純電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析與研究

李仲奎，夏衛(wèi)群，樊樹軍，袁 亮，徐澤彬，林建陽(yáng)

（東風(fēng)汽車公司 技術(shù)中心，武漢 430058）

隨著能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題日趨加劇，節(jié)能和環(huán)保成為世界各國(guó)面臨的重要問(wèn)題，大力發(fā)展新能源汽車，實(shí)現(xiàn)交通能源轉(zhuǎn)型，成為全世界汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[1]。新能源汽車越來(lái)越受到人們的重視，特別是純電動(dòng)汽車因其安全、綠色、節(jié)能、環(huán)保而獲得了消費(fèi)者的青睞和國(guó)家的大力支持[2]。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，由于能量?jī)?chǔ)存方式與汽車驅(qū)動(dòng)形式的不同，導(dǎo)致電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油汽車在整車結(jié)構(gòu)方面存在著較大的差異。

在目前電機(jī)技術(shù)、電池技術(shù)和能量控制策略日益完善的情況下，如何設(shè)計(jì)出符合電動(dòng)汽車特點(diǎn)、充分發(fā)揮其節(jié)能優(yōu)勢(shì)、改善其能量利用率的電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)是汽車領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。從汽車設(shè)計(jì)的源頭入手，探索出適合純電動(dòng)汽車車身開發(fā)的方法體系，形成其特有的車身結(jié)構(gòu)方案，是解決問(wèn)題的關(guān)鍵[3]。本文基于此，梳理出電動(dòng)汽車的車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為電動(dòng)汽車車身開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車的對(duì)比

1.1 傳統(tǒng)燃油汽車重要零部件布置

傳統(tǒng)燃油汽車，一般前艙布置發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器，中通道下方布置排氣管，中地板下方布置燃油箱，后地板下方布置排氣管消聲器，后翼子板上方布置加油口（圖1）。

圖1 傳統(tǒng)燃油汽車重要零部件布置示意圖

此外，市場(chǎng)上還存在部分車型采用前置后驅(qū)、中置后驅(qū)、后置后驅(qū)或前置四驅(qū)的形式，與上述布置的車身結(jié)構(gòu)有一定的區(qū)別，但其主要是用在中高級(jí)車、跑車或越野車上。

1.2 電動(dòng)汽車重要零部件布置

目前市場(chǎng)上的電動(dòng)汽車大多數(shù)采用的布置方式是前艙布置電機(jī)、減速器、控制器，前地板和中地板下方布置動(dòng)力電池，而充電口布置在前格柵、前翼子板或后翼子板處（圖2）。

從電動(dòng)汽車重要零部件的布置和結(jié)構(gòu)來(lái)看，目前動(dòng)力電池系統(tǒng)因體積大而影響車身地板結(jié)構(gòu)，是電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油汽車的最大區(qū)別。此外，充電口因采用電纜與電池、電機(jī)相連，在布置上更偏向于車身前部。

當(dāng)然，隨著新技術(shù)的層出不窮，如輪轂電機(jī)技術(shù)[4]和石墨烯電池技術(shù)的出現(xiàn)，勢(shì)必還會(huì)對(duì)未來(lái)的電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)造成影響，但是目前主流電動(dòng)汽車主要用的還是永磁同步電機(jī)、三元鋰電池技術(shù)等。

圖2 電動(dòng)汽車重要零部件布置示意圖

2 電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 乘客艙高度尺寸高于傳統(tǒng)燃油汽車

傳統(tǒng)燃油汽車，三廂車型乘客艙z向尺寸L一般約1.3 m左右，基于三廂車開發(fā)的sUV車型乘客艙z向尺寸一般約1.4 m左右（圖3），兩款車型乘客艙的高度差?L在100 mm左右。相比之下，sUV車型的頭部空間較為寬敞，而三廂轎車的頭部空間較為緊張。

圖3 三廂車型與sUV車型乘客艙z向尺寸對(duì)比

當(dāng)車身地板下方布置動(dòng)力電池時(shí)，三廂轎車的座椅下方即使有空間也會(huì)因頭部空間不寬裕而不能上移座椅R點(diǎn)，而sUV車型因有較大的z向空間，不僅可以少許上移座椅R點(diǎn)，且座椅下方空間原本就比較寬裕。

為了滿足三廂轎車能裝載更大的電池箱并具備較好的人機(jī)舒適性，往往需要增大三廂轎車乘客艙的z向尺寸，直到近似sUV乘客艙z向尺寸的水平。

當(dāng)受限于造型和空氣動(dòng)力學(xué)，不能增加三廂轎車乘客艙的z向尺寸時(shí)，可考慮將座椅R點(diǎn)前移，同時(shí)將駕駛員腳踵點(diǎn)向前移和上移，如圖4中的①和②所示，形成類似于運(yùn)動(dòng)車型座椅的躺臥姿勢(shì)。

圖4 人機(jī)工程分析示意圖

2.2 車身前、后懸架長(zhǎng)度尺寸小于傳統(tǒng)燃油汽車

電動(dòng)汽車的前艙布置電機(jī)、減速器、控制器，與傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器、控制器相比，占有更小的空間。當(dāng)車輛發(fā)生正面碰撞時(shí)，電動(dòng)汽車的前圍擋板侵入量相對(duì)會(huì)小些，所以電動(dòng)汽車的前艙x向尺寸可以設(shè)計(jì)得比傳統(tǒng)燃油汽車小一些，也就是車身前懸架尺寸可以更小些。

傳統(tǒng)燃油汽車動(dòng)力總成x向尺寸和電動(dòng)汽車動(dòng)力總成x向尺寸如圖5和圖6所示，比較這兩類車的動(dòng)力總成的x向尺寸數(shù)值可知，后者比前者小200 mm左右。因此，對(duì)于同樣的前艙裝載兩種不同的動(dòng)力總成，當(dāng)發(fā)生正面碰撞時(shí)，電動(dòng)汽車動(dòng)力總成對(duì)前艙的侵入程度會(huì)小很多。

圖5 傳統(tǒng)燃油汽車動(dòng)力總成x向尺寸

圖6 電動(dòng)汽車動(dòng)力總成x向尺寸

綜上所述，當(dāng)開發(fā)電動(dòng)汽車時(shí)，可以將前艙的x向尺寸設(shè)計(jì)得小一些，即電動(dòng)汽車的前懸架尺寸可以相對(duì)小些。對(duì)于同級(jí)別的車型，電動(dòng)汽車前懸架尺寸可以比傳統(tǒng)燃油汽車的前懸架尺寸小150 mm左右。

此外，傳統(tǒng)燃油汽車因追求較大的行李箱空間，往往設(shè)計(jì)有較長(zhǎng)的后懸架，而目前電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程通常在300 km左右，很少跑長(zhǎng)途，也不需要太大的行李箱，所以行李箱可以設(shè)計(jì)得較小些，相應(yīng)地，后懸架尺寸也就可以短一些。

在保證電動(dòng)汽車碰撞安全性的前提下，將整車前、后懸架尺寸設(shè)計(jì)得短些，可有效起到輕量化和降低能耗的作用。

2.3 車身前縱梁位置高度低于傳統(tǒng)燃油汽車

傳統(tǒng)燃油汽車動(dòng)力總成擁有較大的體積，采用3點(diǎn)懸置結(jié)構(gòu)，兩側(cè)兩個(gè)吊耳可以正好懸置于車身左右前縱梁上，如圖7中實(shí)線所示。而電動(dòng)汽車動(dòng)力總成體積較小，并且電機(jī)在下方，控制器在上方，相對(duì)比較獨(dú)立，若也采用3點(diǎn)懸置固定結(jié)構(gòu)，其電機(jī)、減速器相對(duì)于車身前縱梁位置就低很多。為減少兩側(cè)懸置支架的z向高度，車身前縱梁的z向位置就可以設(shè)計(jì)得低一些，如圖7中虛線所示。

圖7 燃油汽車和電動(dòng)汽車動(dòng)力總成橫斷面

對(duì)于電動(dòng)汽車，車身前縱梁的位置降低，不僅有利于電機(jī)、減速器的懸置，也有利于載荷傳遞路徑的順暢性和正面碰撞時(shí)的行人保護(hù)。如圖8所示，①是前縱梁原位置，②是前縱梁下移后的位置。將前縱梁下移后，不但載荷傳遞路徑更趨近于平直，而且前防撞梁也同時(shí)下移，即使身高偏矮的行人，防撞梁也能撞到膝蓋處，有利于行人倒在機(jī)罩上，避免被碾壓。

圖8 車身前縱梁z向位置變化

2.4 車身底板骨架梁結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)燃油汽車

傳統(tǒng)燃油汽車車身的底板骨架結(jié)構(gòu)如圖9所示，車身前縱梁向后延伸到前地板下縱梁a和b，同時(shí)在中通道兩側(cè)有加強(qiáng)縱向梁c和d。其它車型車身的底板骨架梁與此大同小異。

圖9 傳統(tǒng)燃油汽車車身底板骨架結(jié)構(gòu)

對(duì)于電動(dòng)汽車，當(dāng)動(dòng)力電池布置在車身前地板和中地板下方時(shí)，原有的車身底板骨架結(jié)構(gòu)就會(huì)受到影響，因此需對(duì)底板骨架結(jié)構(gòu)做較大的變更?？刹捎玫姆绞绞侨∠麍D9中的c和d，同時(shí)外移a和b，形成圖10中的e和f。此外，為達(dá)到載荷傳遞路徑的通暢，在車身前縱梁和前地板內(nèi)縱梁之間增加g和h，滿足電動(dòng)汽車底板骨架的合理性。

圖10 電動(dòng)汽車車身底板骨架結(jié)構(gòu)（Ⅰ）

另外一種電動(dòng)汽車底板骨架結(jié)構(gòu)形式如圖11所示，多應(yīng)用在全新開發(fā)的電動(dòng)汽車底板骨架上。在保證前縱梁和前地板內(nèi)縱梁各自位置的前提下，盡量實(shí)現(xiàn)其連接區(qū)域的順暢，如圖中j段和k段，達(dá)到平滑過(guò)渡的效果。

圖11 電動(dòng)汽車車身底板骨架結(jié)構(gòu)（Ⅱ）

2.5 碰撞安全策略不同于傳統(tǒng)燃油汽車

電動(dòng)汽車因車身底板下方裝載300～400 kg重的動(dòng)力電池，其整車重心相對(duì)于燃油汽車下移，如圖12所示。當(dāng)電動(dòng)汽車發(fā)生正面碰撞或側(cè)面碰撞時(shí)，其車身變形模式與燃油汽車略有不同。對(duì)于正面碰撞，由于動(dòng)力電池位置偏低，將車身前縱梁下移既有利于載荷路徑傳遞，又有利于對(duì)動(dòng)力電池的保護(hù)。對(duì)于側(cè)面碰撞，若既要保護(hù)駕乘人員又要保護(hù)動(dòng)力電池，在車身設(shè)計(jì)時(shí)就需考慮設(shè)計(jì)成車身底板橫向強(qiáng)度高，B柱中上段強(qiáng)度高，B柱下段強(qiáng)度偏低，這樣可達(dá)到門檻梁少變形以保護(hù)動(dòng)力電池，B柱中上段少變形以保護(hù)駕駛員，B柱下段多變形以達(dá)到吸能的效果。

根據(jù)法規(guī)，燃油汽車的碰撞考核主要是對(duì)駕乘人員的保護(hù)，車門能否開啟，燃油是否泄漏。而電動(dòng)汽車的碰撞考核內(nèi)容需增加對(duì)動(dòng)力電池的保護(hù)，避免碰撞過(guò)程中電池發(fā)生爆炸或起火燃燒[5]。目前，通常以碰撞過(guò)程中電芯不脫離自己的位置和不受到擠壓作為判定條件。

圖12 電動(dòng)汽車整車重心下移示意圖

2.6 車身前后懸架固定點(diǎn)強(qiáng)度高于傳統(tǒng)燃油汽車

對(duì)于同級(jí)別的電動(dòng)汽車和燃油汽車，一般電動(dòng)汽車整車質(zhì)量要高于燃油汽車至少200 kg以上。通?？梢詽M足燃油汽車前后懸架固定點(diǎn)強(qiáng)度的局部車身結(jié)構(gòu)，用到電動(dòng)汽車上，可能出現(xiàn)前、后懸架固定點(diǎn)強(qiáng)度不足的情況。因此，在電動(dòng)汽車的車身設(shè)計(jì)方面，前后懸架固定點(diǎn)強(qiáng)度是重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容之一，除了仿真分析，實(shí)車耐久試驗(yàn)必不可少。如果前期未能有效防止，后期進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，勢(shì)必造成模具費(fèi)用的增加和開發(fā)周期的延長(zhǎng)。

目前少數(shù)車身前、后懸架安裝點(diǎn)處采用鑄件結(jié)構(gòu)，是旨在提升強(qiáng)度的同時(shí)兼顧輕量化所采用的新技術(shù)（圖13），采用鑄件更容易提升前、后懸架的固定點(diǎn)強(qiáng)度。常用的鑄件有鑄鋁、鎂鋁合金等[6]。

2.7 充電插口的布置多選取在前格柵處

電動(dòng)汽車充電插口包括快充和慢充兩種。如果充電插口布置在車身后翼子板上原加油口處，那么位于前艙的電機(jī)就需要很長(zhǎng)的電纜線在充電插口、電池、電機(jī)之間相互連接，此外，在后地板兩側(cè)由于存在后懸架安裝支架和后輪罩前下端尖銳的鈑金結(jié)構(gòu)，所以很難設(shè)置電纜通道。當(dāng)充電插口布置在車身前部，電纜的長(zhǎng)度問(wèn)題和通道問(wèn)題就相對(duì)容易解決。因此，目前多數(shù)電動(dòng)汽車將充電插口布置在車身前部，尤其是在前格柵處。多數(shù)車型是將快、慢充電插口集中布置（圖14），少數(shù)采用分離布置在前格柵的兩側(cè)。

圖13 某車型車身鑄鋁件應(yīng)用區(qū)域

圖14 某電動(dòng)汽車充電插口布置方式

此外，還有少數(shù)車型將充電插口布置在前翼子板上，存在的問(wèn)題是電纜較難按預(yù)定走向彎轉(zhuǎn)。

3 電動(dòng)汽車車身的實(shí)例化結(jié)構(gòu)

3.1 電動(dòng)汽車的整體輪廓

根據(jù)前文所述，為滿足動(dòng)力電池布置和人機(jī)工程，電動(dòng)汽車的乘客艙高度需高于傳統(tǒng)燃油汽車。前艙因布置電機(jī)占用x向空間尺寸較小，在正面碰撞過(guò)程中對(duì)前圍板侵入量小，可以將車身前懸架尺寸適當(dāng)減小一些。行李箱空間因電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程較短，對(duì)行李的裝載需求沒(méi)有燃油汽車高，可以將車身后懸架尺寸減小。電動(dòng)汽車的整車尺寸如圖15所示。

圖15 電動(dòng)汽車整車斷面

然而，按照?qǐng)D15設(shè)計(jì)出的汽車，其外觀的總體造型并不太符合人們普遍的審美觀，既要達(dá)到電動(dòng)汽車的尺寸要求，又要符合審美要求，電動(dòng)汽車更適合設(shè)計(jì)成高度偏高的兩廂車和sUV車型，如圖16所示。

圖16 某電動(dòng)汽車整車外觀圖

3.2 電動(dòng)汽車的底板結(jié)構(gòu)

如前文所述，電動(dòng)汽車車身底板骨架結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)燃油汽車，參照?qǐng)D10的構(gòu)想設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車底板實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖17所示。實(shí)車經(jīng)過(guò)仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，都證明擁有較優(yōu)的性能。裝載在該地板中的動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)如圖18所示。

圖17 某電動(dòng)汽車底板實(shí)物結(jié)構(gòu)

圖18 某電動(dòng)汽車動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)

3.3 電動(dòng)汽車的B柱結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車的B柱結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是中、上段強(qiáng)度偏高，底段強(qiáng)度偏低。如圖19所示，B柱由側(cè)圍外板、里板、加強(qiáng)板、中間加強(qiáng)板四層板構(gòu)成，其中B柱中間加強(qiáng)板僅在B柱中上部設(shè)置一段，用來(lái)加強(qiáng)B柱的中上段，且B柱里板底段因設(shè)計(jì)有安全帶卷收器過(guò)孔，進(jìn)一步弱化了B柱底段強(qiáng)度。總之，達(dá)到了側(cè)面碰撞過(guò)程中B柱中上段少變形，B柱底段多變形進(jìn)行吸能的目的。

圖19 某電動(dòng)汽車B柱結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

由于電動(dòng)汽車裝載動(dòng)力系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)燃油汽車，所以其電機(jī)、動(dòng)力電池、控制器等的布置位置、占用空間也不同于傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣管、燃油箱的布置位置和占用空間。電動(dòng)汽車的車身結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)燃油汽車相比有著自身的特點(diǎn)。

（1）為滿足車身底板下方裝載動(dòng)力電池后的人機(jī)工程要求，電動(dòng)汽車乘客艙的z向尺寸略高于傳統(tǒng)燃油汽車。

（2）由于電機(jī)x向尺寸小于發(fā)動(dòng)機(jī)，并且電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程較短，所以電動(dòng)汽車的前、后懸架尺寸都可以定義得小一些。

（3）由于裝載了動(dòng)力電池，所以電動(dòng)汽車的底板骨架結(jié)構(gòu)方案不同于傳統(tǒng)燃油汽車。又因?yàn)槭菓覓祀姍C(jī)，那么電動(dòng)汽車車身前縱梁高度位置可以低于燃油汽車。

（4）由于裝載了動(dòng)力電池，導(dǎo)致整車質(zhì)量增加，所以電動(dòng)汽車的前、后懸架固定點(diǎn)強(qiáng)度高于同級(jí)別的燃油汽車。

（5）由于電動(dòng)汽車裝載的主要零部件不同于燃油汽車，所以電動(dòng)汽車的碰撞安全策略不同于燃油汽車。

（6）快、慢充電插口多布置在車身前部。