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减重是刚需!那些让电动车变轻的黑科技

浏览次数:133 发布日期:2019-10-10

以现有已实现商业化的电池技术而言,电动车续航里程和电池占比甚高的车重间的关系似乎已成为死结:在电池能量密度短期无法大幅提升的前提下,高续航能力依赖大容量电池包,但带来的负面效应则是车重增加电耗提升...因此,如何在保障电池容量的基础上进一步降低车重就成了各大汽车厂商亟待解决的课题。

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在下面的文字里,我们能够看到大众、通用这些老牌汽车厂商是如何运用新技术来尝试为车身减重的;而以蔚来为代表的造车新势力则选择与知名零部件供应商合作的形式即时“享受”轻量化带来的好处;另外还有美国能源部这样的“国家队”也参与到了相关研究当中。

大众/通用:创成式设计(Generative Design)

就在7月初,大众汽车在其位于加州硅谷的创新与工程中心(IECC)展示了一台采用电力驱动并应用了轻量化设计的Type 20 Microbus概念车,在这台造型复古的电动概念车上,人们惊奇的发现轮圈、方向盘、座椅支架、外后视镜支架等零部件的造型和颜色看上去相当诡异。原来,这些零部件正是采用了创成式设计(Generative Design)生产出来的轻量化产品。

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创成式设计(Generative Design,也有称为生成设计)是一种更自动化,同时也高度依赖参数化的3D建模方式,在设计产品的过程中,当设计师输入参数之后,算法在已设定的标准限制下,自动进行调整判断,从中找到最优化的设计方案。该项技术可以帮助设计师优化零部件的强度重量比,同时最大限度地减少材料浪费。

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大众汽车没有公布这些零部件的具体材质选择,不过从减重数据来看,创成式设计带来的轻量化效果无疑是值得肯定的,以轮圈为例,一套新型轮圈相比同样造型的金属轮圈,重量减轻了18%――约9kg。需要特别说明的是,通过创成式设计而来的车身部件,不仅具备轻量化的特点,其强度和空气动力学设计(外观件)也都完全符合量产标准。

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目前大众汽车对于创成式设计的测试还在进行中,未来大众汽车很有可能会将此项技术应用到车身整体框架上――一旦实现,这将会根本性的改变汽车制造方式。

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无独有偶,通用汽车在汽车零部件的设计上也采用了相似的技术,通过传统3D打印技术与创成式设计相结合,设计全新的汽车部件以满足更高的车辆性能需求和客户个性化需求。

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通用汽车的工程师们通过在创成式设计软件中建立部件的设计需求和标准(包含材料使用范围、制造流程、成本等参数),之后软件通过算法自动生成最佳解决方案。这项技术应用到通用汽车的电动车型上,就会产出设计更为简单、重量更轻、强度更大的部件。

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运用传统铸模工艺生产的传统座椅支架需要由八块零部件焊接组合而成,但创成式设计软件则生成了150多种更优的替代方案,最终中选的是一件单体的不锈钢设计,且重量大幅减轻,强度明显提升。

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不仅是座椅支架,车身其他部件也同样可以通过采用该项技术生成更优的设计,进而大幅减轻电动车的车重,换来的则是更低的电耗和更远的续航里程。而对于厂商而言,传统铸模工艺带来的限制和高成本也因为创成式设计的应用而不复存在。

蔚来-西格里/阿贡国家实验室

◆蔚来-西格里碳素公司/美国能源部:

老牌车企可以凭借雄厚的技术储备和人力物力来对一项新技术进行长期测试及验证,而根基尚浅的造车新势力则更希望通过现有的技术得到即时的解决方案。蔚来就选择与德国西格里碳素公司(SGL Carbon)合作,由后者为其研发全新的碳纤维增强型塑料(CFRP)电池外壳,以达到轻量化的目的。

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德国西格里碳素公司(SGL Carbon)成立于1992年,但是其前身Gebr.Siemens & Co(西门子子公司)早在1878年就开始了碳材的生产。目前该公司生产的碳纤维复合材料供应给包括汽车、航空航天、太阳能和风能、半导体、LED以及锂离子电池等多领域多行业的制造企业。

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德国西格里碳素公司为蔚来打造的碳纤维增强塑料(CFRP)电池外壳内部结构设有多层类似织物状的碳纤维材质层,碳纤维原材料产自西格里碳素公司的Moses Lake和Muir of Ord工厂,之后由Wackersdorf工厂加工成织物状材质层。

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另外碳纤维增强塑料(CFRP)电池外壳的导热系数也要比铝合金材质约低200倍,可以更好地保护电池免受高温和低温的影响;此外其还具有拆卸更换简单的优势,这一点也符合蔚来汽车换电站的运营理念。

接下来介绍的新技术就不再是由车企主导的了,而是美国能源部下属的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory,简称ANL)的研究成果,阿贡国家实验室是美国最大的科学与工程研究实验室之一,也是知名的二战“曼哈顿计划”的一部分。

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由阿贡国家实验室发明的这项新技术名为HyMag,是一种全新的磁铁技术,该技术可使磁铁的磁通密度(磁感应强度)提升10%-30%,这意味着相同重量的新型磁铁可产生更多的能量,而对于电动车来说,使用新型磁铁的永磁电动机可以在确保功率输出不变的情况下获得减重的效果。

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HyMag磁铁技术的另一优势是可使磁铁对于某类昂贵稀土元素(比如镝和钆)的需求减少90%以上,这也能显著降低电动车的成本(每台纯电动或插电混动车型的电动机都含有约100克的镝)。

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事实上,HyMag磁铁技术应用在新能源车辆上实属大材小用,其对于风力涡轮机这样大型且对轻量化要求更高的设备有着更大的贡献,不仅可以大幅提升其风电效率,而且因为HyMag磁铁技术更耐高温的特性(高温下更稳定,不会消磁),风力涡轮机运转时高达300摄氏度(相比之下电动车的电机运转最高温度仅有150摄氏度)的峰值高温也不再是问题。

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结语:相比于发展已过百年的内燃机车辆,电动车大规模推广为时尚短,其各项技术不仅处于快速发展的时期,也往往会因其他行业领域的科研成果而获益匪浅,以本文涉及的轻量化技术而言,诸如创成式设计、碳纤材质其实都曾经或仍然应用于内燃机车辆以及其他行业,而HyMag磁铁技术对于风电行业的贡献则更为显著。所以尽管目前新能源车型在续航、安全等方面仍存在种种不足,但其前景无疑是值得期待的。

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