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电动汽车整车技术及其发展研究报告

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2020年4月19日
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电动汽车的整车技术及其发展研究
【摘要】着眼于可持续发展，节约资源、减少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的两大问题。节能、环保、安全是当今世界汽车工业关注的主要话题。电动汽车是当前及未来汽车的发展方向。电动汽车是高科技综合性产品,除电池、电动机外,车体本身也包含很多高新技术。而对整车技术的研究有利于减小汽车质量和对能量的消耗。

【关键词】电动汽车 整车技术 新材料 应用 发展

前言
汽车产业的发展,日益增大的石油能源的消耗,将加快从能源短缺到能源枯竭的步伐。汽车排放造成的大气污染和地球的温室效应,成为世界全人类的公害。人类社会和汽车产业的可持续发展,受到极大的威胁,发展汽车新能源、开发汽车新动力,成为世界汽车产业面临十分紧迫的任务。当代融合多种高新技术而兴起的纯电动汽车、混合电动汽车、燃料电池汽车,特别是立足于氢能基础上的燃料电池汽车正在引发世界汽车工业的一场革命,展现了汽车工业新能源、新动力发展的光明前景。本文将在下面着重介绍电动汽车的整车技术，以及一些新材料在电动汽车上的应用。

1整车技术
这是很重要也是常被忽略的<国内的开发常是改装车，忽视对电动车整体技术的研究）。主要包括：
·轻质车身的材料和制造技术，高强度轻质车架，如复合材料、铝合金、金属蜂窝材料及其
加工技术，新型电动车辆造型与结构的整体设计，CAD技术等。
·基于微电子的电动车智能化综合监控管理系统，对动力链的各环节进行管理，如电池管理、剩余电量显示、充放电控制、电控系统的监控等，涉及到延长蓄电池的使用寿命，提高电能的利用效率和电动车的续驶里程等重要技术性能指标。
整车技术的深入研究将对电动汽车产生深远影响，比如：采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料,优化结构,可使汽车自身质量减轻30%～50%。实现制动、下坡和怠速时的能量回收。采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎,可使汽车的滚动阻力减少50%。汽车车身特别是汽车底部流线型化,可使汽车的空气阻力减少50%。

2 新材料的介绍与应用

2.1 镁合金

2.1.1 镁合金的特点
镁合金是一种轻合金，熔点为650℃。金属镁及其合金是工程应用中最轻的金属结构材料，纯镁的密度仅为1.738g·cm-3，而常规镁合金如AZ91密度也只是1.81g·cm-3，约为铝的2/3，钢的1/4，接近工程塑料的密度[2]，因此将镁合金应用在汽车领域中可极大地减轻结构件的质量。

2.1.2 镁合金与其它金属相比镁合金具有很多性能优势：
<1）密度小，常见金属中最轻的金属 例如AZ91镁合金的密度是1.81g·cm-3，约为铝的2/3，锌的1/4，不到钢或铸铁的1/4，接近工程塑料的密度。对于含30%玻璃纤维的聚碳酸酯复合材料来说，镁的比重也不超过它的10%。因此镁合金的使用可有效减轻汽车的质量。表一为几种金属的密度对比
表1 几种常见金属密度
金属名称
密度<g/cm3）
与镁比
Mg
1.74
23
Al
2.71
35
Ti
4.50
58
Zn
7.13
90
Fe
7.87
100

<2）比强度高 抗拉强度、屈服强度、伸长率与铝合金铸件相当。从设计者的立场考虑，密度小的金属若不具有高强度，将没有意义。实验显示，镁合金的比强度比铝合金和钢高。因此在不降低零部件强度条件下，镁合金铸件比铝铸件的重量减轻大约25%。几种常见的镁合金性能见下表2。
表2 常见镁合金的性能
合金
抗拉强度MPa
拉伸屈服强度MPa
拉压屈服强度Mpa
延伸率
弹性模量GPa
AM60A
205
115
115
6
45
AS21X1
240
130
130
9

AS41A,XB
220
150
150
4
45
AZ91A\B\D
230
150
165
3
45
A350
325
160

4
71

<3）热传导性好 具有良好的耐腐蚀性能、电磁屏蔽性能、防辐射性能，可进行高精度机械加工，且热传导性好，虽然镁合金的导热系数不及铝合金，可是比钢高近1倍，比塑料材料高10倍。因此镁合金已广泛用于压铸汽车轮毂上，可有效散发制动摩擦热量，提高制动稳定性。
<4）良好的焊接和铸造性能 镁合金的熔点、比热容和相变潜热比铝合金低，融化耗能较少，固化速度快，动力粘度低具有良好的压铸成形性能和尺寸稳定性，压铸件生产周期比铝合金短，易形成薄壁结构件，压铸件壁厚最小可达0．15 mm，镁与铁的亲和力小，固溶铁的能力低，不易粘模，铸模寿命比生产铝合金高2，3倍，适合制造各类汽车压铸件。
<5）对振动、冲击的吸收性能好 具有良好的阻尼系数，镁合金对振动能量的吸收能力强，消震性能优于铝合金和铸铁，用于驱动和传动部件上能够降低噪声，用于座椅、轮圈、方向盘能够减少振动，在汽车发出碰撞后很好地吸收冲击能量，提高汽车的安全性和舒适性。
<6）抗凹陷性能好 镁合金与其它金属相比抗变形能力强，由冲击而引起的凹陷小于其它金属。
<7）易于机械加工 镁合金非常易于机械加工，在无冷却液、无润滑剂的情况下能实现高负荷加工，得到光洁的加工面，衡量机械加工的指标之一是动力消耗量。表3是以镁合金为1的情况下，各种合金机械加工时的动力消耗量比较。由表3可知镁合金具有良好的机械加工性。
表3 机加工时动力消耗量比较
合金种类
动力消耗量之比
合金种类
动力消耗量之比
镁合金
1.0
铸铁
3.5
铝合金
1.8
软铜
6.3
黄铜
2.3
镍合金
10

<8）易于回收再生。回收的镁合金可直接熔化再进行浇铸，且不降低其力学性能。镁合金同其它金属相比，熔点低，比热小，在再生溶解时所消耗的能源是新材料制造所消耗能源的4%。另外，镁合金的电磁波屏蔽性好，外表美观。更为重要的是，镁是自然界中分布最广的元素之一，约占地壳质量的2.35%，列第八位，仅次于O、 Si、Al、Fe、Ca、 Na、K，由于镁本征化学性质活泼，在自然界中主要以化合物的形式存在，在陆地上的含量为1.930%，海水中的含量为0.42%，达2.1×1015t。中国是世界上镁矿资源最富有的国家。主要含镁资源包括菱镁矿：资源总量31.45亿t，居世界首位；白云石：资源总量约40亿t；盐湖卤水：柴达木盆地镁盐保有储量48.15亿t[4]。丰富的镁矿资源为中国镁产业的可持续发展提供了最可靠的资源保障。相反，铁矿及铝矿资源则相对贫乏一些。已探明世界储量的铁矿石与铝土矿的可采储量保障年限只有约70年和50年。中国的铁、铝资源更加贫乏，储量仅占世界比例18.7%和2.3%，可采储量保障年限分别在30年左右和 以下。从污染角度讲，钢铁的质量密度大，消费量大，其制品在使用过程中易造成高能耗和污染排放；铝虽为轻质材料，但仅铝电解一个工艺环节的电耗就占到整个有色工业的90％，并也间接导致高污染排放。而被冠以“21世纪绿色结构材料” [5]美誉的金属镁在这些方面则相对好一些。
据中国有色金属工业协会数据统计, 18月份全国共产原镁44.89万吨,同比增长16.8%。需要说明的是，由于受到国际各种金属材料的影响，刚才价格的上升，使镁合金成本方面的劣势进一步减小，镁合金的综合优势进一步明显。因此，对于盛产镁合金资源的中国来说，中高档轿车采用镁合金制作汽车零件也就更加彰显优势了。

2.1.3 镁合金的新发展
尽管镁合金在汽车上的应用具有其它金属不可比拟的优点，但在过去几十年中，由于价格和生产技术方面的原因，镁合金一直未得到广泛应用，近年来随着镁价格逐渐下降，使镁合金在汽车中全面应用逐渐成为可能，世界范围内各主要汽车生产国不断加大在镁合金开发和应用技术研究上的投入，从而一些新技术相继问世。
1. 耐蚀镁合金
镁合金的耐蚀性的问题可经过2个方面来解决：严格限制镁合金中的 Fe、Cu、Ni等杂质元素的含量。例如，高纯AZ91HP镁合金<Mg、Al、Zn）在盐雾实验中的耐蚀性大约是AZ91C镁合金<Mg、Al、Zn）的100倍，超过了压铸铝合金A380<Mg、Al、Zn）比低碳钢还要好。对镁合金进行表面处理。根据不同的耐蚀性要求，可选择化学表面处理，阳极氧化处理、有机物涂覆、电镀、化学镀、热喷涂等方法处理。例如，经化学镀的镁合金，其耐蚀性超过了不锈钢。
2．耐热镁合金
耐热性差是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一。当温度升高时，镁合金的强度和强蠕变性能大幅度下降，使它难以作为关键零件<如发动机零件）材料在汽车工业中广泛应用。耐热镁合金的研究与开发主要围绕新合金研究和改进现有镁合金的高温性能两个方面进行。
Mg-Al-Si<AS）系合金是德国大众汽车公司开发的压铸镁合金。当在175℃时，AS41合金的蠕变强度明显高于AZ91<Mg、Al、Zn）和AM60<Mg、Al、Zn）合金。
20世纪80年代，国外致力于利用Ca来提高镁合金的高温拉强度和蠕变性能表现良好。日本东北大学采用快速凝固法制成的具有100-200nm晶粒尺寸的高强镁合金，强度为超级铝合金的3倍，并具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性。
3. 阻燃镁合金
镁合金在熔炼烧铸过程中易发生剧烈的氧化燃烧。上海交通大学轻合金精密成型国家工程中心经过同时加入几种元素，开发了一种阻燃性能和力学性能均良好的轿车用阻燃镁合金，成功进行了轿车变速箱盖的工业实验。
4. 高强高韧镁合金
现有镁合金的常温强度和塑韧性均有待进一步提高。在Mg-Zn和Mg-Y合金中加入Ca、Zr可显著细化晶粒，提高其抗拉强度和屈服强度；加入Ag和Th能够提高Mg-稀土-Zr合金的力学性能，如含有Ag的QE22A合金具有较高的室温拉伸性能和抗蠕变性能。
5.变形的镁合金
虽然当前铸造镁合金产品用量大于变形镁合金，但经变形的镁合金材料可获得更高的强度、延展性及更多样化的力学性能，可满足不同场合结构件的使用要求。因此开发变形镁合金具有长远的发展趋势。
美国成功研制了各种系列的变形镁合金产品。经过挤压和热处理得到的Zk60<Mg、Al、Zn）高强变形镁合金，其强度及断裂韧性相当于失效状态的Al7075(Mg、Al、Zn>或Al7475<Mg、Al、Zn）合金。而采用快速凝固<RS）、粉末治金<PM）和热挤压工艺开发的Mg-Al-Zn系EA55RS变形镁合金，成为迄今报到的性能最佳的镁合金，其性能不但超过常规镁合金，比强度甚至超过7075铝合金<Mg、Al、Zn），并具有超塑性<300℃，436℃），腐蚀速率与2024-T6合金<Mg、Al、Zn）相当，成为先进镁合金材料的典范。日本最近开发出超高强度的Mg-Y系变形镁合金材料，可冷压加工的镁合金板材。
6. 镁合金成形技术
镁合金成形分成变形和铸造两种方法，当前主要使用铸造成形工艺。压铸是应用最广泛的镁合金成形方法。近年来发展起来的镁合金压铸新技术有真空压铸和充氧压铸，前者已成功生产出AM60B镁合金<Mg、Al、Zn）汽车轮毂和方向盘，后者已用于生产汽车上的镁合金零件。镁合金半固态触变铸造<Thixo-Molding）成形新技术近年来受到美国、日本和加拿大等国的重视。与传统压铸相比，触变铸造无需熔炼、浇铸及气体保护。生产过程更清洁、安全和节能。但当前可供使用的半固态铸造镁合金材料相对选择性小，需要进一步发展适用于半固态铸造镁合金的镁合金系列。
其它正在发展的镁合金铸造成形新技术有：镁合金消失模铸造、挤压铸造、低压铸造结合法、挤压铸造、流变铸造结合法和真空倾转法差压铸造等。

2.2 碳纤维复合材料
碳纤维是一种含碳量在9 2% 以上的新型高性能纤维材料, 具有重量轻、高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、导电、导热和远红外辐射等多种优异性能, 不但是21世纪新材料领域的高科技产品, 更是国家重要的战略性基础材料, 政治、经济和军事意义十分重大。尽管碳纤维可单独使用发挥某些功能, 然而, 它属于脆性材料, 只有将它与基体材料牢固地结合在一起时, 才能利用其优异的力学性能, 使之更好地承载负荷。因此, 碳纤维主要还是在复合材料中作增强材料。根据使用目的不同可选用各种基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及各种无机陶瓷, 而当前使用得最多、最广泛的是树脂基复合材料。用碳纤维与树脂、金属、陶瓷、玻璃等基体制成的复合材料, 广泛应用于航空航天领域、体育休闲领域以及汽车制造、新型建材、信息产业等工业领域。
碳纤维增强复合材料是以各种树脂、碳、金属、陶瓷为基体材料的塑料，其根据基体材料可分为树脂基复合材料(CFRP>、陶瓷基复合材料(CMC>和金属基复合材料(MMC>。碳纤维增强环氧树脂基复合材料的强度、刚度、耐热性能是其它材料无法比拟的，其比强度、比模量均高于其它材料，拉伸强度比铝、钢都大，弯曲、压缩、剪切等机械性能优良。以树脂和金属为基体的复合材料在车身上的应用较为成熟。

2.2.1碳纤维复合材料特性
碳纤维增强复合材料具有应用于车身制造的诸多优势。为了确保足够的安全性能，在主承载车身结构件上汽车厂商一般要选择强度，刚性及耐冲击性能均很高的材料用于制作主承力结构件，这时环氧树脂碳纤维增强复合材料就成为理想的材料选择。环氧树脂碳纤维增强复合材料具有可设计性、质轻高强、与同体积的铝合金构件相比减重可达50%，耐冲击，耐腐蚀抗疲劳,材料寿命长，此类材料制作的主承载车身结构件，不但大大提高了汽车的安全性，而且降低了车重减少了燃油消耗，提高了经济性，另外还改进了美观性。
1.复合材料具有极高的比模量和比强度，是当前常见材料中最高的。 密度小、质量轻，碳纤维的密度为1.5-2g/,相当于钢密度的1/4，铝合金的1/2，用其制成与高强度钢具有同等强度和刚度的构件时，其重量可减轻20%左右。
表4碳纤维—环氧增强塑料与几种材料特性的比较
材料种类
纤维含量体积比/%
密度/(g·cm-3>
拉伸强度/Mpa
弹性模量/Mpa
比强度/m
比模量/km
钢
—
7.8
1000
214000
1.3
0.27
高级合金钢
—
8.0
1280
210000
1.6
0.26
铝
—
2.6
400
70000
1.5
0.27
2A12铝合金
—
2.8
420
71000
1.5
0.25
玻璃增强塑料
60单向
2.0
1100
40000
5.5
0.2
碳纤维环氧塑料
高强度型
60单向
1.5
1400
130000
9.3
0.87
高模量型
60单向
1.6
1100
190000
6.2
1.2
碳纤维复合材料具有比玻璃纤维更低的密度和更高的强度，因此比强度很高。另外，由于其密度方面的压倒性优势，替代钢材后，车体质量将是钢材的25%左右，却10倍于钢强度。2. 纤维复合材料的抗疲劳性能极佳。由于在疲劳载荷作用下的断裂是材料内部裂纹扩展的结果，碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体间的界面能有效阻止疲劳裂纹扩展，具有较高的断裂韧性和假塑性，而外加载荷有增强纤维承担因而疲劳强度极限比金属材料和其它非金属材料高很多。如下是三种材料疲劳强度的比较。
103 104 105 106 107
150

100

50
玻璃钢
应力/(kgf/mm2>

碳纤维复合材料
铝合金
循环次数/r

图1、三种材料疲劳强度
3. 碳纤维复合材料是汽车金属材料最理想的替代材料，在碰撞中对能量的吸收率是铝和钢的4～5倍，减轻车身质量的同时，还能保证不损失强度或刚度，保持防撞性能。下面是碳纤维复合材料和其它材料的对比结果。

图2,、能量碰撞吸收对比
4. 碳纤维复合材料的工艺性和可设计性好，调整CFRP材料的形状、排布、含量，可满足构件的强度、刚度等性能要求，能用模具制造的构件可一次成型，减少紧固件和接头数目，能够大大提高材料利用率。

2.3 铝与铝合金的应用铝作为汽车材料有许多优点，如在满足相同力学性能的条件下，比钢减少质量60%，且易于回收、在碰撞过程中比钢多吸收50%的能量、无需防锈处理等。比强度和比刚度十分优良的铝金属基复合材料的研究开发成功，为汽车轻量化的进一步发展提供了途径。据预测 每辆轿车的平均铝使用质量将进一步上升到130kg，与1998年相比增长53%。世界铝协会在日前发表的一项研究报告中宣布，铝在汽车中的用量已超过(铸>铁，成为仅次于钢的第二大汽车材料。北美、欧洲和日本汽车的单车平均用铝质量如图1所示，其中北美汽车铝的应用水平最高，乘用车每车平均用铝质量当前已达145kg，欧洲平均每车用铝118kg，日本情况与欧洲比较接近。
图3 北美、欧洲和日本汽车的单车平均用铝量
2.3.1铝合金车身框架结构
从各国汽车制造商推出的概念车看，在车体结构上大多数采用无骨架式结构和空间框架式结构，而且大多数以铝挤压型材为主。如图2所示，尽管铝材的强度和刚度比钢材小很多，可是经过框架结构设计及采用更厚的板材，补偿了这个不足，使用铝材后的车身空间框架式结构质量下降47%，同时采用改进的断面形式，使车身抗扭抗弯能力增加了13%。
图4 框架结构图例
奥迪公司的A2型轿车，采用了全铝骨架车身和铝合金蒙皮结构，使总质量减少到895kg，车身由车身框架、刚性型材、铸铁接头和罩壳板组成，比传统钢体车身轻43%，力学性能提高40%。另外，奥迪A8系列良好的碰撞安全性也是基于它的ASF(铝合金空间框架结构1车身结构。这种车身采用高强度铝合金骨架，包围整个乘员室，就像一个防护的笼子。宝马Z8型车也采用了骨架结构和铝合金蒙皮车身，不但提高了整车的刚度而且减少了汽车的振动，使z8成为宝马家族中最受欢迎的一种车型。可见采用铝合金骨架以及其蒙皮车身在增加整个车身的刚度，提高汽车被动安全性的同时，大大降低了车身的总重量。可是，由于铝材料的回弹大且易出现裂纹，使铝板在冲压时比钢板难度大，还没有大批量完全采用铝板生产汽车。当前采用全铝制车身一般是年产量在几千辆的小批量生产的汽车，大批量生产的中型轿车车身.中铝结构的比重只占3%～7%。

2.4塑料
塑料是一种高分子材料，用它代替各种昂贵的有色金属和合金材料，不但能够提高汽车造型的美观度与设计的灵活性，而且还能够降低汽车的能耗。另外，塑料的应用有抗腐蚀、耐磨、隔热、消声、减振等优点。近年来，塑料在汽车上的应用越来越多，当前已由内外装饰件向车身覆盖件和结构件方面发展，而且由通用塑料为主转变为工程塑料、纳M塑料等为主。
塑料主要应用在衬套、装饰件及车身某些部件上，可是人们追求的目标是应用在整个车身外壳上。全塑汽车的开发已成为国外各大汽车公司长期以来竞相追求的目标，通用、福特、戴·克、丰田等公司在该领域走在前列。不久前在美国汽车城底特律举行的“北美国际汽车展”上，福特公司展出了一个新品牌———“思索”<THINK）牌电动汽车，小巧玲珑，全塑车身，质量为940kg，充电1次能行驶85km，时速达到90km/h。戴姆勒克-莱斯勒公司生产的VCC Composite Concept Vehicle概念车，一种几乎全塑材料的车身外壳。车身材料含有玻璃增强纤维，加强车身的刚度和硬度，还含有稳定剂、冲击延展剂、颜色添加剂等。

3 小结
电动汽车在动力不足、续驶里程短等问题的制约下，轻量化材料在电动汽车中的研究十分重要。随着材料技术的发展，电动汽车车身材料将向更轻质、易成形、低成本、易回收、高稳定性方向发展。综合国内外已经开展的研究，足见汽车车身结构轻量化的理论研究和实际应用都取得了重要的进展。例如在赛车和高档跑车之外，碳纤维增强复合材料能够很大程度地应用于传统汽车中替代传统零部件材料，如发动机系统、传动系统、底盘系统。

参考文献
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