低速電動(dòng)車零部件系統(tǒng)輕量化的技術(shù)途徑

【特約研究員 冰封之城】低速電動(dòng)車的輕量化目標(biāo)，主要包括車身輕量化、電池輕量化、電驅(qū)傳動(dòng)總成輕量化、和零部件輕量化四個(gè)方面。如下圖所示。

　　上期周報(bào)分析了低速電動(dòng)車的車身輕量化技術(shù)途徑，詳見“研究周報(bào) | 低速電動(dòng)車車身輕量化的技術(shù)途徑”。本期周報(bào)將著重關(guān)注低速電動(dòng)車的電器系統(tǒng)及零部件系統(tǒng)的輕量化途徑。

　　一、電池輕量化

　　常見的電動(dòng)汽車儲(chǔ)能形式有以下幾種，如下圖所示：

　　低速電動(dòng)車目前絕大多數(shù)安裝的是鉛酸電池，最常見的安裝容量有6度、7.2度和9.6度三種。比如一款行業(yè)常見的330車型產(chǎn)品：整備質(zhì)量849kg，裝備6塊12v100AH免維護(hù)鉛酸電池，電機(jī)功率5kw。采用免維護(hù)鉛酸電池，比能量約34wh/kg，電池重量約210kg，占整車重量比例為25%。

　　如更換為普通80-90wh/kg能量密度的鋰電池，電池系統(tǒng)重量約80kg，占整車重量比例為11%?？梢婋姵叵到y(tǒng)的輕量化，是減輕整車質(zhì)量的是首要因素。

　　二、電機(jī)輕量化

　　幾種常見的驅(qū)動(dòng)電機(jī)分類形式如下圖所示：

　　上述驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能比較如下：

　　2014年以前的第一代低速電動(dòng)車，大都采用的是直流電機(jī)中的串勵(lì)和他勵(lì)兩種驅(qū)動(dòng)形式。直流電機(jī)系統(tǒng)的重量大、效率低，而且電刷和滑環(huán)的存在，阻礙了其進(jìn)一步的應(yīng)用。目前在低速電動(dòng)車上，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本上已經(jīng)被感應(yīng)和永磁電機(jī)系統(tǒng)所取代。因其功率密度高，同樣4kw功率的電機(jī)的重量減輕約10公斤左右?？梢娞岣唠姍C(jī)的功率密度是電機(jī)輕量化的一大方向。

　　三、驅(qū)動(dòng)形式輕量化

　　根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝的位置不同，低速電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)方式分為單電機(jī)集中式驅(qū)動(dòng)和多電機(jī)分布式驅(qū)動(dòng)兩種。

　　(1)集中式驅(qū)動(dòng)

　　集中式驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)汽車驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)接近，用電動(dòng)機(jī)代替內(nèi)燃機(jī)，通過傳動(dòng)系統(tǒng)將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上使汽車行駛。集中式驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式可分為3種，如下圖所示：

　　目前低速電動(dòng)車絕大部分采用的是上圖c所示的結(jié)構(gòu)：電動(dòng)機(jī)、減速器和差速器集成一體，通過左右半軸分別驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)側(cè)車輪。

　　(2)分布式驅(qū)動(dòng)

　　分布式驅(qū)動(dòng)是把多個(gè)電機(jī)集成在車輪附近或輪輞內(nèi)，將動(dòng)力傳給相應(yīng)車輪，傳動(dòng)鏈大大縮短。按電機(jī)位置和傳動(dòng)不同可分為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

　　輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方式如下圖所示：

　　該方式將驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在副車架上的驅(qū)動(dòng)輪旁邊，通過或不通過減速器驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)側(cè)車輪。可對(duì)每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)控制，采用電子差速器實(shí)現(xiàn)左右半軸差速。

　　輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)是將2個(gè)、4個(gè)或者多個(gè)電機(jī)安裝在車輪內(nèi)部，直接驅(qū)動(dòng)車輪，俗稱電動(dòng)輪。根據(jù)有無減速機(jī)構(gòu)，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)分直接驅(qū)動(dòng)和減速驅(qū)動(dòng)。如下圖所示：

　　與集中式驅(qū)動(dòng)相比，輪邊驅(qū)動(dòng)方式傳動(dòng)鏈更短，而輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)則取消了變速器、差速器和半軸等傳動(dòng)系統(tǒng)零部件，將電機(jī)、懸架系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)放在輪輞里，使底盤結(jié)構(gòu)大大簡化、零部件數(shù)量減少，從而降低了整車的質(zhì)量且更方便布置?？梢姺植际津?qū)動(dòng)將是低速電動(dòng)車下一步的重要技術(shù)發(fā)展方向。

　　四、電器系統(tǒng)集成輕量化

　　低速電動(dòng)車的主要電器零部件包括電機(jī)、控制器、車載充電機(jī)、DC/DC等。 目前市場(chǎng)上的低速電動(dòng)車這些零部件都是獨(dú)立系統(tǒng)，每一套系統(tǒng)都有獨(dú)立的電子零部件和散熱外殼，成本高同時(shí)占用車輛總布置空間。將這些零部件，按照功能系統(tǒng)或者物理位置進(jìn)行集成，對(duì)于零部件的輕量化有非常重要的作用。

　　比如車載充電機(jī)和車載DC/DC兩者都是開關(guān)電源系統(tǒng)電路，工作可以錯(cuò)開。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)如果電壓參數(shù)選擇合理，可以考慮共用一套開關(guān)電源系統(tǒng)，共用一套散熱系統(tǒng)，即利用一套開關(guān)電源合并兩套系統(tǒng)，大大節(jié)約了電子零部件和材料成本，減輕整車重量。

　　低速電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)形式和集成技術(shù)發(fā)展方向可以歸納如下：

　　(1)由有刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)向無刷化、交流化方向發(fā)展，如開發(fā)并應(yīng)用開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和永磁無刷電動(dòng)機(jī)等。

　　(2)朝電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器、控制器集成的機(jī)電一體化方向發(fā)展，構(gòu)成智能化的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

　　(3)由單個(gè)電動(dòng)機(jī)集中驅(qū)動(dòng)向兩個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)展，進(jìn)而向4個(gè)輪轂電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)4輪的方向發(fā)展。

　　五、其他零部件的輕量化

　　其他零部件如車身附件及內(nèi)外飾的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)與車身輕量化途徑類似，可以從以下幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)：

　　(1)在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

　　(2)使用小密度的輕質(zhì)材料作為替代材料，舉例如下：

　　采用聚酯材料制造擾流板、擋泥板、加速踏板等部件；

　　經(jīng)過性能提升的聚碳酸有很高的機(jī)械性能、良好的外觀，可以用于制造外飾件和內(nèi)裝件；

　　合金聚苯醚熱變形溫度高，對(duì)水分不敏感，是制造外板的輕量化理想材料；

　　聚S基甲酸酯可用來制造車門、前艙蓋等，可提高舒適性，且在發(fā)生碰撞時(shí)可以減少乘員的傷害：

　　多聚乙烯氯化物多用來制造車內(nèi)側(cè)板、車頂蓬、座椅的包裹、玻璃密封條、窗框等駕駛室的內(nèi)飾零部件；

　　(3)使用高強(qiáng)度材料可以減薄零部件的厚度，從而達(dá)到輕量化的目的。比如可在轉(zhuǎn)向節(jié)和防側(cè)傾穩(wěn)定桿使用微合金化非調(diào)質(zhì)鋼，懸架使用含Nb的彈簧鋼等。

　　(4)使用先進(jìn)制造工藝。比如輕質(zhì)材料成形、非金屬材料成形和高強(qiáng)度鋼成形技術(shù)。

　　(5)零部件的模塊化。把分散的零件，進(jìn)行集成與模塊化，可以簡化零部件機(jī)構(gòu)的組合方式，從而降低零部件的質(zhì)量。

　　編者按：為凝聚新能源汽車行業(yè)的研究力量，發(fā)揮協(xié)作效應(yīng)，第一電動(dòng)網(wǎng)建立特約研究員機(jī)制，邀請(qǐng)行業(yè)知名專家、大牛作者作為特約研究員，集中多方智慧，深入探索新能源汽車政策、資本、技術(shù)、市場(chǎng)等領(lǐng)域，并定期推出【研究周報(bào)】，解析行業(yè)熱點(diǎn)問題。