陳立旦++齊忠蒙
摘 要:本文通過分析國內外汽車輕量化研究現狀,提出了純電動汽車核心零部件輕量化安全技術的關鍵技術和實施方案及實施路線。本研究有利于降低原油依賴程度,有利于減少環(huán)境污染,有利于推動電動汽車產業(yè)發(fā)展進程。
關鍵詞:電動汽車 輕量化 安全技術 研發(fā)
中圖分類號:U469 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2017)01(a)-0000-00
本文為2015浙江省教育廳高等學校訪問工程師校企合作項目階段性成果。
1.研究背景
電動汽車的發(fā)展一直受到各國政府的高度重視,政府通過各種政策鼓勵新能源汽車的研發(fā)生產和推廣應用。我國政府也投入了大量的人力、物力、財力,進行電動汽車的研發(fā),部分核心技術已經處于世界領先水平。可以說,電動汽車的產業(yè)化必將成為中國汽車產業(yè)結構調整實現跨越式發(fā)展的切入點。
為了進一步降低新能源汽車的能源消耗,減輕環(huán)境污染,新能源汽車研發(fā)企業(yè)和生產廠家必須要研發(fā)出新的輕量化技術。消費者一般認為汽車輕量化必然降低汽車安全性,但是隨著新興材料的出現和運用,汽車輕量化并不會降低安全性。事實證明,在各種新的設計理念、新技術、新材料和新工藝的集成應用下,完全可以實現安全性、輕量化水平的共同提升。
2.汽車輕量化研究現狀
汽車輕量化主要包括兩個方面:車輛設計的優(yōu)化和輕量化材料。其中車輛設計主要包括車身輕量化、發(fā)動機輕量化、底盤輕量化三個方面;輕量化材料主要包括碳纖維、鋁合金、鎂合金、鈦合金、工程塑料、復合材料和高強度鋼等,主要用來改造和替代傳統(tǒng)的車身材料。
汽車輕量化已經成為國外主要汽車OEM降低油耗、提升節(jié)能環(huán)保的重要方面。為此,美、日、歐、韓都分別制定了一個明確的發(fā)展指標和路線。在輕量化材料方面,美日歐汽車OEM廠商在材料動態(tài)物理力學性能測試及評價技術,如高應變速率拉伸試驗技術、吸能試驗技術等均加大研發(fā)力度,部分廠商已取得一定突破。
目前,國內汽車輕量化材料正在加速發(fā)展,車用高性能鋼板、鎂合金已在汽車上有所應用。在汽車結構優(yōu)化設計方面,國內已從主要依靠經驗設計逐漸發(fā)展到應用有限元等現代設計方法進行靜強度計算和分析階段。
3. 純電動汽車核心零部件輕量化安全技術關鍵技術
3.1動力系統(tǒng)優(yōu)化匹配技術
提出一種能達到指定功能需求的電動汽車動力系統(tǒng)參數匹配方法,利用ADVISOR進行二次開發(fā),從電機、電池、傳動機構等的選型匹配進行動力系統(tǒng)參數整體優(yōu)化,從而提高整車等效燃油經濟性和續(xù)駛里程。在完成動力系統(tǒng)各部件選型和參數匹配后,基于CAE仿真技術,針對不同驅動方案,對動力系統(tǒng)進行合理布置,研究使整車具有合理軸荷分配的最優(yōu)空間布置方案。此系統(tǒng)優(yōu)化技術可以優(yōu)化空間分配,減少零部件的用材,減輕車身重量。
3.2車輛總體布置技術
通過CATIA視覺化人機工程學模塊以及裝配模塊進行整車總體布置設計,對關鍵總成進行強度校核和模態(tài)分析,并進行整車性能分析和計算,有效減少車輛總體布置成本,同時使布局更合理,減輕車身重量。
3.3車輛安全結構與車身輕量化協(xié)同設計
采用高強度鋼板、模塊化部件及采用鋁、碳纖維和其他新興材料的同時,應用多目標優(yōu)化方法,在優(yōu)化模型中綜合考察白車身扭轉剛度、最大碰撞力、碰撞吸能要求和質量最輕等多個性能指標要求,進行安全可靠性優(yōu)化設計。
4. 純電動汽車核心零部件輕量化安全技術實施方案
本項目首先確定集轎車的安全性和小型車的節(jié)能減排的電動汽車整車性能為研究背景,制定總體研發(fā)方案。以總體研發(fā)方案為指導,研發(fā)出更具經濟性和安全性的電動汽車,對動力系統(tǒng)優(yōu)化匹配和整車安全結構與輕量化協(xié)同設計進行關鍵技術攻關。通過動態(tài)仿真試驗、臺架試驗、路面試驗,不斷優(yōu)化設計,不斷改進樣車獲得最佳輕量化性能,完成小批量試產。如圖1所示。
5. 純電動汽車核心零部件輕量化安全技術實施路線
5.1整車總體布置
開發(fā)扁平式電池箱結構,動力電池組安裝在電池箱內,電池箱安裝在前后橋的底盤中間位置,采用扁鐵吊裝的方式固定。設計開發(fā)電池箱散熱系統(tǒng),空氣入口在電池箱前方,采用軟管連接,進入駕駛倉,作為進氣口,電池箱后方安裝一個冷風機,采用軟管與電池箱連接的方式,抽風降溫。采用動力裝置前置驅動設計,將驅動電機,控制器等零部件安裝在前機艙位置。電壓箱、車載充電機、高壓電氣盒等系統(tǒng)總成和零部件布置在座椅下面,保證其碰撞安全性。
5.2 動力系統(tǒng)優(yōu)化匹配
開發(fā)一套切實可行的電動汽車動力系統(tǒng)自動匹配軟件,根據開發(fā)車型的動力性和驅動方式要求,進行初步動力匹配。對電動汽車專用軟件ADVISOR進行二次開發(fā),進行動力系統(tǒng)的優(yōu)化,基于等效燃油經濟性和續(xù)駛里程,選取最優(yōu)組參數,并結合實際情況,最終確定各電池、電機、傳動機構等部件的參數。在此基礎之上,設計動力系統(tǒng)布置方案,利用三維建模軟件CATIA對動力系統(tǒng)進行建模并在虛擬環(huán)境下將其裝配至整車。運用計算機虛擬技術,計算整車的軸荷分布,根據最佳軸荷分布選定動力系統(tǒng)布置方案。依據布置方案進行樣車改裝,通過樣車試驗,驗證修改所設計的動力系統(tǒng),最終建立電動汽車通用動力系統(tǒng)優(yōu)化匹配仿真—試驗平臺。
5.3整車安全結構與輕量化
建立參數化網絡有限元模型,確定車身結構輕量化方案,結合車身剛度、模態(tài)等進行分析驗證,合理協(xié)調車身薄弱環(huán)節(jié)的加強與車身剛度優(yōu)化的關系、車身低階振動與車身剛度優(yōu)化的關系、車身剛度優(yōu)化與車身輕量化的關系等,實現電動汽車車身輕量化效果;同時,進行整車碰撞安全模擬分析及優(yōu)化方案,確保整車的碰撞安全性能,實現整車質量目標、安全目標、NVH目標,同時實現整車成本可控的目的。具體車身輕量化設計方案如下(如圖2):
一是采用Benchmark方法對電動汽車目標車型進行結構和用材分析,提出車身的結構和用材方案。二是采用CAE方法分析車身零部件的強度、剛度、模態(tài)等,對車身的結構進行優(yōu)化設計。三是采用目標分解的方法,將減重的目標逐級分解到車身的各個部件,挖掘車身可實現減重的所有零部件潛力,形成輕量化設計方案。四是采用不同專業(yè)優(yōu)勢集成、不同類型的材料優(yōu)勢集成、不同技術領域的優(yōu)勢集成,實現車身輕量化、性能優(yōu)化和成本控制。
6. 純電動汽車核心零部件輕量化安全技術應用前景
6.1經濟效益
研發(fā)一種采用鋁、碳纖維和其他新興材料整合實現車身輕量化的新興技術。在保持汽車原有安全性指標情況下,降低汽車整車質量6%。
6.2社會效益
有利于降低原油依賴程度,有利于減少環(huán)境污染,有利于推動中國電動汽車產業(yè)發(fā)展進程,有利于促進我國國民經濟可持續(xù)增長。同時,規(guī)模產業(yè)化后,將帶動機電一體化、傳感、電機、電子電控、服務等相關產業(yè)的發(fā)展。
參考文獻
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