电动汽车的研发中，很重要的一个问题是，原本因沉重的电池组带来的重量增加如何通过轻量化的设计合轻量化的材料使用而抵消掉一部分呢？随着新一代电动汽车的推出，轻量化设计正在经历一场变革。

应对轻量化的挑战

轻量化设计一直是一个非常关键的工程概念，尤其是汽车行业，为了应对节能减排的挑战，轻量化的要求显得更加迫切，电动汽车亦然。不仅如此，宝马i3（见图1）这种定制电动汽车的到来进一步推动了人们对轻量化的认识，因为轻量化的结果是不仅可以减轻重量，而且对于提高效率和吸引消费者也具有非常重要的作用。

图1  尽管沉重的电池、电动机和充电组件增加重量，但即将上市的宝马i3电动汽车仅约1250kg，这主要是使用了CFRP的缘故

“在宝马i3项目中，通过模块化设计和轻量化设计，我们能够弥补或抵消约250kg的锂离子电池带来的质量的增加，这主要是通过在车身结构中大量使用碳纤维增强聚合物（CFRP）材料实现的。在i8项目中也是如此（见图2）”宝马公司的技术专家Manfred Poschenrieder先生说道。CFRP具有非常高的强度重量比，具有能够支撑比自身质量超过200kg的承载能力，是钢、铝或镁的10倍左右。宝马公司的工程师们也正在努力将其应用于其他汽车部件上（见图3），如后排座椅，因为由CFRP制成的后排座椅要比玻璃纤维增强材料座椅降低25%的重量。里卡多（Ricardo）公司的工程师也同样认为碳纤维材料拥有如此大的降低重量的潜力，但出于对成本的考虑，他们对节省更多则表示需要更加谨慎。

在莲花汽车工程公司（Lotus）的项目中，轻量化设计是非常重要的一部分，但在开发电动汽车Evora 414E（见图4）时，甚至是专家也不得不面对重量上的挑战。Evora 414E的质量为1759kg。

莲花汽车工程公司混合动力汽车的首席工程师Phil Barker先生完全认同以上观点，他表示：“平衡成本和重量（轻量化）的一个重要因素是产量，对于采用比较昂贵的轻量化材料制造的零部件，随着每年产量的不断增加，比如超过10000件，零件将逐步变得更具成本效益，不过目前的情况下，电动汽车尚未大量进入市场，这种规模效应很难显现。”

图2  CFRP在i8的广泛使用以及在舱内其他轻质材料的使用帮助宝马实现一个最佳的50：50的重量分配

碳纤维的潜在问题

尽管碳纤维性能优良，但里卡多公司混合动力和电动系统产品小组组长Dave Greenwood先生还看到了两个潜在问题，即循环使用的问题和整个生命周期排放的问题。

他表示，在碳纤维寿命结束时，它往往是被切碎或碾成粉末并用作一种散装填料，是一种相对低价值的再利用材料。

至于生产方面，碳纤维具有很高的生命周期排放，这是由于制成纤维需要消耗大量的能量，然后才能将其变成车身材料。Dave Greenwood先生表示：“宝马公司已经建立了自己的碳纤维工厂，该工厂靠近其已经投资的水力发电站，以致他们整体的净排放量不会因为碳纤维材料变成车身而明显增加。但是关于社会成本，如果将可再生的能源输入电网中，就意味着要用等量的其他来源的电力来生产车身外壳，如果你同意这个观点，那么显然这对碳纤维的生命周期排放的影响是显著的，并抵消了轻量化的有利之处。正是出于这个原因，像奥迪这样一些OEM厂商则支持使用其他材料。一些厂商认为发电是一个产业，而汽车生产是另一个产业，他们不愿意跨行业运营，并且通过使用铝材料等也可以在实现轻量化的同时获得更好的生命周期排放。”

超薄电池组

当然，对于电动车来说，减轻重量的最大潜力仍在于电池组的设计。里卡多公司的电池开发者主要关注四个关键领域——能量密度、电池耐久性、高功率效率和结构集成。Dave Greenwood先生表示：“在电池的能量密度和功率密度方面，它不是关于电化学的，更多的是与阴极和阳极的表面纹理有关。随着纳米技术的发展，我们将可以实现极高的从‘有效表面’到‘实际表面’的比率，这也许将对电池性能带来巨大的提升，超薄电池有望变为现实。”

对于电池的耐用性，了解降解特性和寿命可以为减轻重量提供关键支持，日本丰田Prius就是一个很好的例子，其电池体积连续几代不断减小的原因就是丰田能够理解真实世界的降解并减少安全边界。

BAE系统公司混合动力驱动解决方案的项目主管Mike Mekhiche博士有着类似的观点：电池只能实现特定的生命持续时间，这就导致了30%～60%的附加容量和重量，更好的规模经济和由此带来的更低的成本将使电池更频繁地被更替并维持一种有吸引力的投资回报，比如作为具有6年寿命的电池的替代，一种2年或1年期的电池可能变得能够被接受了，因为这种替代将不会产生令人望而却步的经济负担，并且可以减轻相当大的重量。

高负载条件下的效率取决于冷却技术。Greenwood先生表示，高效率下电池越有效，冷却机制可能变得更容易、更简单、更低廉并且更轻，这意味着重量能够进一步减轻。

图3  CFRP可用于其他汽车部件

创造性地使用电池组可以提高车身结构的完整性和碰撞安全性。Greenwood先生认为：“在电池中有许多小的、重的单元使得它们相互之间更加紧密相关，如果你忽略相关的电化学问题，这将是一个从碰撞中吸收能量的很好的循环机制。我们正在寻找将电池支持功能与车身结构的刚性和碰撞保护的结合，如果能达到双重目的，将可以很明显地减轻重量。”

聚焦电动机

电池组之外，使用永磁材料和技术的电动机似乎也会带来一些轻量化的机会。“稀土磁铁（例如钕、铁和硼）带有更高的残余焊接密度和能力，在更高温度下操作，允许较高的转矩的电动机具有更轻的重量，比等效感应电动机轻30%～60%的重量，并带来至少5%的效率提升。”Mekhiche博士说道。

其他包括带有类似低损耗和高磁通密度的改进，以及引进先进的冷却系统，都可以促进重量和体积的大幅度减少。同样的道理，基于超导体的电器的功率和转矩密度也许有一天也可以高于电流磁场和电场材料。Mike Mekhiche博士补充道：“虽然在实验室的应用程序和小规模的展示中存在这样的解决方案，但科学做出了巨大的进步，对于期望这些类型的解决方案在未来20年走向市场，这不是不可能的。”

图4  莲花汽车工程公司的Evora 414E电动汽车的质量为1759kg

为了在一辆电动汽车上尽量少地增加额外的重量，车身及内饰也受到严密审查。选择合适的座椅设计方案可以对减轻整车重量产生一定积极影响，尤其是豪华电动汽车。Dave Greenwood先生表示：“通过使用重量比较轻的材料，可以减少座椅靠背的物理厚度，进而为后排乘客提供充足的腿部空间并缩短几英尺的车辆尺寸，最重要的是还能减轻整车重量。随着时间的推移，今后，我们也想看到碳纤维取代其他具有较低生命周期影响的纤维材料。当然，我们有能力制造这些复杂形状的零部件以进一步减轻车辆结构的重量，只是我们需要掌握好重量和成本的平衡。”

德国内饰专家Benecke-Kaliko先生提出了一个观点：轻质材料将基于聚烯烃或成为与不同层面混合型的设计，如用常规的装饰顶蓬皮革结合使用轻量的聚烯烃泡沫层。一个轻量级组件的选择并不一定意味着成本的增加。选择表面材料也依赖于OEM厂商的策略，例如，宝马公司想要从即将上市的i系列内部去掉PVC材料，而其他设备商没有如此严格。

未来的前景是乐观的，因为整个行业将努力集中于动力系统和整个车辆的轻量化设计，并将其作为五项关键策略之一。Mike Mekhiche先生总结道：“随着技术的日臻完善，我毫不怀疑，在未来10～20年内，电动汽车在所有性能方面将可能超过以内燃机为基础平台的汽车，同时提供所有必须的环境效益。”