純電動(dòng)汽車輕量化設(shè)計(jì)途徑以及實(shí)際例子

01前言

隨著環(huán)境污染、石化資源短缺等問題日益突出，各國(guó)正在努力推廣新能源汽車，其中，純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車則是我國(guó)重點(diǎn)支持的項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)各大汽車廠商也都投入了巨大資源進(jìn)行研究，某公司也在今年在某車型基礎(chǔ)上開發(fā)出了某型號(hào)純電動(dòng)汽車。

目前，純電動(dòng)汽車在技術(shù)、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)實(shí)施配套、政府政策支持等方面還存在著市場(chǎng)化發(fā)展的瓶頸，作為汽車廠商，我們能夠做的只有在提高技術(shù)水平和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性上努力了。

在選購一款純電動(dòng)汽車的時(shí)候，作為消費(fèi)者，要考慮的因素有很多，包括動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等等，純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程作為整車一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，肯定也是消費(fèi)者重點(diǎn)考慮的，擁有更長(zhǎng)續(xù)駛里程的純電動(dòng)車必然使消費(fèi)者更加青睞。

提高續(xù)駛里程的途徑有很多：提高動(dòng)力電池能量、提高傳動(dòng)系統(tǒng)效率、降低整車重量等，本文將從降低整車重量方面來分析對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響。


02電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的計(jì)算


電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程是指在動(dòng)力蓄電池完全充電狀態(tài)下，以一定的行駛工況，能連續(xù)行駛的最大距離。傳統(tǒng)燃油汽車因加油方便，用戶對(duì)于續(xù)駛里程無特別要求。電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的計(jì)算有等速法和工況法兩種。

等速法計(jì)算方法簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)直觀，能基本反映電動(dòng)汽車的續(xù)駛能力；工況法的特點(diǎn)是能全面反映電動(dòng)汽車的續(xù)駛能力，但其試驗(yàn)方法復(fù)雜，必須在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T18386-2005《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》，本文采用等速法來計(jì)算電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程。

首先根據(jù)汽車功率平衡方程式，計(jì)算出電動(dòng)汽車行駛時(shí)消耗的功率P為：



在一般道路等速行駛工況下，無加速阻力消耗，坡度阻力可忽略不計(jì)，故功率 計(jì)算只取前兩項(xiàng)。根據(jù)能量守恒的原則，求得電動(dòng)汽車等速行駛的續(xù)駛里程S為：



03某型純電動(dòng)車計(jì)算實(shí)例


某型純電動(dòng)汽車采用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池和三相永磁同步電機(jī)，詳細(xì)參數(shù)見表1.



輕量化對(duì)續(xù)駛里程的影響

減輕質(zhì)量取25~150kg，間隔25kg，共6檔。在電池額定總能量不變的前提下，利用式（1）和（2），計(jì)算不同質(zhì)量時(shí)等速40km/h的續(xù)駛里程，然后計(jì)算減輕質(zhì)量后續(xù)駛里程增加的百分比，繪制該型輕量化對(duì)續(xù)駛里程的影響曲線，如圖1所示。

由圖1可見，該純電動(dòng)車?yán)m(xù)駛里程的增加與減輕質(zhì)量幾乎呈線性關(guān)系。當(dāng)該純電動(dòng)車質(zhì)量減輕25、50、75、100、125和150kg后，續(xù)駛里程分別增加1.41%、3.36%、5.44%、7.59%、9.68%和11.96%。



通過上表可見，在不考慮其它影響因素的情況下，輕量化可以有效提高純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，減少全生命周期對(duì)電池的消耗量，能顯著降低電池使用成本。

續(xù)駛里程的增加和電池使用成本的減少，都促使消費(fèi)者購買和使用電動(dòng)汽車意愿增加，從而推動(dòng)電動(dòng)汽車市場(chǎng)化進(jìn)程，這使得在輕量化方面的改進(jìn)更加迫切。


04該純電動(dòng)車輕量化設(shè)計(jì)的主要途徑


4.1 臨時(shí)解決途徑

1）該純電動(dòng)車新增及變更零部件的布置和原車相似，主要零部件除動(dòng)力電池布置在地板下方外，其余大部分都集中在前艙，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器和充電機(jī)等，可以看到，我們所選用的電機(jī)控制器、充電機(jī)等零部件體積、質(zhì)量都較大，與較為成熟的電動(dòng)汽車Leaf、i-Miev等都有一定差距。通過主要零部件的重新選型可以起到增加總布置空間，降低整車質(zhì)量的作用；

2）該純電動(dòng)車現(xiàn)在還處于雜合車階段，前艙和地板下面為了各零部件的固定，重新設(shè)計(jì)了安裝支架，材料都是選用的厚度較大的鋼材，并且支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在下一輪開發(fā)過程中，可以在結(jié)構(gòu)、材料上對(duì)支架重新設(shè)計(jì)，在滿足強(qiáng)度要求前提下，減少支架的重量；

3）該純電車基礎(chǔ)車的整備質(zhì)量為894kg，電動(dòng)車為1160kg，重量增加了266kg，幾乎和動(dòng)力電池的質(zhì)量（260kg）相等，相當(dāng)于純電動(dòng)車就是在汽油車的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)電池的重量，所以能降低電池的質(zhì)量就等同于降低了整車的質(zhì)量。目前，電池箱體材料為Q235鋼，密度較大，以后可以考慮選用合金材料，并對(duì)整個(gè)電池結(jié)構(gòu)做優(yōu)化，也能夠減少整車質(zhì)量。

4.2 其他途徑

4.2.1車身、內(nèi)外飾和底盤占整車大半部分質(zhì)量，通過底盤和車身的輕量化可以最有效達(dá)成整車的輕量化。

1）車身輕量化，主要是新材料的應(yīng)用。

鋁合金車身
高強(qiáng)度鋼車身
改性塑料車身
碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車身

2）底盤輕量化，主要途徑為采用輕金屬或碳纖維并配以先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

全鋁合金的汽車車體
輕量化輪轂

3）電池輕量化

上文4.1中所述電池輕量化是針對(duì)電池箱體而言，這里主要是說通過提高現(xiàn)有電池的比能量或開發(fā)更先進(jìn)的電池。

電池的質(zhì)量比能量和體積比能量是決定電動(dòng)汽車性能的關(guān)鍵指標(biāo)，當(dāng)然，電池的壽命、一致性和安全性肯定更重要，但是就電動(dòng)汽車長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展和與傳統(tǒng)汽車競(jìng)爭(zhēng)的需要以及滿足用戶長(zhǎng)途運(yùn)行的要求來說，提高電池比能量是亟待解決的問題。

05結(jié)束語

雖然距離電動(dòng)汽車大規(guī)模推廣還是有一定距離，但是它的發(fā)展已經(jīng)是大勢(shì)所趨，只要電動(dòng)汽車目前暴露出來的弊端可以得到解決，到時(shí)候必然能更加受到消費(fèi)者青睞。本文通過計(jì)算分析輕量化對(duì)該型純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響，得出了積極的結(jié)果，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了很多問題，但這些對(duì)提高整車性能都很有幫助。