型進行結(jié)構(gòu)和用材分析，提出車身的結(jié)構(gòu)和用材方案。二是采用CAE方法分析車身零部件的強度、剛度、模態(tài)等，對車身的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。三是采用目標(biāo)分解的方法，將減重的目標(biāo)逐級分解到車身的各個部件，挖掘車身可實現(xiàn)減重的所有零部件潛力，形成輕量化設(shè)計方案。四是采用不同專業(yè)優(yōu)勢集成、不同類型的材料優(yōu)勢集成、不同技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢集成，實現(xiàn)車身輕量化、性能優(yōu)化和成本控制。

6. 純電動汽車核心零部件輕量化安全技術(shù)應(yīng)用前景

6.1經(jīng)濟效益

研發(fā)一種采用鋁、碳纖維和其他新興材料整合實現(xiàn)車身輕量化的新興技術(shù)。在保持汽車原有安全性指標(biāo)情況下，降低汽車整車質(zhì)量6%。

6.2社會效益

有利于降低原油依賴程度，有利于減少環(huán)境污染，有利于推動中國電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程，有利于促進我國國民經(jīng)濟可持續(xù)增長。同時，規(guī)模產(chǎn)業(yè)化后，將帶動機電一體化、傳感、電機、電子電控、服務(wù)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

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