淺析電動汽車車身輕量化設(shè)計

李廷凱

（山西應(yīng)用科技學(xué)院，山西 太原 030062）

前言

純動力電動汽車的強(qiáng)大動力綜合性能和電池組對續(xù)航里程作為新能源電動汽車的一個關(guān)鍵節(jié)點，這對新能源領(lǐng)域的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用，而這兩個方面關(guān)鍵的制約因素在于這會增加新能源汽車的整車重量。對于純汽和電動汽車來說，對各種車身設(shè)計進(jìn)行輕和重量化不僅同樣能夠有效降低對于車用能源的嚴(yán)重消耗和對于環(huán)境的嚴(yán)重污染，還同樣能顯著地有效提高純汽和電動汽車的行駛續(xù)航力和里程，對純汽和電動汽車車身進(jìn)行各種車輕量化車型設(shè)計就因此顯得尤為重要。

因此，本文在研究過程中，通過對國內(nèi)外新能源領(lǐng)域的關(guān)鍵發(fā)展和車體輕量化兩個方面進(jìn)行分析研究，探索新能源汽車領(lǐng)域車體輕量化技術(shù)的發(fā)展前景和研究技術(shù)，來對新能源電動汽車的幾個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出通過對整輛車身重要性的受力支撐部件的比例如電動汽車車身防護(hù)欄橫梁的整體結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行設(shè)計，來有效降低整輛車身運(yùn)動質(zhì)量，提高整輛車身的整體力學(xué)性能，是在我國現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)及生產(chǎn)工藝水平控制條件下實現(xiàn)提高純能源電動汽車車身性能最有效、成本最低的技術(shù)方法。

最后通過對一款微型電動汽車新的車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究去除外板裝飾件替代方案，以此來減輕整車重量，實現(xiàn)新能源電動車的車體輕量化設(shè)計。

1 研究背景

新能源電動汽車相關(guān)技術(shù)發(fā)展是目前國內(nèi)外電動汽車技術(shù)領(lǐng)域的重要研究重點，而新能源純動力電動車作為未來汽車領(lǐng)域的重點研究方向，在新能源電動車的動力系統(tǒng)、續(xù)航行駛里程等各個方面仍然存在的技術(shù)瓶頸和新問題。新能源電動車車輛電池耐久性也就是延長里程續(xù)航的能力，對于目前傳統(tǒng)的純?nèi)加碗妱悠噥碚f至關(guān)重要。很多實驗室的數(shù)據(jù)已經(jīng)表明一輛汽車使用重量可以降低1%，油耗水平可大幅降低0.7%，而對于純能源電動汽車來說，汽車使用重量的大幅降低，同樣不僅可以有效延長一輛單次汽車充電的平均行駛使用里程，由于整輛汽車的蓄電池以及其他的附加充電裝置等部件增加了一輛整車的使用重量，更多地需要對一輛車身上的相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)部件做特殊優(yōu)化設(shè)計以有效降低一輛整車的使用重量，因此對于車身輕和小量化的充電技術(shù)的深入研究也就顯得尤為重要。

汽車產(chǎn)品輕質(zhì)量化是在對汽車車體強(qiáng)度和安全駕駛的前提下進(jìn)行輕量化設(shè)計。根據(jù)實驗證明，每當(dāng)汽車質(zhì)量能減少10%則相應(yīng)的會減少6%～8%的能源消耗。本文通過電動汽車在車輛金屬沖壓件和車身的熱焊接金屬上進(jìn)行外觀配件和裝飾的更改。根據(jù)這一狀況，來分析車輛取消車身外板沖壓件來達(dá)到對汽車輕量化的目的。

新能源電動汽車的車體輕量化整車的強(qiáng)度和安全性能必須達(dá)到國家規(guī)定的要求，利用車體結(jié)構(gòu)的來降低車體輕量化設(shè)計，從而達(dá)到能源減碳的要求。

為充分滿足汽車環(huán)境利益保護(hù)和汽車節(jié)能低碳減排的發(fā)展要求，汽車輕質(zhì)質(zhì)量化的技術(shù)研究已經(jīng)發(fā)展成為各大中型汽車制造企業(yè)和科學(xué)研究技術(shù)機(jī)構(gòu)重要的學(xué)術(shù)科研課題。目前對于新型電動汽車輕度重量化的技術(shù)研究主要重點集中在四個關(guān)鍵方面：電動車身輕度重量化、電池結(jié)構(gòu)輕量化、電驅(qū)動力傳動系統(tǒng)總成，結(jié)構(gòu)輕量化和汽車零部件結(jié)構(gòu)輕量化。對于汽車來說，汽車的輕量化技術(shù)研究的一個重要技術(shù)點就是能夠?qū)崿F(xiàn)車輛輕量化目標(biāo)，也就是在能夠保證整輛車身的安全使用性能的根本基礎(chǔ)上，控制整輛車身結(jié)構(gòu)設(shè)計和車體制造的技術(shù)成本在合理地使用范圍內(nèi)，從而降低新能源電動汽車結(jié)構(gòu)，使其車身重量得到整體性的下降，同時不降低整車車體強(qiáng)度要求。

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)新能源電動汽車輕量化的設(shè)計方法就是通過手工設(shè)計一種輕量化的車身結(jié)構(gòu)，在能夠保證同等機(jī)械強(qiáng)度和相同剛度等人體力學(xué)性能的必要前提下可以達(dá)到同時降低一輛車身內(nèi)部重量的主要目的。由于我國整車車身CAE造型技術(shù)的不斷大力發(fā)展。

我國車企對于汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有著重要指導(dǎo)和實踐意義，這兩個研究方面主要是包括了對車體內(nèi)部構(gòu)造和整體造型兩個方面，目前我國汽車制造企業(yè)及相關(guān)研究技術(shù)部門針對汽車結(jié)構(gòu)重質(zhì)輕量化的相關(guān)研究工作更多的方向是在針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料的綜合使用上通過減少材料用量，在結(jié)構(gòu)設(shè)計與外觀造型上通過進(jìn)行大量改良，從而有效降低車重，而其中存在的主要問題在于是，雖然已經(jīng)實現(xiàn)了現(xiàn)代汽車輕質(zhì)重量化的設(shè)計目標(biāo)但不得不以大大降低汽車結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度和造成剛度損失作為主要代價。因此，該結(jié)構(gòu)設(shè)計得不償失，常常不能完全滿足汽車整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化所需要達(dá)到的目標(biāo)，所以，想要解決汽車輕量化問題，就應(yīng)該從結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體性的方式，來解決汽車輕量化和汽車安全性的平衡取舍，從而達(dá)到汽車輕量化設(shè)計的目的。

材料輕量化是在新能源汽車歷來開發(fā)研究的過程之中，透過材料學(xué)，通過實踐生產(chǎn)過程中找到低密度的材料來降低整車的車體重量，在能夠保證車體整體的安全和動力的需求下，從而使用低密度材料來減輕車體重量，例如碳纖維、復(fù)合鋼材鋁鎂合金、復(fù)合塑料等材料。新能源汽車材料的低密度能夠有效地降低車輛重量的同時又同樣能大大提高其超長續(xù)航行駛能力，但是卻因為受到汽車材料科學(xué)的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展和汽車機(jī)床的制造能力等方面，使得產(chǎn)品的開發(fā)成本較高，目前，我國車企在自身品牌商有投入有研發(fā)，但目前并沒有什么重大突破性。

工藝上的輕量化就是通過運(yùn)用先進(jìn)的汽車制造過程工藝或者特種材料加工工藝方法，實現(xiàn)的是傳統(tǒng)汽車制造不能盡可能能夠?qū)崿F(xiàn)的整輛車身重要零部件整體結(jié)構(gòu)的輕量生產(chǎn)，在有效降低整輛車身內(nèi)部重量的最大前提下，節(jié)約了原材料的大量使用，保證其整體力學(xué)性能的基本穩(wěn)定性。

2 車身輕量化對于純電動汽車發(fā)展的必要性

黨的十九大工作報告中明確提出了我國要加快構(gòu)建我國綠色汽車技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)體系，壯大發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新產(chǎn)業(yè)，科技部已經(jīng)發(fā)布了關(guān)于新能源電動汽車的重大專項，從長遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會效益還是整體經(jīng)濟(jì)效益角度進(jìn)行一個綜合衡量考慮，低油耗、低污染排放的電動汽車發(fā)展是綠色節(jié)約型經(jīng)濟(jì)社會汽車發(fā)展的大趨勢方向，包含純能源電動汽車在內(nèi)的多種新能源電動汽車快速發(fā)展也將是大勢所趨。與其他傳統(tǒng)大型燃油電動汽車產(chǎn)品相比，純動力電動汽車因為其特殊的傳動原理及車身結(jié)構(gòu)，并且長期受制于電池制造技術(shù)快速發(fā)展的較大制約及對于電池續(xù)航力及里程的較高要求，車身輕及重量化已經(jīng)是必然的產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略方向。

純能源電動車輕量化設(shè)計是為了對能源的高效利用率，從而加強(qiáng)新能源電動車?yán)m(xù)航能力，從而超越傳統(tǒng)燃油車。純能源電動車的輕量化設(shè)計要從宏觀角度進(jìn)行思考，總體以宏觀角度為起點，利用工業(yè)制造能力結(jié)合汽車力學(xué)和數(shù)據(jù)分析進(jìn)行綜合模擬設(shè)計開發(fā)，綜合考慮人機(jī)工程、產(chǎn)品工業(yè)工藝技術(shù)和設(shè)計、成本以及效益等諸多影響因素，確定采用相應(yīng)的設(shè)計生產(chǎn)工藝。輕量化的技術(shù)研究對純能源電動汽車的持續(xù)發(fā)展來說勢在必行，只有真正實現(xiàn)了對于車身輕的重量化研究才能大大降低技術(shù)開發(fā)成本，提高使用性能，從而更加接近國際市場需求。

3 電動汽車車身輕量化的設(shè)計方案

3.1 鋼板沖壓的焊接車身，配外觀裝飾件的車身結(jié)構(gòu)

為了大大提升小型車輛的長續(xù)航能力，對一輛車身內(nèi)部進(jìn)行輕度重量化，可能會探討取消前輪沖壓版零件改裝的可能性。基礎(chǔ)設(shè)計方案：以造型和車輛尺寸為主，取消頂蓋、側(cè)圍和尾門這幾個部位的遮蓋，外觀內(nèi)部裝飾件直接將其裝配在整體車身造型內(nèi)板或車體加強(qiáng)型外板結(jié)構(gòu)上。為了能夠保持整輛車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及安全帶的性能，以及能夠提供外部和裝飾件的支架安裝在地點，可能會增加部分車身結(jié)構(gòu)上的零件和外部裝飾件以及安裝在地點上的支架。

3.2 車身外板件減重方案

去掉原新型老款車身內(nèi)部整體支撐結(jié)構(gòu)上部兩側(cè)內(nèi)外圍尾門頂蓋內(nèi)部裝飾外板、側(cè)圍尾門頂蓋內(nèi)部外板、尾門外板與外部增加裝飾件頂蓋外板之間重合部分處的多余區(qū)域，增加一部分外板結(jié)構(gòu)以加強(qiáng)新型車身整體結(jié)構(gòu)、外部增加裝飾件等并重新安裝整體撐結(jié)構(gòu)支架以有效牢固保持新型老款車身的內(nèi)部車體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)整體支撐結(jié)構(gòu)，維持新的新型車身整體結(jié)構(gòu)支撐強(qiáng)度和安全制動防護(hù)系統(tǒng)性能。外部車身裝飾件密封應(yīng)在車身周邊與整輛新的車身內(nèi)部留有貼合處的固定位置，用外部密封后的膠帶或者車體噴涂密封膠帶等多種形式對其進(jìn)行內(nèi)部密封，阻止任何一種灰塵、水等有害氣體直接進(jìn)入整輛新的車身內(nèi)部。左右兩個側(cè)面部分各被圍繞的陰影外板均保留有一個可能使陰影次數(shù)減少的周圍區(qū)域。如圖1所示為兩側(cè)陰影次數(shù)可持續(xù)減少的區(qū)域（以左側(cè)圍繞外板作為示例，右側(cè)與之對稱）。

圖1 車身外圍減重示意圖

頂蓋頂層外板裝飾可全部自行去掉，頂蓋頂層裝飾板頂部安裝的地點不要設(shè)計在舊的頂蓋頂部橫梁上，如有必要可自行增加新的頂蓋橫梁上以作為一個支撐頂蓋安裝的地點。裝飾頂蓋周邊以自粘膠帶連接形式緊密粘貼連接起并密封，中間兩個區(qū)域以焊接螺栓形式連接起并裝配于裝飾頂蓋上及橫梁上，如下圖2所示。

圖2 車身頂蓋減重示意圖

尾門運(yùn)動區(qū)域外板可直接安裝去掉尾門外板，由于車輛尾門運(yùn)動系統(tǒng)為一個獨(dú)立運(yùn)動件[1]，對于車輛整車運(yùn)動強(qiáng)度及安全防護(hù)性能要求影響不大，整車需直接滿足自身運(yùn)動系統(tǒng)的高剛度模態(tài)要求即可，中間尾門區(qū)域特別設(shè)計黑色裝飾板作為安裝連接點，周邊以黑色膠帶進(jìn)行粘貼連接外板密封。

3.3 純電動車輕量化設(shè)計效果

按照上述安裝設(shè)計方案只要能夠?qū)崿F(xiàn)此次設(shè)計整車安裝預(yù)計可以減重約12 kg，相比原來的每輛車身總重量安裝主體重量整車預(yù)計可以減重約6.67%，實際上在整車安裝設(shè)計中如果需要涉及此次設(shè)計增加的車輛整車車身安裝主體零件及車支架及其他整車安裝粘膠、標(biāo)準(zhǔn)件等車身總重量，預(yù)計此次整車可至少預(yù)計減重5%左右。本文所要研究探討的這種輕量化汽車設(shè)計方案對于正在開發(fā)集成各種新型非金屬材料汽車外殼和金屬覆蓋件的輕型汽輛車身及其整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計中都將具有重大科學(xué)技術(shù)價值指導(dǎo)意義。

3.4 車身輕量化的策略建議

3.4.1 使用新工藝制造能力來完成電動汽車結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計

該設(shè)計需要使用大量的新型焊接工藝原始材料，例如復(fù)合鋁金屬材料，通過新型工藝的設(shè)計方法使復(fù)合鋁能夠與不銹鋼板進(jìn)行銜接。從而將多種復(fù)合材料用在進(jìn)行過渡連接與組合成型的各個步驟時，將它的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更加輕量化的設(shè)計優(yōu)化。

3.4.2 使用一些前端的新型復(fù)合材料

由于目前新能源電動汽車還處于發(fā)展過程中，因此還需要通過大量的探索和研究，尋找到合適的材料，使用一些重量更輕但是耐用性能更高的新一代材料等來實現(xiàn)對傳統(tǒng)電動汽車輕型質(zhì)量化的技術(shù)改造。

3.4.3 優(yōu)化車輛的外觀設(shè)計

在對車身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，下面就將對優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的車輛進(jìn)行碰撞分析將不一樣符合碰撞靈敏度的兩個配件分別進(jìn)行綜合調(diào)整，使用車身輕量化迭代綜合計算的分析方法，對現(xiàn)代汽車的車身碰撞安全度的性能、NVH以及耐久度的性能分別進(jìn)行綜合測評，選擇更加安全適合現(xiàn)代車身的碰撞材料， 全面性的提升現(xiàn)代汽車的碰撞靈敏度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)代汽車的車身輕量化的應(yīng)用需求。

4 總結(jié)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)的汽車保有量急劇增加。為了減少汽車尾氣的排放，減少污染，電動汽車的使用也越來越被普及。隨之而來就是對電動汽車深入研究，本文為電動汽車車身輕量化提出一些實際的建議，以某車型為例確定了具體的輕量化策略，最后為電動汽車車身的輕量化找到幾個突破口，為國內(nèi)電動車的發(fā)展助力。