（一） 研究目的

 世界汽车组织（OICA）公布的全球汽车生产统计数据显示，2018 年全球汽车产量已经超过 9100 万辆，仍有较大增长趋势。其中，我国汽车产销量分别达到2780.9万辆和2808.1万辆，尤其新能源汽车快速发展，产销量保持高速增长态势。

随着汽车工业的快速发展，汽车已然成为当今社会非常重要的交通工具之一，人类的生活已经离不开汽车，汽车工业不仅仅提高了 GDP 和社会总产值，也促进了经济社会发展和扩大了就业率。然而，汽车工业一片繁荣的同时，一系列能源与环境问题也随之而来。

2015年我国超越美国成为全球最大的石油进口国，石油对外依存度高达 60.6%，我国能源安全已经收到威胁。此外，汽车尾气排放占城市大气污染物排放 45%以上，成为城市大气污染的主要来源，CO2等排放问题早已引起全球的广泛关注。因此，汽车工业必须选择一条可持续发展的技术路线，而节能、环保为优势的纯电动汽车无疑就成为了缓解城市能源与环境压力的突破口。2001 年，电动汽车的研究开发工作成为“十五”国家计划重大专题项目；2006 年，电动汽车和清洁替代燃料汽车项目合并成立了“十一五”、“863”节能与新能源汽车重大项目，投入了大量资金研发新能源汽车的关键技术并进行整车项目开发；“十二五”期间新能源汽车技术取得了进一步的突破，电动客车、电动轿车、小型电动车逐渐应用于城市交通运输并得到进一步的推广；“十三五”规划再次提及实施新能源汽车推广计划，提高电动车产业化水平。

经过多年的探索与努力，我国在电动机、电控系统等电动汽车的关键技术上都取得了重大突破，电动公交车、家用电动轿车等电动乘用车在城市中更加普及，而运输距离较长的重型载货汽车由于受动力电池容量和电池管理技术的影响，仍然很难实现纯电动驱动。轻型电动载货汽车运输距离普遍较短，而且充电更为便利，被广泛应用于城市物流配送，有望解决城市物流配送的“最后一公里”问题，也因此逐渐得到各汽车生产企业的关注与青睐。

电动载货汽车的动力源主要来自电动机和动力电池组，与传统的内燃机货车的区别较大，因此纯电动载货汽车的车架结构与附件的安装布置形式也发生了较大的改变。目前，一般电动载货汽车均采用与传统内燃机货车相同的车架系统，关于电动载货汽车车架的结构分析与优化的研究工作较少。然而，随着电动汽车技术逐渐成熟，电动载货汽车在城市物流配送中的使用也越来越普遍，其载货量将不断提升，因此，其续航能力与安全性也越来越受到关注。因此，亟待开展电动载货汽车车架等动力结构及其轻量化研究，以适应电动货车运行工况，提升其续航能力及运行安全性。

汽车轻量化是一个完整的概念,是指汽车在保持原有的行驶安全性、耐撞性、抗震性以及舒适性等性能不降低，且汽车本身造价不被提高的前提下，有目标地减轻汽车自身的重量。汽车轻量化是设计、材料和先进的加工成形技术的优势集成。可见汽车轻量化实际上是汽车性能提高、重量降低、结构优化、价格合理四方面相结合的一个系统工程。

有试验表明,汽车质量每减轻10%,油耗下降6%~8%,排放量下降4%。同时汽车轻量化直接提高汽车的比功率，使汽车的动力性能提高。因此，汽车轻量化技术是有效降低油耗、减少排放和提升安全性的重要技术措施之一。

汽车轻量化对於降低油耗、减少排放起着至关重要的作用，目前已经成为国内外汽车工业界的研究热点。汽车轻量化主要采取材料轻量化与结构轻量化相结合的方式，而汽车零部件的各种先进成型技术也是轻量化的核心内容之一。汽车轻量化对汽车节油、降低排放、改善性能、汽车产业健康发展都具有重要意义，是现代汽车工业技术发展的方向。在对整车轻量化设计的同时要综合考虑到高动力输出、低噪声、低振动以及良好的操控性和高的可靠性。

通过对汽车结构和形状的设计优化，应用先进的加工技术和轻量化材料来实现整车的降重。汽车轻量化一定要在控制成本的前提下实现整体的设计要求，只有实现规模生产，这些新型轻量化材料及其加工技术的生产成本才能符合材料生产企业的效益要求要提高中国汽车轻量化技术水平，当务之急是集成全国轻量化技术优势，开展产、学、研、用大联合。从汽车轻量化技术发展的战略高度出发，建立资源共享的汽车轻量化技术科技创新平台，推进产、学、研、用的合作与交流，促进汽车轻量化技术成果的转化;制定汽车轻量化技术重要产品和检测方法等规范及标准;建立高水平的相关产业技术人才培养基地和提供技术谘询的服务机构等，中国汽车工业要做大做强并积极参与国际竞争，其自主研发、突破技术瓶颈及掌握核心技术是必由之路。

汽车轻量化，并非没有技术含量的简单降低汽车重量，事实上诸如碳纤维代表着当今最先进的汽车技术。汽车轻量化是在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力利用率，减少燃料消耗，降低排气污染。汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要。权威研究显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8% ;汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升;汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。而在驾驶方面，汽车轻量化后其加速性能也将得到提高，而在碰撞时由于惯性小，制动距离也将减少。此外，车辆每减轻100公斤，二氧化碳排放可减少约5克/公里。可见汽车轻量化的节能环保效益觉不亚于汽车发动机技术节油技术。

当前，由于环保和节能的需要，汽车轻量化已成为世界汽车发展的潮流。实施汽车轻量化的主要材料有碳纤维、铝合金、镁合金、钛合金、工程塑料、复合材料和高强度钢等，主要用来改造和替代车身材料。汽车轻量化大致可以分为三类:车身轻量化、发动机轻量化、底盘轻量化。其目的均是在保证性能的前提下通过使用更轻材料降低车重，从而实现节能环保功能。

（二） 研究内容

①轻量化车架结构

本文客车制造公司生产的某厢式纯电动载货汽车为研究对象，该车的车架为边梁式车架，由两根开口向内的槽型纵梁和六根槽型横梁通过铆接方式连接。车架结构的主要参数有：车架长 5768mm，宽 700mm，高 120mm，轴距为 3981mm。图1和图2 分别为车架主视图和俯视图。（注：车架结构可根据实际情况按比例调整）

图一 车架主视图

图二 车架俯视图

X 轴负方向指向车辆前进方向，Y 轴正方向垂直向上，Z 轴正方向指向驾驶员右侧Sa

图三 车体架构图

②货车电动化研究

电动货车减碳测算模型构建纯电动车辆在行驶阶段不产生碳排放，电动货车减碳测算模型构建的基本原理是测算燃油车辆换成纯电动车辆后所产生的碳排放差值，这一差值即为货车电动化的减碳量。本文选用油耗法测算燃油车辆行驶过程中所排放的二氧化碳，油耗法是最典型的“自下而上”碳排放测算模型，其原理是基于质量守恒定律，通过建立油耗模型，利用各种污染物的排放系数计算污染物排放量。

纯电动货运车辆出勤频次假设

除去节假日休息和车辆维修保养等情况，假设每类货车一年工作11个月。根据卡车之家相关数据，轻卡货车主要从事于中距离的区内运输，运送一次货平均为0.5天，假设轻卡货车每个月出车30天。微型货车主要从事于短距离城内运输，一天可以运送3次，假设微型货车每个月出车30天。根据以上假设，结合货运车辆单次运距得出各类型运输车辆在雄安境内每年的行驶距离可达15576km。

电动车辆减碳量估算

本文以柴油轻卡及汽油微型货车作为减碳量测算的排放基数，根据上述相关数据及电动货车减碳测算模型对每类车型的减碳量进行估算，具体测算数值如下所示：

（1）纯电动轻卡货车的减碳量估算将相关数据带入公式（7）可得柴油轻卡一年在雄安新区境内排放的二氧化碳量为85552吨，假设所有柴油轻卡均换成纯电动轻卡，因本文中视纯电动运输车的交通碳排放为零，故纯电动运输车的减碳量即为燃油车的排放量，则纯电动轻卡对应的减碳量为85552吨。

（2）纯电动微型货车的减碳量估算将相关数据带入公式（7）可得汽油微型货车一年在雄安新区境内排放的二氧化碳量为22478.8吨，假设所有汽油微型货车均换成纯电动微型货车，因本文中视纯电动运输车的交通碳排放为零，故纯电动运输车的减碳量即为燃油车的排放量，则纯电动微型货车对应的减碳量为22478.8吨。

货车电动化的减碳量经济效益计算

雄安新区轻卡及微型货车电动化后一年的交通减碳量为10.8万吨，按照北京试点CCER交易均价计算雄安物流运输减碳量的经济效益为112.6万元。

纯电动轻卡的能耗特性

本节选用卡车之家中关注度较高的车型作为样本统计纯电动轻卡的能耗特性，具体样本车辆信息见图4 所示。

图4 具体样本车辆信息

通过以上数据显示，纯电动轻卡的百公里平均电耗最低为21kwh，最高为27kwh。本节拟用以上车型的平均电耗体现纯电动轻卡车型百公里的电量消耗量，   故纯电动轻卡的百公里平均电耗为24kwh。

    ③货车电动化技术路线分析

从全球范围来看,主流国家都对货车电动化进行了布局，分析美国、欧洲及日本的技术特点及代表企业如表1所示。

国内来看，前文分析过，我国新能源货车主要采用纯电动技术路线,在动力电池方面,以三元锂电池为主，其次是磷酸铁锂电池和锰酸锂电池。通过三种类型动力电池的对比可知，三元锂电池能量密度高、安全性得到提升,更符合货车的布置需求，详见表2。

从驱动电机来看，永磁同步电机具有效率高、调速范围广、功率密度大的优势,成为当前纯电动货车驱动电机的主要技术路线。从驱动形式来看，主要有两种，分别是电机驱动和电机+变速器驱动,详见表3。

选取国内典型的纯电动货车进行电池及电机参数对比可知,国内的货车电动化水平高于国外，主流的续航里程均超过200km,能量密度高于90Wh/kg，详见表4。

表一 各国货车技术特点

表二货车的布置需求