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、行業學會、高校和企業的100余名嘉賓圍繞電動汽車輕量化的技術問題展開探討。以下是清華大學教授周青在研討會上的發言：

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和碰撞載荷，不涉及材料科學。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。

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，盡管所有的車都應該做小型化和輕量化，但電動車還多了一層意義，很多企業從市場以及車的設計角度，需要設計大車、豪華車，但是從技術、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的情況下，把車設計的小而輕，來增加電動車的續航里程，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，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、電動化這些技術的發展，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，與安全相關的問題。牛頓定律表明，開小車和大車撞肯定吃虧，但事故統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，國內外統計都是這樣的。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。現在主動安全這么發達，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。

發達國家，尤其是日本的KCAR應用廣泛，最小化車外空間，最大化車內空間，不需要兼顧空氣動力學或者其他東西了，這樣就非常節約。

電動汽車的碰撞安全

電池相當危險，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，這個目標慢慢應該集中在電池上，安全設計目標應該是電池不著火，而不是不變形，因為如果讓它不變形，只能加入很多結構和材料進去。所以我們要認識清楚，電池的碰撞失效和內部短路的風險，只要不著火、能降低風險就可以。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，任何的法規里，在設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生一個可接受的受傷，只要不要產生嚴重的、不可恢復的受傷就行了。

所以我們的研究目標和設計目標就應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。現在盡管有這個要求，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，可能發生破壞也可能不發生破壞，內部材料破壞以后可能發生短路也可能不發生短路，短路以后一定要放電生熱，可能發生熱失控，也可能不發生熱失控，因為如果熱擴散或者是冷卻做得好，不一定熱失控。所以發生放電生熱和熱失控一定是發生了破壞。所有的問號都是我們可值得研究的地方。我們現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，但再復雜也沒有人體復雜。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、模組和整車的關系，這些不同層級之間的關系都值得研究。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。

這個產業在發展壯大，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，給工程師一個可預測的模型，給出失效判據，這是力學、電學、熱學的多學科的耦合。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，預示著它內部發生了結構破壞或者材料破壞，同時監控它的電壓，可以看到材料發生破壞的時候，電壓開始往下降了，降到0了，也可以監測它的電阻。電壓降到0說明內部發生了短路。再監測溫度，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部材料的碰撞失效和外部的載荷，內部的溫度升高和內部的短路，這關系不能夠是簡單到A+B大于C的關系，但至少可以定性的和定量的去描述這么一個關系。我們越做越深入，可能這個關系和這些準則以及判據，我們企業工程師就可以用了。

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生作用，還給一個外載荷，這就相當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扇，因為發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，過濾后排出去的空氣比今天北京空氣質量還要好一點。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，這是兩年前發表的，當時的模型還不是很準確，現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。

我們應該考慮沖擊載荷下電池耐損傷的程度，耐受值是不是應該更高一點，跟人體的碰撞損傷比，針對人體的碰撞損傷保護，車的設計，所有的法規大概都是五六十公里每小時，在五六十公里每小時工況下，讓人最多發生可接受的損傷，電池比這個應該高一點，比如應承受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，可產生很好的博士論文，跟企業對接能提供很好的模型，提供很好的判據。同時非常復雜，多學科，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。