电动汽车减重瘦身势在必行 “瘦身攻略”让电动汽车更轻更安全

来源:科技日报

有研究表明,纯电动汽车重量每降低10千克,续航里程可增加2.5千米。我们的目标是通过攻关能够让车身减重30%以上,同时保证车辆的安全能达到五星标准。

赵会

长安汽车首席专家、轻量化纯电动轿车项目总监

减重瘦身,不仅仅爱美之人需要,汽车也需要。在“十三五”国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项中,轻量化纯电动轿车集成开发已作为一项重点攻关项目。

日,记者从重庆长安汽车获悉,该公司联合中国汽车工程研究院股份有限公司、中复神鹰碳纤维有限责任公司、中国科学院宁波材料所等国内13家科研院所、供应商联合开发,从材料、分析、设计、制造、整车集成到试验验证等6个方面进行攻关,突破了多项技术瓶颈,开发出了一款具有国际一流技术水的碳纤维车身纯电动轿车,为新能源汽车能跑得更远更快减去“体重”之忧。

迫在眉睫电动车减重瘦身势在必行

汽车的轻量化,就是在保证汽车的强度和安全能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力。实验证明,汽车质量降低一半,燃料消耗也会降低将一半。由于环保和节能的需要,汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。

“相比燃油车,新能源汽车对于减重的需求更为迫切。”长安汽车首席专家、轻量化纯电动轿车项目总监赵会表示,相比燃油车,新能源汽车往往重10%,其动力电池占到了整车重量的三分之一到二分之一,在锂动力电池能量密度和安全的矛盾没有解决之前,减重是提高续航里程的有力保证之一。有研究表明,纯电动汽车重量每降低10千克,续航里程可增加2.5千米。

对于新能源车来说,减重主要从三个方面进行:材料轻量化、结构轻量化和制造工艺轻量化。

对此,轻量化纯电动轿车集成开发项目旨在通过“产学研用”重点突破碳纤维车身载荷分布与结构优化、车用低成本碳纤维、碳纤维车身和铝合金车架一体化集成设计等技术瓶颈,实现多种轻质材料及先进工艺的集成应用,掌握碳纤维车身纯电动轿车试验验证和评价等核心技术,开发一款具有国际一流技术水的碳纤维车身纯电动轿车。

“我们的目标是达到国际一流水,通过攻关能够让车身减重30%以上,同时保证车辆的安全能达到五星标准。”赵会表示,当前在“电动化、网联化、智能化”科技革命的促进下,汽车工业正在发生重大变革,为行业发展带来前所未有的挑战,也带来了千载难逢的发展机遇,正是中国品牌汽车对国外品牌弯道超车的好时候,如果能够攻克轻量化这一共技术难点,那么将对中国品牌汽车高质量发展提供极大的支撑。

技术突破掌握“材料之王”的制备秘诀

要实现轻量化,首先要突破的难点就是材料。

一般车型车架的材料会采用钢、铁材料,昂贵的车型有可能会使用全铝的车身或者是碳纤维的车身,在减轻重量的同时又可以保证强度与能。不过使用碳纤维复合材料、铝合金这两种材料都面临的一大难点就是成本。

重量轻、强度高,碳纤维复合材料可以说“除了贵以外,没有任何缺点”。这种主要应用于航空航天领域的“材料之王”,在汽车领域只有超跑等豪车会使用。它的贵不仅在于原材料成本高,也在于其生产和制造工艺难。

“它的原材料价格在国际上是120元1公斤,而且我国在材料加工技术上还没有达到国际一流水。”赵会介绍,对此,他们对低成本碳纤维规模化制备方式进行了研究,提高纺丝速率,缩短预氧化时间,同时开发碳化热能循环利用技术,使碳纤维材料成本降低25%,工艺水国内领先。

长安汽车轻量化纯电动轿车项目设计总师张金生介绍,在仿真分析、载荷分布和结构优化上,项目组采用大变形理论,通过碳纤维复合材料级—零部件级仿真与试验分析研究,建立了准确的碳纤维复合材料本构关系模型,最终实现了复合材料CAE仿真高精度,刚度对标精度达到80%以上,在业内处于领先水

针对碳纤维前罩行人保护困难的行业难题,研究人员通过内板开缺口、减少铺层、加支架、加缓冲泡沫等优化方案,将行人保护头部得分提升至8.18分,且重量比钢罩板减轻约40%,是国内首款达成行人保护五星得分率并实现小批量生产的全碳纤维前罩。

工艺攻关搭建国内一流轻量化车身应用

车子既要减重又要保证能,为了解决这一看似矛盾的需求,研究人员不仅在材料上,更在制造工艺上使出了“十八般武艺”。

“我们的一大突破是在A柱和B柱的加强件上采用超高强钢。”赵会解释,A柱是左前方和右前方连接车顶和前舱的连接柱;B柱在驾驶舱的前座和后座之间,安全带就在B柱上。A柱、B柱都是支撑车辆结构强度的主要部分,强度越高,车身抗撞击能力越强。对此,研发人员基于碰撞传力,国内首次在A柱的加强件上采用1700兆帕(MPa)高强钢3D辊弯成型技术,B柱采用1800MPa热成型技术,将减重需求、驾驶舒适和安全三者融合,有效保护乘员安全。

镁合金比铝合金轻,针对此材料工艺特点,研发团队在座椅骨架和转向支撑方面采用镁合金压铸工艺,不仅零件集成化程度高,尺寸稳定,安装精度高,各项能均满足要求,而且相比钢制件减重30%以上。

为了让铝合金减重,研发团队在铝合金后连接件采用多腔体复杂截面设计方案,代替铝合金压铸成型,大幅降低成本,并实现减重40%。张金生说,这个安装精度要在2毫米以内,是轻量化零部件制造上的关键点。

同时,团队研发了铝合金高真空压铸技术,实现铝合金减震塔一模两件模具设计、生产及装车能验证,减震塔零件可焊接可铆接。“它的壁厚最薄处才2毫米,屈服强度达120兆帕,延伸率达12%。这对于材料制造工艺和控制要求非常高,我们在这方面达到了国内先进水。”赵会表示。

如何将这么多材料连接在一起也是挑战。对此,团队在工艺制造和设计方面,开展了碳纤维、铝合金、镁合金等14种轻质零部件成型技术研究,通过多种异质轻质材料连接技术研究,项目实现了多种异质材料间的高效连接。同时,项目突破多种轻量化材料集成设计技术,开发了“碳—铝—钢—镁”多种材料集成车身结构,碳纤维+铝合金占比76%,车身减重达31%。上车身采用胶接为主、胶铆结合的连接方式,铝车架采用焊接、铆接等连接方式,实现连接强度与韧的有机统一。

在整车集成方面,项目完成车身从全传统材料—混合材料—全新材料三阶段的设计与开发,解决新材料集成设计能力和新结构设计经验不足问题,实现了多材料轻量化车身达成碰撞安全五星结构耐撞的目标。

“在试验评价方面,针对碳纤维车身纯电动轿车的设计、制造、服役的技术特点和零部件、系统及整车的能要求,项目团队完成167项试验,建立了适用于轻量化纯电动轿车的测试评价体系。”赵会表示,通过基础技术研究与创新应用研究的有机结合,多项关键轻量化技术已实现在长安及行业其他车型上的成果落地。

赵会表示,接下来,他们将继续研究轻量化的新能源汽车的量产化问题,让更轻更安全的新能源汽车走向市场。

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