纯电动汽车动力系统轻量化研究

任俊楠　查朦

摘 要：鉴于当前环境和能源问题，大力发展纯电动汽车十分必要。动力系统作为纯电动汽车中的重要机构，对其进行轻量化研究可有效减少能耗，提高行驶续航能力，对改善环境污染、节约能源具有重要意义。文章以动力系统中的电池、电池包及电驱传动总成作为研究对象，分别从结构优化和新材料选用两方面进行分析。

关键词：纯电动汽车;轻量化;新材料

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）03-08-03

1 轻量化研究方法及意义

为应对环境污染、能源短缺等问题，发展纯电动汽车是实现我国环境保、能源安全，走可持续发展道路的必然选择。纯电动车电池储能低、续航能力差的短板制约其大范围普及，因此对电动汽车轻量化的研究具有重要意义。轻量化不单是减轻零部件质量，而是在保证性能前提下的优化。有数据统计，电动汽车每减轻1kg，每100km能耗可降低5-10W· h^[1]。

目前实现轻量化的方法见图1，本文从结构和材料两方面对动力系统轻量化进行研究。

2 电池选用及电池包设计

电池质量约占整车的1/3，它的引入使得整车质量大幅增加，同时动力电池的比燃料较燃油小很多，使得电动汽车的续航里程远不如传统汽车。合理的电池选用及排布，既有效减轻质量，又可装载更多电池以提升续航能力。

2.1 电池类型

纯电动汽车的电池类型主要有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池^[2]。

铅酸电池采用金属铅作为电极材料，虽成本较低，但质量和体积较大，比能量低，且易受侵蚀，影响电池的使用寿命，正逐步被取代。镍氢电池和锂离子电池作为现今主流，都具有更高的比功率，较长的使用寿命。其中锂离子电池重量轻、能量密度高、无污染、无记忆性，但其造价成本高，安全性能较差。而镍氢电池电压平台较低、能量密度小，在高、低温时存在比功率下降的问题，若要满足纯电汽车的要求，需成倍增加电池包体积，占据大量空间。通过对比电池的性能指标发现锂离子电池更具优势，所以在主流电动汽车上使用较多。

2.2 电池包设计要求

电池包包含串聯（并联）的多电池单体组成的电池模组、电池热管理器及电池安全BMS 模块等^[3]。电池包的设计应具有良好的刚度、强度、散热性、绝缘性、防水性等特点。

2.3 电池的布置

从整车驱动形式、行驶安全性、空间使用率等方面考虑，目前主流的电池布置采用整体式布置，安装在车身底板下端。整体式布置将所有电池组集中安装，利于电池与电池连接及清晰紧凑的导线布置。安装在车身底部下方，可有效利用空间，更好的保护电池组，提升碰撞安全性;同时也降低了整车重心，提高整车操纵稳定性和平顺性。

3 基于结构性能的轻量化分析

3.1 电池包结构分析

结合电池包的设计要求及行车过程中的各种情况，对电池包结构进行分析。电池包顶盖用来遮盖箱体并防止外部杂质进入，通过螺栓与箱体连接，其受力较小，可在设计中对顶盖板材厚度进行优化。边缘采用圆整过渡，有利螺栓与箱体的紧密连接，并可避免应力集中及大平面共振。箱体主要保证电池组的定位，其内部支架、罩盖可有效控制电池组与箱体周围的碰撞，影响箱体及电池组的寿命。在进行箱体轻量化时，采用形状优化、拓扑优化，通过分析可知底板需使用加强筋，来加强底板刚度。箱体底部设计纵横梁，通过受力分析计算，确定纵横梁的结构、尺寸等，固定安装后增加车身的承载强度。

3.2 电驱传动总成分析

传动总成主要包括驱动电机、减速器及传动轴等。设计电机时，为减轻转子质量，采用空心轴代替实心轴，或对转子铁心开孔来达到目的。利用CAE技术，首先使用三维软件对传动总成建模，对壳体采用薄壁化、结构紧凑化、部分结构中空化等方式，然后对模型进行网格划分建立有限元模型，再进行静力性能及动态性能的分析及优化，达到轻量化设计目标。

传动总成正朝着高功率密度电机、电力电子集成和电机传动一体集成的方向发展，高功率密度意味增加单位体积的电容量。研究表明，当动力电池单体能量密度达到400W·h/ kg时，一次充电续航里程可达628Km，基本解决了电动汽车续航不足的问题。同时电机与变速箱的集成设计，使结构更加紧凑，减小尺寸，降低质量。

4 基于新材料的轻量化分析

传统的电池包壳体材料主要是钢板焊接而成，再在表面进行喷涂处理来满足性能需求，减速器壳体主要是铸铁。随着新材料的出现及工艺技术的成熟，轻质材料的使用成为轻量化的重要途径。

4.1 高强度钢

钢材作为汽车零部件的主要原材料，具有结构强度高、散热性能好等优点，但质量过大增加能耗。而高强度钢具有更高的强度，在使用中可减薄零部件的厚度。2016年4月，由NanoSteel和Ak钢铁公司联合开发的新一代高强度钢已交付通用汽车进行初期测试，它结合高强度与延展性，在达到1200Mpa抗拉强度时也拥有50%的延伸率，克服了传统钢板两者不能兼顾的弊端。利用高强度特性可设计出更薄更轻的部件，而高延伸性易于加工，部件的生产无需投入高昂的加工技术、培训等额外资金。

4.2 铝合金

铝合金材料是替代钢板的首选，在汽车上已得到广泛使用，其具有质量轻、热稳定性好、易成形等优点，在相同机械性能下大大减轻零部件质量。同时铝合金的动力电池包壳可一次拉伸成形，省去盒底焊接工艺，避免焊接时焊缝质量下降等问题。

4.3 SMC复合材料

SMC复合材料主要由专用纱、不饱和树脂、低收缩添加剂、填料和各种助剂组成^[4]。具有质量轻、高强度、绝佳的电绝缘性，很好的耐化学腐蚀性、工程设计的自由性、灵活性等都是其入选电池箱材料的重要保证。数据显示，自重35k公斤的SMC材料外壳可承载340kg的电池，比金属箱体重量约轻35%，并且该箱体能承受10倍重力加速度的撞击。

4.4 碳纤增强复合材料

碳纤维及其复合材料是解决汽车轻量化发展的有效途径之一。其与金属材料相比，质量更轻、耐冲击性能好，密封性好，质量只有铝的一半，已成为传统金属材质电池箱体的理想替代品。

5 总结

本文结合纯电动汽车的不足，以动力系统为研究对象，分别对电池、电池包、电驱动系统进行了分析，从结构设计优化及新材料的应用角度来实现轻量化，通过CAE分析可进一步验证轻量化后的产品性能，保证其可靠性。

参考文献

[1] 陈吉清.汽车结构轻量化设计与分析方法[M].北京理工大学出版社，2017.

[2] 朱晓彤.RAV-4电动汽车电池组风冷系统的研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[3] 薛雯.纯电动汽车电池结构与系统的研究：[D]，天津：天津大学， 2016.

[4] 孙巍.高填充快速引发高性能SMC体系的研究：[D]，武汉：武汉理工大学，2008.