中國電動汽車百人會召開了“電動汽車的輕量化”研討會，來自政府、行業(yè)學(xué)會、高校和企業(yè)的100余名嘉賓圍繞電動汽車輕量化的技術(shù)問題展開探討。以下是清華大學(xué)教授周青在研討會上的發(fā)言：

在過去十幾年，我們主要的研究方向是汽車的碰撞安全、人體碰撞保護和汽車輕量化材料的力學(xué)性能表征和仿真，這里的汽車材料輕量化涉及的是材料力學(xué)和碰撞載荷，不涉及材料科學(xué)。在過去五年和今后五年里，我們在中美清潔汽車項目的支持下，還有其它國家和企業(yè)項目的支持，還做了很多電池的碰撞安全。這兩件事情都和輕量化及安全有關(guān)。

和大家分享兩點，一是只有小型化和輕量化做電動車才更有意義，盡管所有的車都應(yīng)該做小型化和輕量化，但電動車還多了一層意義，很多企業(yè)從市場以及車的設(shè)計角度，需要設(shè)計大車、豪華車，但是從技術(shù)、汽車工程的角度必須小型化和輕量化才有意義。二是動力電池的碰撞保護，這一點如果做不到的話，可能電動車的輕量化就談不上了。

只有小型化和輕量化做電動車才更有意義

第一，我們有很多資源投入到做電池的能量密度的提升，直到有一天，這個領(lǐng)域能夠給大家突破性的進步，使得電池或者儲能裝置的能量密度跟汽油、氫燃料有可比性，或者能達到它們的三分之一、十分之一，我們才有可能比較任意的按照今天的模式設(shè)計汽車。所以，給定電池能量密度，過十年以后要求兩倍、三倍的增長非常不容易，這點是不現(xiàn)實的。我們必須在給定電池能量密度和目前已有的電池技術(shù)的情況下，把車設(shè)計的小而輕，來增加電動車的續(xù)航里程，提升它的能量利用率。

第二，任何的汽車，特別是家用轎車，大部分時間只有一名乘員，而車的運載能力是4名到5名。此外，家用轎車大部分時間都處于停駛狀態(tài)，一天24小時里可能有23個小時都在停駛，停車場地也非常有限。未來隨著智能化、電動化這些技術(shù)的發(fā)展，還有大城市建充電站更容易等，會推動這方面的事情，盡管今天我們還沒有看到大家都開日本那么小的車。

第三，與安全相關(guān)的問題。牛頓定律表明，開小車和大車撞肯定吃虧，但事故統(tǒng)計里面占不大的比例，而且高速的碰撞事故大部分都是單車事故，國內(nèi)外統(tǒng)計都是這樣的。也就是說，如果我們能夠推動降低道路上車輛的平均重量，一定能夠減少道路交通事故的凈傷亡?，F(xiàn)在主動安全這么發(fā)達，肯定是又小又輕的車容易控制，操控也容易一點，更不用說輕的車與行人碰撞和自行車碰撞相對安全些，我們畢竟有四分之一的傷亡都是在行人和自行車上。

發(fā)達國家，尤其是日本的KCAR應(yīng)用廣泛，最小化車外空間，最大化車內(nèi)空間，不需要兼顧空氣動力學(xué)或者其他東西了，這樣就非常節(jié)約。

電動汽車的碰撞安全

電池相當(dāng)危險，因為是儲能裝置，把電能釋放出來很危險。隨著路上電動車保有量的增加，現(xiàn)在只有2%，到20%的時候，事故量也會大幅增加。

電動車的安全實際上主要是輕量化的問題，輕量化與安全必須兼顧，必須得做很深入的科研，如果不去考慮輕量化而只考慮安全，只能讓車的重量不斷增加。

大家認為電池很危險，剛開始設(shè)計的時候總是要加入很多碰撞保護進去，越多的保護只能讓車更重，這個目標慢慢應(yīng)該集中在電池上，安全設(shè)計目標應(yīng)該是電池不著火，而不是不變形，因為如果讓它不變形，只能加入很多結(jié)構(gòu)和材料進去。所以我們要認識清楚，電池的碰撞失效和內(nèi)部短路的風(fēng)險，只要不著火、能降低風(fēng)險就可以。電池能承受一定的沖擊，能承受一定的變形。這個思路實際上就是從做了這么多年的人體碰撞保護來的，任何的法規(guī)里，在設(shè)計車的人體碰撞保護的時候，從來沒有說在給定的工況下不許受傷，都是說在給定的工況下產(chǎn)生一個可接受的受傷，只要不要產(chǎn)生嚴重的、不可恢復(fù)的受傷就行了。

所以我們的研究目標和設(shè)計目標就應(yīng)該定在找出電池的碰撞損傷的準則和容限，承受多大的變形是極限以及承受多大的沖擊就會起火?，F(xiàn)在盡管有這個要求，但認知還不充分，只能先做冗余保護。如果說設(shè)計的恰到好處，電池能承受沖擊和變形，在給定的沖擊和變形下，可能發(fā)生破壞也可能不發(fā)生破壞，內(nèi)部材料破壞以后可能發(fā)生短路也可能不發(fā)生短路，短路以后一定要放電生熱，可能發(fā)生熱失控，也可能不發(fā)生熱失控，因為如果熱擴散或者是冷卻做得好，不一定熱失控。所以發(fā)生放電生熱和熱失控一定是發(fā)生了破壞。所有的問號都是我們可值得研究的地方。我們現(xiàn)在把研究放在沖擊變形和材料破壞、短路前兩個問題上，后面我們再去做熱模型、電模型就可以逐漸做第三個問題、第四個問題。

我們的目標是像研究人體的碰撞損傷一樣，找出電池可承受的變形量，這里的影響因素很多，但再復(fù)雜也沒有人體復(fù)雜。電池是滿電還是半電，電池帶電量的影響，沖擊速度的影響，沖擊模式的影響，是擠它一下還是彎它一下，給它一個大的加速，還是把它穿透了，還有電池的單體、模組和整車的關(guān)系，這些不同層級之間的關(guān)系都值得研究。老化對碰撞的影響，我們還沒有開始研究。這些都值得做很深入的研究。

這個產(chǎn)業(yè)在發(fā)展壯大，國家的支持力度越來越大，我相信，給我們一定時間，這些問題一定會解決的。有材料的基本屬性研究，我們要找出電池的模型，給工程師一個可預(yù)測的模型，給出失效判據(jù)，這是力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)的多學(xué)科的耦合。我們了解電池是怎么排布的，不同電池、不同的排布方式，整車碰撞時加在電池上的載荷是什么樣的載荷，把這個載荷等效成實驗室的載荷，去設(shè)計等效試驗。

舉幾個例子，我們不是很喜歡穿刺的工況，穿刺有點太過了。擠壓的力達到一個峰值就降低了，預(yù)示著它內(nèi)部發(fā)生了結(jié)構(gòu)破壞或者材料破壞，同時監(jiān)控它的電壓，可以看到材料發(fā)生破壞的時候，電壓開始往下降了，降到0了，也可以監(jiān)測它的電阻。電壓降到0說明內(nèi)部發(fā)生了短路。再監(jiān)測溫度，短路了以后，溫度上升了，看上去很自然，至少在這個工況下我們找到了電池內(nèi)部材料的碰撞失效和外部的載荷，內(nèi)部的溫度升高和內(nèi)部的短路，這關(guān)系不能夠是簡單到A+B大于C的關(guān)系，但至少可以定性的和定量的去描述這么一個關(guān)系。我們越做越深入，可能這個關(guān)系和這些準則以及判據(jù)，我們企業(yè)工程師就可以用了。

我們從材料層面上研究，電池隔膜材料必須有很多微孔，微米到10個微米級的，鋰離子能通過，這些微孔設(shè)計的恰到好處，老化了會變壞，擠壓、熱脹冷縮。你再去看看它的正極和負極材料，微米量級上都有小顆粒的涂層，活性的涂層，那些涂層跟那些非金屬的隔膜材料發(fā)生作用，還給一個外載荷，這就相當(dāng)于把砂紙往皮膚上磨，磨就磨破了。我們建立層間作用的模型，這個模型不是簡單的光板，把它的層間的相互作用給研究清楚，這樣知道它是怎么蹭一蹭就蹭壞了，發(fā)生短路了。

圖1

我們在實驗室也做電池的模組碰撞試驗（圖1），所有層面的試驗都做。這是我們實驗室的八米高的落錘，砸一下就起火了，我們對人員和實驗室有很好的保護，有一個很粗大的排風(fēng)扇，因為發(fā)生著火的落錘試驗臺不能密封，錘頭要從上面落下來，還有攝象機要拍攝，所以排風(fēng)扇非常強大，即使不密封對實驗室里面沒有任何危害，對外面也沒有危害，我們在外面放一個強大的過濾系統(tǒng)，過濾后排出去的空氣比今天北京空氣質(zhì)量還要好一點。砸完了之后的電池組是右面那張圖的樣子。所以我們這樣從材料層級、單體層級、模組層級把電池的碰撞損傷研究清楚。

圖2

這是我們幾年前做的研究（圖2），是在整車層面上，當(dāng)時夏勇老師在MIT訪問一年，2013年10月1號著名的特斯拉ModelS事故，把底板打穿了，一組電池著火了，夏勇老師做了從汽車底部沖擊電池的建模和仿真，這是兩年前發(fā)表的，當(dāng)時的模型還不是很準確，現(xiàn)在我們從材料層面做得很細，相信再過幾年一定會有一個很好的能夠預(yù)測的模型。

我們還沒有做電池的沖擊試驗，很快準備做，讓電池只承受沖擊加速度，不直接施加外加的變形。前幾天發(fā)生在美國印地安納的事故，特斯拉ModelS撞到一棵樹上，著了大火，那些救援人員沒法救，最后是撞死的還是燒死的就不好說清楚了。

我們應(yīng)該考慮沖擊載荷下電池耐損傷的程度，耐受值是不是應(yīng)該更高一點，跟人體的碰撞損傷比，針對人體的碰撞損傷保護，車的設(shè)計，所有的法規(guī)大概都是五六十公里每小時，在五六十公里每小時工況下，讓人最多發(fā)生可接受的損傷，電池比這個應(yīng)該高一點，比如應(yīng)承受90公里每小時的碰撞而不著火，這個速度下很多人也可能生存下來了，不能讓它著火，才能救援，著火以后很多證據(jù)也不能保存下來了。前一段時間跟汽車保險公司去聊，他們也認為電池的耐沖擊設(shè)計標準得更高一些。

這是一個非常好的，值得深入研究的課題，可產(chǎn)生很好的博士論文，跟企業(yè)對接能提供很好的模型，提供很好的判據(jù)。同時非常復(fù)雜，多學(xué)科，從材料到整車層面上的碰撞，只有把電池的安全性和安全保護這個問題解決了，才能夠談電動車的輕量化的問題。