任俊楠　查朦

摘 要：鑒于當前環(huán)境和能源問題，大力發(fā)展純電動汽車十分必要。動力系統(tǒng)作為純電動汽車中的重要機構，對其進行輕量化研究可有效減少能耗，提高行駛續(xù)航能力，對改善環(huán)境污染、節(jié)約能源具有重要意義。文章以動力系統(tǒng)中的電池、電池包及電驅傳動總成作為研究對象，分別從結構優(yōu)化和新材料選用兩方面進行分析。

關鍵詞：純電動汽車;輕量化;新材料

中圖分類號：U469.72 ?文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）03-08-03

1 輕量化研究方法及意義

為應對環(huán)境污染、能源短缺等問題，發(fā)展純電動汽車是實現(xiàn)我國環(huán)境保、能源安全，走可持續(xù)發(fā)展道路的必然選擇。純電動車電池儲能低、續(xù)航能力差的短板制約其大范圍普及，因此對電動汽車輕量化的研究具有重要意義。輕量化不單是減輕零部件質量，而是在保證性能前提下的優(yōu)化。有數(shù)據統(tǒng)計，電動汽車每減輕1kg，每100km能耗可降低5-10W· h^[1]。

目前實現(xiàn)輕量化的方法見圖1，本文從結構和材料兩方面對動力系統(tǒng)輕量化進行研究。

2 電池選用及電池包設計

電池質量約占整車的1/3，它的引入使得整車質量大幅增加，同時動力電池的比燃料較燃油小很多，使得電動汽車的續(xù)航里程遠不如傳統(tǒng)汽車。合理的電池選用及排布，既有效減輕質量，又可裝載更多電池以提升續(xù)航能力。

2.1 電池類型

純電動汽車的電池類型主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池^[2]。

鉛酸電池采用金屬鉛作為電極材料，雖成本較低，但質量和體積較大，比能量低，且易受侵蝕，影響電池的使用壽命，正逐步被取代。鎳氫電池和鋰離子電池作為現(xiàn)今主流，都具有更高的比功率，較長的使用壽命。其中鋰離子電池重量輕、能量密度高、無污染、無記憶性，但其造價成本高，安全性能較差。而鎳氫電池電壓平臺較低、能量密度小，在高、低溫時存在比功率下降的問題，若要滿足純電汽車的要求，需成倍增加電池包體積，占據大量空間。通過對比電池的性能指標發(fā)現(xiàn)鋰離子電池更具優(yōu)勢，所以在主流電動汽車上使用較多。

2.2 電池包設計要求

電池包包含串聯(lián)（并聯(lián)）的多電池單體組成的電池模組、電池熱管理器及電池安全BMS 模塊等^[3]。電池包的設計應具有良好的剛度、強度、散熱性、絕緣性、防水性等特點。

2.3 電池的布置

從整車驅動形式、行駛安全性、空間使用率等方面考慮，目前主流的電池布置采用整體式布置，安裝在車身底板下端。整體式布置將所有電池組集中安裝，利于電池與電池連接及清晰緊湊的導線布置。安裝在車身底部下方，可有效利用空間，更好的保護電池組，提升碰撞安全性;同時也降低了整車重心，提高整車操縱穩(wěn)定性和平順性。

3 基于結構性能的輕量化分析

3.1 電池包結構分析

結合電池包的設計要求及行車過程中的各種情況，對電池包結構進行分析。電池包頂蓋用來遮蓋箱體并防止外部雜質進入，通過螺栓與箱體連接，其受力較小，可在設計中對頂蓋板材厚度進行優(yōu)化。邊緣采用圓整過渡，有利螺栓與箱體的緊密連接，并可避免應力集中及大平面共振。箱體主要保證電池組的定位，其內部支架、罩蓋可有效控制電池組與箱體周圍的碰撞，影響箱體及電池組的壽命。在進行箱體輕量化時，采用形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化，通過分析可知底板需使用加強筋，來加強底板剛度。箱體底部設計縱橫梁，通過受力分析計算，確定縱橫梁的結構、尺寸等，固定安裝后增加車身的承載強度。

3.2 電驅傳動總成分析

傳動總成主要包括驅動電機、減速器及傳動軸等。設計電機時，為減輕轉子質量，采用空心軸代替實心軸，或對轉子鐵心開孔來達到目的。利用CAE技術，首先使用三維軟件對傳動總成建模，對殼體采用薄壁化、結構緊湊化、部分結構中空化等方式，然后對模型進行網格劃分建立有限元模型，再進行靜力性能及動態(tài)性能的分析及優(yōu)化，達到輕量化設計目標。

傳動總成正朝著高功率密度電機、電力電子集成和電機傳動一體集成的方向發(fā)展，高功率密度意味增加單位體積的電容量。研究表明，當動力電池單體能量密度達到400W·h/ kg時，一次充電續(xù)航里程可達628Km，基本解決了電動汽車續(xù)航不足的問題。同時電機與變速箱的集成設計，使結構更加緊湊，減小尺寸，降低質量。

4 基于新材料的輕量化分析

傳統(tǒng)的電池包殼體材料主要是鋼板焊接而成，再在表面進行噴涂處理來滿足性能需求，減速器殼體主要是鑄鐵。隨著新材料的出現(xiàn)及工藝技術的成熟，輕質材料的使用成為輕量化的重要途徑。

4.1 高強度鋼

鋼材作為汽車零部件的主要原材料，具有結構強度高、散熱性能好等優(yōu)點，但質量過大增加能耗。而高強度鋼具有更高的強度，在使用中可減薄零部件的厚度。2016年4月，由NanoSteel和Ak鋼鐵公司聯(lián)合開發(fā)的新一代高強度鋼已交付通用汽車進行初期測試，它結合高強度與延展性，在達到1200Mpa抗拉強度時也擁有50%的延伸率，克服了傳統(tǒng)鋼板兩者不能兼顧的弊端。利用高強度特性可設計出更薄更輕的部件，而高延伸性易于加工，部件的生產無需投入高昂的加工技術、培訓等額外資金。

4.2 鋁合金

鋁合金材料是替代鋼板的首選，在汽車上已得到廣泛使用，其具有質量輕、熱穩(wěn)定性好、易成形等優(yōu)點，在相同機械性能下大大減輕零部件質量。同時鋁合金的動力電池包殼可一次拉伸成形，省去盒底焊接工藝，避免焊接時焊縫質量下降等問題。

4.3 SMC復合材料

SMC復合材料主要由專用紗、不飽和樹脂、低收縮添加劑、填料和各種助劑組成^[4]。具有質量輕、高強度、絕佳的電絕緣性，很好的耐化學腐蝕性、工程設計的自由性、靈活性等都是其入選電池箱材料的重要保證。數(shù)據顯示，自重35k公斤的SMC材料外殼可承載340kg的電池，比金屬箱體重量約輕35%，并且該箱體能承受10倍重力加速度的撞擊。

4.4 碳纖增強復合材料

碳纖維及其復合材料是解決汽車輕量化發(fā)展的有效途徑之一。其與金屬材料相比，質量更輕、耐沖擊性能好，密封性好，質量只有鋁的一半，已成為傳統(tǒng)金屬材質電池箱體的理想替代品。

5 總結

本文結合純電動汽車的不足，以動力系統(tǒng)為研究對象，分別對電池、電池包、電驅動系統(tǒng)進行了分析，從結構設計優(yōu)化及新材料的應用角度來實現(xiàn)輕量化，通過CAE分析可進一步驗證輕量化后的產品性能，保證其可靠性。

參考文獻

[1] 陳吉清.汽車結構輕量化設計與分析方法[M].北京理工大學出版社，2017.

[2] 朱曉彤.RAV-4電動汽車電池組風冷系統(tǒng)的研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[3] 薛雯.純電動汽車電池結構與系統(tǒng)的研究：[D]，天津：天津大學， 2016.

[4] 孫巍.高填充快速引發(fā)高性能SMC體系的研究：[D]，武漢：武漢理工大學，2008.