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1、电动汽车整车关键技术及其发展研究应用报告电动汽车整车技术及其发展研究【摘要】着眼于可连续发展，节省资源、降低环境污染成为世界汽车工业界亟待处理两大问题。节能、环境保护、安全是当今世界汽车工业关注关键话题。电动汽车是目前及未来汽车发展方向。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。而对整车技术研究有利于减小汽车质量和对能量消耗。【关键词】电动汽车 整车技术 新材料 应用 发展序言汽车产业发展,日益增大石油能源消耗,将加紧从能源短缺到能源枯竭步伐。汽车排放造成大气污染和地球温室效应,成为世界全人类公害。人类社会和汽车产业可连续发展,受到极大威胁,发展汽车新能源、开发

2、汽车新动力,成为世界汽车产业面临十分紧迫任务。现代融合多个高新技术而兴起纯电动汽车、混合电动汽车、燃料电池汽车,尤其是立足于氢能基础上燃料电池汽车正在引发世界汽车工业一场革命,展现了汽车工业新能源、新动力发展光明前景。本文将在下面着重介绍电动汽车整车技术，和部分新材料在电动汽车上应用。1整车技术这是很关键也是常被忽略中国开发常是改装车，忽略对电动车整体技术研究）。关键包含：轻质车身材料和制造技术，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，新型电动车辆造型和结构整体设计，CAD技术等。基于微电子电动车智能化综合监控管理系统，对动力链各步骤进行管理，如电池管理、剩下电量显示、充

3、放电控制、电控系统监控等，包含到延长蓄电池使用寿命，提升电能利用效率和电动车续驶里程等关键技术性能指标。整车技术深入研究将对电动汽车产生深远影响，比如：采取轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料,优化结构,可使汽车本身质量减轻30%50%。实现制动、下坡和怠速时能量回收。采取高弹滞材料制成高气压子午线轮胎,可使汽车滚动阻力降低50%。汽车车身尤其是汽车底部流线型化,可使汽车空气阻力降低50%。2 新材料介绍和应用2.1 镁合金2.1.1 镁合金特点镁合金是一个轻合金，熔点为650。金属镁及其合金是工程应用中最轻金属结构材料，纯镁密度仅为1.738gcm-3，而常规镁合金如AZ91密度也只是1.8

4、1gcm-3，约为铝2/3，钢1/4，靠近工程塑料密度2，所以将镁合金应用在汽车领域中可极大地减轻结构件质量。2.1.2 镁合金和其它金属相比镁合金含有很多性能优势： 1）密度小，常见金属中最轻金属 比如AZ91镁合金密度是1.81gcm-3，约为铝2/3，锌1/4，不到钢或铸铁1/4，靠近工程塑料密度。对于含30%玻璃纤维聚碳酸酯复合材料来说，镁比重也不超出它10%。所以镁合金使用可有效减轻汽车质量。表一为多个金属密度对比表1 多个常见金属密度金属名称密度g/cm3）和镁比Mg1.7423Al2.7135Ti4.5058Zn7.1390Fe7.871002）比强度高 抗拉强度、屈服强度、伸长

5、率和铝合金铸件相当。从设计者立场考虑，密度小金属若不含有高强度，将没有意义。试验显示，镁合金比强度比铝合金和钢高。所以在不降低零部件强度条件下，镁合金铸件比铝铸件重量减轻大约25%。多个常见镁合金性能见下表2。表2 常见镁合金性能合金抗拉强度MPa拉伸屈服强度MPa拉压屈服强度Mpa延伸率弹性模量GPaAM60A205115115645AS21X12401301309AS41A,XB220150150445AZ91ABD230150165345A3503251604713）热传导性好 含有良好耐腐蚀性能、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，即使镁合金导热系数不及铝合金

6、，不过比钢高近1倍，比塑料材料高10倍。所以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，提升制动稳定性。4）良好焊接和铸造性能 镁合金熔点、比热容和相变潜热比铝合金低，融化耗能较少，固化速度快，动力粘度低含有良好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015 mm，镁和铁亲和力小，固溶铁能力低，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、冲击吸收性能好 含有良好阻尼系数，镁合金对振动能量吸收能力强，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、方向盘能够降低振动，在汽车发

7、出碰撞后很好地吸收冲击能量，提升汽车安全性和舒适性。6）抗凹陷性能好 镁合金和其它金属相比抗变形能力强，由冲击而引发凹陷小于其它金属。7）易于机械加工 镁合金很易于机械加工，在无冷却液、无润滑剂情况下能实现高负荷加工，得到光洁加工面，衡量机械加工指标之一是动力消耗量。表3是以镁合金为1情况下，多种合金机械加工时动力消耗量比较。由表3可知镁合金含有良好机械加工性。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108）易于回收再生。回收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，

8、比热小，在再生溶解时所消耗能源是新材料制造所消耗能源4%。另外，镁合金电磁波屏蔽性好，外表美观。更为关键是，镁是自然界中分布最广元素之一，约占地壳质量2.35%，列第八位，仅次于O、 Si、Al、Fe、Ca、 Na、K，因为镁本征化学性质活泼，在自然界中关键以化合物形式存在，在陆地上含量为1.930%，海水中含量为0.42%，达2.11015t。中国是世界上镁矿资源最富有国家。关键含镁资源包含菱镁矿：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t4。丰富镁矿资源为中国镁产业可连续发展提供了最可靠资源保障。相反，铁矿及铝矿资源则相对

9、贫乏部分。已探明世界储量铁矿石和铝土矿可采储量保障年限只有约70年和50年。中国铁、铝资源愈加贫乏，储量仅占世界百分比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步骤电耗就占到整个有色工业90，并也间接造成高污染排放。而被冠以“二十一世纪绿色结构材料” 5美誉金属镁在这些方面则相对好部分。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,同比增加16.8%。需要说明是，因为受到国际多种金属材料影响，刚才价格上升，使镁合金成本方面劣势深入减小，镁

10、合金综合优势深入显著。所以，对于盛产镁合金资源中国来说，中高级轿车采取镁合金制作汽车零件也就愈加彰显优势了。2.1.3 镁合金新发展 尽管镁合金在汽车上应用含有其它金属不可比拟优点，但在过去几十年中，因为价格和生产技术方面原因，镁合金一直未得到广泛应用，多年来伴随镁价格逐步下降，使镁合金在汽车中全方面应用逐步成为可能，世界范围内各关键汽车生产国不停加大在镁合金开发和应用技术研究上投入，从而部分新技术相继问世。 1. 耐蚀镁合金镁合金耐蚀性问题可经过2个方面来处理：严格限制镁合金中 Fe、Cu、Ni等杂质元素含量。比如，高纯AZ91HP镁合金Mg、Al、Zn）在盐雾试验中耐蚀性大约是AZ91C镁

11、合金Mg、Al、Zn）100倍，超出了压铸铝合金A380Mg、Al、Zn）比低碳钢还要好。对镁合金进行表面处理。依据不一样耐蚀性要求，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。比如，经化学镀镁合金，其耐蚀性超出了不锈钢。2耐热镁合金耐热性差是阻碍镁合金广泛应用关键原因之一。当温度升高时，镁合金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。耐热镁合金研究和开发关键围绕新合金研究和改善现有镁合金高温性能两个方面进行。Mg-Al-SiAS）系合金是德国大众汽车企业开发压铸镁合金。当在175时，AS41合金蠕变强度显著高于A

12、Z91Mg、Al、Zn）和AM60Mg、Al、Zn）合金。20世纪80年代，国外致力于利用Ca来提升镁合金高温拉强度和蠕变性能表现良好。日本东北大学采取快速凝固法制成含有100-200nm晶粒尺寸高强镁合金，强度为超级铝合金3倍，并含有超塑性、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猛烈氧化燃烧。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多个元素，开发了一个阻燃性能和力学性能均良好轿车用阻燃镁合金，成功进行了轿车变速箱盖工业试验。4. 高强高韧镁合金现有镁合金常温强度和塑韧性全部有待深入提升。在Mg-Zn和Mg-Y合金中加入Ca、Zr可显著细化晶粒，提升其抗拉强

13、度和屈服强度；加入Ag和Th能够提升Mg-稀土-Zr合金力学性能，如含有AgQE22A合金含有较高室温拉伸性能和抗蠕变性能。5.变形镁合金即使现在铸造镁合金产品用量大于变形镁合金，但经变形镁合金材料可取得更高强度、延展性及更多样化力学性能，可满足不一样场所结构件使用要求。所以开发变形镁合金含有长远发展趋势。美国成功研制了多种系列变形镁合金产品。经过挤压和热处理得到Zk60或Al7475Mg、Al、Zn）合金。而采取快速凝固RS）、粉末治金PM）和热挤压工艺开发Mg-Al-Zn系EA55RS变形镁合金，成为迄今报到性能最好镁合金，其性能不仅超出常规镁合金，比强度甚至超出7075铝合金Mg、Al、

14、Zn），并含有超塑性300，436），腐蚀速率和2024-T6合金Mg、Al、Zn）相当，成为优异镁合金材料典范。日本最近开发出超高强度Mg-Y系变形镁合金材料，可冷压加工镁合金板材。6. 镁合金成形技术镁合金成形分成变形和铸造两种方法，目前关键使用铸造成形工艺。压铸是应用最广泛镁合金成形方法。多年来发展起来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镁合金零件。镁合金半固态触变铸造、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强度、刚度、耐热性能是其它材料无法比拟，其比强度、比模

15、量均高于其它材料，拉伸强度比铝、钢全部大，弯曲、压缩、剪切等机械性能优良。以树脂和金属为基体复合材料在车身上应用较为成熟。2.2.1碳纤维复合材料特征碳纤维增强复合材料含有应用于车身制造很多优势。为了确保足够安全性能，在主承载车身结构件上汽车厂商通常要选择强度，刚性及耐冲击性能均很高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材料选择。环氧树脂碳纤维增强复合材料含有可设计性、质轻高强、和同体积铝合金构件相比减重可达50%，耐冲击，耐腐蚀抗疲惫,材料寿命长，这类材料制作主承载车身结构件，不仅大大提升了汽车安全性，而且降低了车重 降低了燃油消耗，提升了经济性，另外还改善了美观

16、性。1.复合材料含有极高比模量和比强度，是现在常见材料中最高。 密度小、质量轻，碳纤维密度为1.5-2g/,相当于钢密度1/4，铝合金1/2，用其制成和高强度钢含有相同强度和刚度构件时，其重量可减轻20%左右。表4碳纤维环氧增强塑料和多个材料特征比较材料种类纤维含量体积比/%密度/(gcm-3拉伸强度/Mpa弹性模量/Mpa比强度/m比模量/km钢7.810002140001.30.27高级合金钢8.012802100001.60.26铝2.6400700001.50.272A12铝合金2.8420710001.50.25玻璃增强塑料60单向2.01100400005.50.2碳纤维环氧塑料高

17、强度型60单向1.514001300009.30.87高模量型60单向1.611001900006.21.2碳纤维复合材料含有比玻璃纤维更低密度和更高强度，所以比强度很高。另外，因为其密度方面压倒性优势，替换钢材后，车体质量将是钢材25%左右，却10倍于钢强度。2. 纤维复合材料抗疲惫性能极佳。因为在疲惫载荷作用下断裂是材料内部裂纹扩展结果，碳纤维增强复合材料中碳纤维和基体间界面能有效阻止疲惫裂纹扩展，含有较高断裂韧性和假塑性，而外加载荷有增强纤维负担所以疲惫强度极限比金属材料和其它非金属材料高很多。以下是三种材料疲惫强度比较。 103 104 105 106 107 循环次数/r图1、三种材

18、料疲惫强度3. 碳纤维复合材料是汽车金属材料最理想替换材料，在碰撞中对能量吸收率是铝和钢45倍，减轻车身质量同时，还能确保不损失强度或刚度，保持防撞性能。下面是碳纤维复合材料和其它材料对比结果。 图2,、能量碰撞吸收对比4. 碳纤维复合材料工艺性和可设计性好，调整CFRP材料形状、排布、含量，可满足构件强度、刚度等性能要求，能用模具制造构件可一次成型，降低紧固件和接头数目，能够大大提升材料利用率。 2.3 铝和铝合金应用铝作为汽车材料有很多优点，如在满足相同力学性能条件下，比钢降低质量60%，且易于回收、在碰撞过程中比钢多吸收50%能量、无需防锈处理等。比强度和比刚度十分优良铝金属基复合材料研

19、究开发成功，为汽车轻量化深入发展提供了路径。据估计每辆轿车平均铝使用质量将深入上升到130kg，和1998年相比增加53%。世界铝协会在日前发表一项研究汇报中宣告，铝在汽车中用量已超出(铸铁，成为仅次于钢第二大汽车材料。北美、欧洲和日本汽车单车平均用铝质量图1所表示，其中北美汽车铝应用水平最高，乘用车每车平均用铝质量现在已达145kg，欧洲平均每车用铝118kg，日本情况和欧洲比较靠近。图3 北美、欧洲和日本汽车单车平均用铝量2.3.1铝合金车身框架结构从各国汽车制造商推出概念车看，在车体结构上大多数采取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。图2所表示，尽管铝材强度和刚度比

20、钢材小很多，不过经过框架结构设计及采取更厚板材，赔偿了这个不足，使用铝材后车身空间框架式结构质量下降47%，同时采取改善断面形式，使车身抗扭抗弯能力增加了13%。图4 框架结构图例奥迪企业A2型轿车，采取了全铝骨架车身和铝合金蒙皮结构，使总质量降低到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%，力学性能提升40%。另外，奥迪A8系列良好碰撞安全性也是基于它ASF(铝合金空间框架结构1车身结构。这种车身采取高强度铝合金骨架，包围整个乘员室，就像一个防护笼子。宝马Z8型车也采取了骨架结构和铝合金蒙皮车身，不仅提升了整车刚度而且降低了汽车振动，使z8成为宝马家族

21、中最受欢迎一个车型。可见采取铝合金骨架和其蒙皮车身在增加整个车身刚度，提升汽车被动安全性同时，大大降低了车身总重量。不过，因为铝材料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取铝板生产汽车。现在采取全铝制车身通常是年产量在几千辆小批量生产汽车，大批量生产中型轿车车身.中铝结构比重只占3%7%。2.4塑料塑料是一个高分子材料，用它替换多种昂贵有色金属和合金材料，不仅能够提升汽车造型美观度和设计灵活性，而且还能够降低汽车能耗。另外，塑料应用有抗腐蚀、耐磨、隔热、消声、减振等优点。多年来，塑料在汽车上应用越来越多，现在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

22、为主转变为工程塑料、纳M塑料等为主。塑料关键应用在衬套、装饰件及车身一些部件上，可是大家追求目标是应用在整个车身外壳上。全塑汽车开发已成为国外各大汽车企业长久以来竞相追求目标，通用、福特、戴克、丰田等企业在该领域走在前列。很快前在美国汽车城底特律举行“北美国际汽车展”上，福特企业展出了一个新品牌“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，时速达成90km/h。戴姆勒克-莱斯勒企业生产VCC Composite Concept Vehicle概念车，一个几乎全塑材料车身外壳。车身材料含有玻璃增强纤维，加强车身刚度和硬度，还含有稳定剂、冲击延展剂、

23、颜色添加剂等。3 小结电动汽车在动力不足、续驶里程短等问题制约下，轻量化材料在电动汽车中研究十分关键。伴随材料技术发展，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。综合中国外已经开展研究，足见汽车车身结构轻量化理论研究和实际应用全部取得了关键进展。比如在赛车和高级跑车之外，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换传统零部件材料，如发动机系统、传动系统、底盘系统。参考文件1 BOSCH CRBSZ 2 Yimin GAO， Ali Emadi， Mehrdad Ehsani Modern Electric，Hybrid Electric， and Fuel Cell Vehicles Fundamentals，Theory， and Design 4刘倩,单忠德.镁合金在汽车工业中应用现实状况和发展趋势M.铸造技术,8(12:1688-1692.5彭婓.碳纤维增强塑料在汽车领域掀起一场革命J.汽车和配件，6王宏雁，陈君毅.汽车车身轻量化结构和轻质材料J.北京大学出版社,-6(647崔胜民，韩家军.新能源汽车概论J.北京大学出版社，