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摘 要：发展新能源汽车尤其是电动汽车已经成为汽车工业健康可持续发展的必然趋势，而轻量化能够显著提升电动汽车的续航能力，推动其进一步发展。在此背景下，综述了新能源汽车国内外的研发现状与发展前景，分析了新能源汽车轻量化的重要作用和现阶段可适用于新能源汽车轻量化的主要途径，以及轻质材料在汽车轻量化上的应用前景和关键技术。
关键词：新能源汽车 轻量化 轻质材料
中图分类号：TB303 文献标识码：A 文章编号：1674-098X，比上年末增长11.5%，其中私人汽车保有量14 399万辆，增长14.4%。民用轿车保有量9 508万辆，增长14.6%，其中私人轿车8 793万辆，增长15.8%。随之增长的是汽车能源消耗和排放增长。新能源汽车的研发与产业化是我国建设绿色经济、实现可持续发展的重要内容。2001年，我国启动了“863计划”电动汽车重大专项，涉及的电动汽车包括三类：纯电动、混合动力和燃料电池汽车，并以这三类电动汽车为“三纵”，多能源动力总成控制、驱动电机、动力蓄电池为“三横”，建立“三纵三横”的开发布局[3]。2015年，“十三五”规划提出实施新能源汽车推广计划，提高电动车产业化水平。新能源汽车研发费用大、成本较高。目前，我国新能源汽车产业发展尚不成熟，与欧美发达国家还有很大的差距，欧美新能源汽车研究与发展的经验表明，政府的支持和补贴是新能源汽车大规模走向市场的重要因素。目前，我国新能源汽车在大规模走向消费市场的实现中还存在基础设施配套缺乏、关键技术克服以及消费市场尚不成熟等障碍，需要在政府政策大力支持下加快技术自主创新的步伐，增强核心竞争力。
1.2 新能源汽车国内外研究与发展态势
目前，各国都在大力发展电动汽车，包括纯电动和插电式混合动力。纯电动汽车以电动机代替燃油发动机，将电能转变为动能，在这个过程中单纯依靠电能驱动没有任何有害物质排放，不会污染周围环境，是解决目前日渐严重的温室效应的重要途径之一。插电式混合动力汽车，车体同时具备大容量动力电池和汽车专用电动设备，当电池容量储备足够时使用电池驱动，当电能低于移动水平时，转而使用燃油驱动，通过燃油和电能的互相支持，一方面使用电能降低废气排放，减少环境污染；另一方面通过燃油提供的强劲动力解决动力电池功率较低的问题。然而对于电动汽车而言，续航能力是其产业化和市场化需要克服的关键。电池技术是决定电动汽车续航能力的决定性技术之一，除了电池技术之外，电动汽车的重量也是其续航能力的限制性因素之一。车身质量的降低一方面允许装配更多的电池；另一方面可以有效提升汽车的能动性。清华大学教授，汽车安全与节能国家重点实验室主任欧阳明高教授指出，全球新能源汽车发展正在经历三大技术改革：第一是动力电气化深入发展，包括动力电池与纯电动汽车技术、燃料汽车发动机的不断进步、插电式混合动力汽车的机电混合装置的成熟；第二是车辆智能化技术变革；第三是结构轻量化技术变革，从可持续发展的要求出发，汽车轻量化技术的研究已经成为未来汽车发展的必然趋势[4]。技术的创新和进步是提升汽车燃油动力性，降低消耗，减少污染排放的最有效途径[5]。
2 新能源汽车轻量化的重要作用及其主要途径
轻量化是目前汽车实现节能减排的最有效措施，是汽车工业追求健康可持续发展的必经趋势。数据显示，汽车的整体质量每降低10%，油耗可降低6%～8%[6]，与此同时，汽车减重不见减少油耗，也减少了大气中CO2的排放量，车重每减少50%，CO2的排放量就会减少13%，同时也减少了其他有害物质的排放，如，氮化物、硫化物等，对提高环境的质量也起到了很大的作用[7]。在传统燃油车轻量化技术研究与发展的基础上，新能源汽车的轻量化可以提高动力性，能够有效解决续航能力不足，更能平衡轻量化材料导致的成本上升，带动轻量化的规模，从而推动新能源汽车消费市场的扩大。采用轻质材料是现阶段最成熟的轻量化方式，铝镁合金、碳纤维增强复合材料已经开始应用，预计未来会更多地应用于新能源汽车。
2.1 轻量化的主要途径
对于传统燃油车而言，先进的发动机技术与实现汽车整车质量的轻量化是其节能减排的有效方式。但是目前随着发动机先进制造技术提升强度的日益增大，轻量化已经成为目前汽车工业实现节能环保目标的最有效措施之一。随着新能源汽车技术的日益发展和各国政府的激励政策，以电动汽车为代表的新能源汽车将成为各国解决汽车工业节能减排的必然趋势。目前在没有成熟的基础设施、没有足够快的充电方式等条件下，电动汽车发展的瓶颈是续航能力问题，而轻量化能显著提高电动车的续航能力。汽车的轻量化是指在保证汽车性能按安全性的前提下，实现整备质量的降低。汽车轻量化不仅是车身的轻量化，还包含传动设备、电池等的轻量化。新能源汽车的轻量化技术可以从结构优化设计、轻量化材料和先进制造工艺3个方面进行[8]。在汽车轻量化材料方面，呈现出多元化的发展趋势，单一的材料已不足以保证汽车的强度和刚度要求，因此，在未来汽车轻量化材料的解决方案中，更倾向于多种材料的组合，以充分利用各种材料的优势。此外，通过技术改进降低材料的成本，减少稀缺金属的使用量，提高材料的利用率，开发兼具更好的环保性和可回收性的新材料，也是当前轻量化材料研究的热点和发展趋势[9]。现阶段对于传统车而言，采用铝合金、镁合金、高性能钢、纤维增强复合材料等轻质材料是最成熟的轻量化方法，轻质材料的使用主要有3种模式，分别是结构件以金属为主，碳纤维等复合材料加强；车体上部是碳纤维等复合材料，底盘为铝合金材料；金属和复合材料等多种材料组合。因此，对于新能源汽车的轻量化而言，采用轻质材料是目前成熟度最高、可行性最高的方法。根据文献[10]研究预测未来5年电动汽车轻量化需求的五大材料，分别是热塑性复合材料、高性能钢、热固性复合材料、铝合金和镁合金。
2.2 轻质材料
2.2.1高强度钢
高强度钢是指屈服强度介于210～550 MPa和抗拉强度在270～700 MPa的钢材：118-125.
[6]BENEDKY J C.Light metals in automotive applications[J].Light Metal Age，2000，10（1）：34-35.
[7]刘静安，盛春磊，刘志国，等.铝材在汽车上的开发应用及重点新材料产品研发方向[J].铝加工，2012（5）：4-15.
[8]范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2014，5（1）：1-16.
[9]郭玉琴，朱新峰，杨艳，等.汽车轻量化材料及其制造工艺研究现状[J].锻压技术，2015，40（3）：1-6.
[10]FOREL Studie，Chance und Herausforderung im Ressourceneffizienten Leichtbau für die Elektromobilit[Z].2015.
[11]唐永林，陈贵江，朱国明，等.新一代汽车用先进高强钢的成形与应用[J].钢铁，2010，45（8）：1-6，19.
[12]王远，管奔.高强钢成形技术及其在汽车轻量化中的应用[J].新材料产业，2015（2）：31-35.
[13]谢磊磊，唐荻，姜海涛，等.汽车用先进高性能钢的成形性能[J].塑形工程学报，2013，20（1）：84-88.
[14]伍仲河，战中学，孙全喜，等.铝合金在汽车工业中的应用与发展前景[J].内蒙古科技与经济，2008（9）：59-60.
[15]苗景国.铝合金材料在现代汽车制造业的应用[J].黑龙江冶金，2009，29（2）：26-28.
[16]朱则刚.铝合金复合材料在汽车轻量化上的应用[J].轻金属，2011（10）：3-6.
[17]侯猛.汽车中轻量化与轻金属材料的采用[J].科技资讯，2015（22）：78-79.
[18]郑晖，赵曦雅.汽车轻量化及铝合金在现代汽车生产中的应用[J].锻压技术，2016，41（2）：1-6.
[19]Kojima Y，Shigeharu Kamado.Fundamental magnesium research in Japan[J].Materials Science Forum，2005，518（488）：9-16.
[20]贺岩松，杨诚.镁合金在轻量化汽车中的应用[J].汽车工艺与材料，2002（6）：25-27.
[21]冯美斌.汽车轻量化技术中新材料的发展及应用[J].汽车工程，2006，28（3）：213-219.
[22]孙景林，郭静.镁合金在汽车轻量化方面的应用[J].轻金属，2008（3）：58-61.
[23]Jain C C，Koo C H.Creep and corrosion properties of the extruded magnesium alloy containing rare earth[J].Mater Tran，2007（2）：265-272.
[24]叶久新，陈明安，周健，等.镁合金及其成型技术在工业中的应用[J].湖南大学学报，2002，29（3）：112-116.
[25]Avedesian M M，Baker H.ASM speicalty handbook-magnesium and magnesium alloys[M].ASM International，1999：296-298.
[26]曹永友，李青青，王强.碳纤维增强复合材料在汽车上应用的新进展[J].汽车工艺与材料，2008（10）：54-57.
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