纯电动汽车车身轻量化研究

李依灵

摘要：纯电动汽车的动力性能和续航能力一直是新能源汽车领域的技术难点，而对这两方面性能起阻碍作用的一个重要因素就是整车的重量。因此，本文在综合分析近年来，国内外对于纯电动汽车技术和汽车轻量化研究成果的基础上，探讨车身轻量化技术的现状和前景，分析车身轻量化技术对于纯电动汽车发展的必要性，研究纯电动汽车车身轻量化的关键技术，提出通过对车身重要受力部件，例如汽车防护梁等方面的结构创新设计，来降低车身质量，提高车身的力学性能，是在现有的技术及工艺水平条件下，提高纯电动汽车性能最有效、成本最低的方法。

关键词：纯电动汽车；车身轻量化；关键技术；结构设计

引言

随着经济社会的不断发展，人们对美好生活要求的不断提高，民众的环保意识也在不断增强。交通事业的不断发展，也带动了汽车制造业的蓬勃兴起，公众越来越重视对汽车环保与舒适度的需求。因此，发展新型电动汽车是汽车制造业，实现可持续性发展的必由之路，也是促进我国经济社会又好又快发展与科学发展的重要保障。

1结构优化设计技术概述

近年来，纯电动汽车获得了较大的发展，但也受制于电池技术的发展，目前还未有兼具安全性高，能量密度高，寿命长，成本低等优点为一体的纯电动汽车用电池。如，铅酸蓄电池虽然成本低，但有能量密度低、寿命短的缺陷，从而导致车辆续航里程短；钛酸锂电池，不起火不爆炸安全性高,寿命长达30年，-50至+60。C的宽耐候性的独特优点，但有能量密度相对低的缺陷，仅适用于续航里程较短的城市公交车，恶劣环境下的码头、仓库用车以及军事领域等有限领域；而其他如磷酸铁锂、三元锂电池，虽然有能量密度高使车辆续航里程增长，但存在电池本身安全性低，循环寿命短的问题。无论纯电动汽车安装哪一种电池，在安装同等电量情况下，车身重量重，都会导致纯电动汽车续航里程缩短，以及充电次数增加的问题，从而导致电池寿命短需频繁更换电池，增加了运营成本，不利于提升消费者的使用体验，也存在对环境的污染问题。为此，有必要进行纯电动汽车车身的轻量化研究。以延长车辆续航里程及电池的使用寿命，降低了使用成本。

进行纯电动汽车的轻量化研究，同时也应注意减少研发成本。而引入CAE技术进行纯电动汽车白车身的有限元分析，全面分析纯电动汽车的安全性、动力性和环保性，可以解决纯电动汽车白车身轻量化的研发成本问题。纯电动乘用车白车身的轻量化设计主要包括两个方面：①材料优化。在纯电动乘用车白车身的轻量化设计中，要进行材料的优化选择和应用，注意材料优化过程的制作成本、加工工艺等，要采用新型的加工工艺，如：“曾料”的加工工艺，节约开模所需的成本，实现白车身的轻量化设计。②结构优化。考虑到纯电动乘用车白车身的复杂结构和多变路况条件，可以利用有限元分析仿真技术，进行纯电动乘用车的结构优化。

2车身设计

2.1车身架构设计

车身设计初期通常会进行主体架构的设计，再进行详细结构设计。基于现代的计算机辅助设计方法，先根据整车布置空间做出大概的车身主体框架走势仿真模型，进行拓扑优化，再根据拓扑优化的结果以及初步工程可行性评估确定车身主体框架走势。搭建车身主体框架时还要注意，尽量构建环形结构，减少或避免悬臂梁。因为，从基础力学模型可以得出一端固定的悬臂梁无论是在均布载荷还是集中载荷下，其所受弯矩及剪力都比两端支撑的简支梁要大，也就是说在相同工况下，悬臂梁的结构刚度和耐久性能更差。基于以上因素，在确定车身框架走势过程中考虑了主要环形结构的构建。如图1所示是本产品车身框架设计的主要的环形结构，环形结构使车身框架成为一个整体，可以优化车身弯扭刚度，可以增加车身结构的共用，可以指导车身材料向有利于保证性能的区域应用，有利于车身轻量化。

图1车身主要环形结构示意图

2.2车身结构设计

构建完车身主体架构走势后，就开始进行车身结构设计。三维数据的建立都要遵循点、线、面、体的过程，即由点生线、由线生面、由面生体的过程。所以在进行车身3D数据制作前首先会制作2D数据，即常说的典型断面。车身典型断面是车身设计过程中的一项重要工作，它能够定义零件与零件间的配合关系，指导接下来的3D数据制作，反映运动件的运动轨迹，评估初步的工艺可行性，反映截面的弯扭特性等。一般一个车身的典型断面会有几十个，主要包括几个主要典型断面。（1）门上铰链位置的典型断面。（2）门限位器位置的典型断面。（3）门槛位置的典型断面。（4）顶盖后横梁位置典型断面（如图2）。

图2顶盖后横梁位置典型断面

3纯电动乘用车白车身轻量化应用与校核

3.1纯电动乘用车白车身轻量化

材料轻量化，一直是实现汽车轻量化的主要途径，以往大多数是采用高强度优质钢材、各种合金材料等金属材料，以及加强工程塑料、碳纤维等非金属复合材料，来实现车身的轻量化。对车身结构进行轻量化设计的部件常有，车门外板、前机盖、行李箱盖以及传统燃油车的散热水箱、冷凝器等。

基于现有的行业技术现状，原有的轻量化材料并不能满足纯电动汽车对于轻量化、安全性和续航能力的三重要求，因此开发新型轻量化材料很必要。而研发一种新的材料并运用到工程实践当中，需要强大的技术支撑，并且试验的周期相对比较长。轻量化新型材料的应用，需要突破的技术关键有以下几点:材料的变性、材料复合、虚拟试验技术。

虚拟试验技术是指，在新材料开发的过程当中，可以引入计算机虚拟技术，进行动态模拟，缩短试验和开发的周期。从白车身的结构轻量化设计来看，计算机辅助CAD技术及一体化技术对于电动汽车的设计起了重要的作用，一是可以通过计算机手段，准确地对纯电动汽车的实体结构和布局进行分析，确定哪些结构是承载车身大部分重量，但却对受力及安全性要求不高的大型结构及覆盖件。对各关键构件板材厚度，进行变量分析及计算，建立尺寸参数的轻量化关系式。二是在车身骨架的重要受力部位，设置新型工艺结构的保护梁，起到承重、加固和强化的作用，满足安全性要求，针对相关数据，进行工程分析及刚度、强度的力学计算，实现保护梁的结构和工艺的优化设计。

3.2方案校核

实施纯电动乘用车白车身轻量化方案之后，要进行验证校核分析，具体包括以下内容（如图3）：（1）扭转刚度。经过白车身轻量化方案可知，白车身的扭转刚度数值通过公式计算为15321Nm/deg，风窗及门洞局部结构的弯曲变形刚度也满足设计标准。（2）弯曲刚度。由白车身轻量化方案可知，白车身的弯曲刚度数值为18181Nm/mm，满足设计标准和要求。（3）模态校核。由白车身轻量化方案可知，一阶弯曲频率为43.3Hz，一阶扭转频率为67.9Hz，前地板为67.6Hz，后地板为73.2Hz，前流水槽为59.3Hz，后流水槽为67.1Hz。

图3方案校核

3.3方案优化

由上述校核分析可知，要对白车身后地板的钣金件进行强度优化，增加钣金材料厚度，使之由1.2mm增加到1.5mm；在钣金表面设计加强筋结构；增添三根小梁用于后地板框架结构的更新；增加充电机安装支架钣金件的厚度，并由三根加强筋增添为四根加强筋结构(如图4）。

图4方案优化图片

结语

本文通过对纯电动汽车未来的发展方向和对技术现状的分析，对车身构件的结构、形状和相互关系，进行优化设计和布置，确保了纯电动汽车的可靠性和安全性。在确保安全及可靠的前提下，对车身承载结构部件的材料与工艺进行优化，从而实现了汽车白车身的轻量化，提高了电池的使用寿命，以及纯电动汽车的续航能力，降低了纯电动汽车使用成本，增加了社会效益。

参考文献:

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