低速电动车零部件系统轻量化的技术途径

【特约研究员 冰封之城】低速电动车的轻量化目标，主要包括车身轻量化、电池轻量化、电驱传动总成轻量化、和零部件轻量化四个方面。如下图所示。

　　上期周报分析了低速电动车的车身轻量化技术途径，详见“研究周报 | 低速电动车车身轻量化的技术途径”。本期周报将着重关注低速电动车的电器系统及零部件系统的轻量化途径。

　　一、电池轻量化

　　常见的电动汽车储能形式有以下几种，如下图所示：

　　低速电动车目前绝大多数安装的是铅酸电池，最常见的安装容量有6度、7.2度和9.6度三种。比如一款行业常见的330车型产品：整备质量849kg，装备6块12v100AH免维护铅酸电池，电机功率5kw。采用免维护铅酸电池，比能量约34wh/kg，电池重量约210kg，占整车重量比例为25%。

　　如更换为普通80-90wh/kg能量密度的锂电池，电池系统重量约80kg，占整车重量比例为11%。可见电池系统的轻量化，是减轻整车质量的是首要因素。

　　二、电机轻量化

　　几种常见的驱动电机分类形式如下图所示：

　　上述驱动电机性能比较如下：

　　2014年以前的第一代低速电动车，大都采用的是直流电机中的串励和他励两种驱动形式。直流电机系统的重量大、效率低，而且电刷和滑环的存在，阻碍了其进一步的应用。目前在低速电动车上，直流电机驱动系统基本上已经被感应和永磁电机系统所取代。因其功率密度高，同样4kw功率的电机的重量减轻约10公斤左右。可见提高电机的功率密度是电机轻量化的一大方向。

　　三、驱动形式轻量化

　　根据驱动电机安装的位置不同，低速电动车的驱动方式分为单电机集中式驱动和多电机分布式驱动两种。

　　(1)集中式驱动

　　集中式驱动与传统汽车驱动结构接近，用电动机代替内燃机，通过传动系统将电动机的转矩传递到驱动轮上使汽车行驶。集中式驱动的传动方式可分为3种，如下图所示：

　　目前低速电动车绝大部分采用的是上图c所示的结构：电动机、减速器和差速器集成一体，通过左右半轴分别驱动对应侧车轮。

　　(2)分布式驱动

　　分布式驱动是把多个电机集成在车轮附近或轮辋内，将动力传给相应车轮，传动链大大缩短。按电机位置和传动不同可分为轮边电机驱动和轮毂电机驱动。

　　轮边电机驱动传动方式如下图所示：

　　该方式将驱动电机安装在副车架上的驱动轮旁边，通过或不通过减速器驱动对应侧车轮。可对每个电机的转速进行独立调节控制，采用电子差速器实现左右半轴差速。

　　轮毂电机驱动是将2个、4个或者多个电机安装在车轮内部，直接驱动车轮，俗称电动轮。根据有无减速机构，轮毂电机驱动分直接驱动和减速驱动。如下图所示：

　　与集中式驱动相比，轮边驱动方式传动链更短，而轮毂电机驱动则取消了变速器、差速器和半轴等传动系统零部件，将电机、悬架系统、制动系统同时放在轮辋里，使底盘结构大大简化、零部件数量减少，从而降低了整车的质量且更方便布置。可见分布式驱动将是低速电动车下一步的重要技术发展方向。

　　四、电器系统集成轻量化

　　低速电动车的主要电器零部件包括电机、控制器、车载充电机、DC/DC等。 目前市场上的低速电动车这些零部件都是独立系统，每一套系统都有独立的电子零部件和散热外壳，成本高同时占用车辆总布置空间。将这些零部件，按照功能系统或者物理位置进行集成，对于零部件的轻量化有非常重要的作用。

　　比如车载充电机和车载DC/DC两者都是开关电源系统电路，工作可以错开。因此，在设计时如果电压参数选择合理，可以考虑共用一套开关电源系统，共用一套散热系统，即利用一套开关电源合并两套系统，大大节约了电子零部件和材料成本，减轻整车重量。

　　低速电动车驱动形式和集成技术发展方向可以归纳如下：

　　(1)由有刷直流电动机驱动向无刷化、交流化方向发展，如开发并应用开关磁阻电动机和永磁无刷电动机等。

　　(2)朝电动机与传动器、驱动器、控制器集成的机电一体化方向发展，构成智能化的驱动控制系统。

　　(3)由单个电动机集中驱动向两个电动机驱动发展，进而向4个轮毂电动机独立驱动4轮的方向发展。

　　五、其他零部件的轻量化

　　其他零部件如车身附件及内外饰的轻量化优化设计与车身轻量化途径类似，可以从以下几个方面来实现：

　　(1)在现有材料的基础上进行拓扑结构优化设计；

　　(2)使用小密度的轻质材料作为替代材料，举例如下：

　　采用聚酯材料制造扰流板、挡泥板、加速踏板等部件；

　　经过性能提升的聚碳酸有很高的机械性能、良好的外观，可以用于制造外饰件和内装件；

　　合金聚苯醚热变形温度高，对水分不敏感，是制造外板的轻量化理想材料；

　　聚S基甲酸酯可用来制造车门、前舱盖等，可提高舒适性，且在发生碰撞时可以减少乘员的伤害：

　　多聚乙烯氯化物多用来制造车内侧板、车顶蓬、座椅的包裹、玻璃密封条、窗框等驾驶室的内饰零部件；

　　(3)使用高强度材料可以减薄零部件的厚度，从而达到轻量化的目的。比如可在转向节和防侧倾稳定杆使用微合金化非调质钢，悬架使用含Nb的弹簧钢等。

　　(4)使用先进制造工艺。比如轻质材料成形、非金属材料成形和高强度钢成形技术。

　　(5)零部件的模块化。把分散的零件，进行集成与模块化，可以简化零部件机构的组合方式，从而降低零部件的质量。

　　编者按：为凝聚新能源汽车行业的研究力量，发挥协作效应，第一电动网建立特约研究员机制，邀请行业知名专家、大牛作者作为特约研究员，集中多方智慧，深入探索新能源汽车政策、资本、技术、市场等领域，并定期推出【研究周报】，解析行业热点问题。