電動汽車專屬平臺車身特點(diǎn)分析

李仲奎 呂祝星 袁亮 陳孟華 李豫

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心）

在電動汽車開發(fā)、生產(chǎn)早期，因?yàn)橐?guī)模小、缺乏開發(fā)經(jīng)驗(yàn)等原因，很多車企都是改造既有燃油車平臺進(jìn)行電動汽車的開發(fā)和生產(chǎn)，只是對涉及“三電”的部分進(jìn)行小范圍“改裝”。這種改裝和共用平臺的做法加快了電動汽車的開發(fā)速度，降低了開發(fā)成本，但原有平臺的固有設(shè)置也給電動汽車設(shè)計(jì)帶來了一些局限性，并不能充分體現(xiàn)電動汽車的特征，如續(xù)駛里程、動力性和內(nèi)部空間、舒適性等。伴隨電動汽車規(guī)模的不斷擴(kuò)大，依據(jù)電動汽車特征屬性專門開發(fā)的平臺，即電動汽車專屬平臺，已成為大趨勢，越來越多的車企推出了電動汽車專屬平臺，如廣汽GEP 平臺、吉利PMA 平臺、上汽大眾MEB 平臺、比亞迪E 平臺、奔馳EVA 平臺、寶馬FSAR 平臺。電動汽車專屬平臺的建設(shè)本質(zhì)上是從最底層，即設(shè)計(jì)之初就針對電機(jī)、電控和電池[1]等電動汽車重要零部件的特征設(shè)計(jì)出合理的車身、底盤結(jié)構(gòu)，以求發(fā)揮更大效用?；诖耍恼玛U述了電動汽車專屬平臺車型車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)及弊端。

1 電動汽車與燃油汽車零部件對比

1.1 傳統(tǒng)燃油汽車平臺重要零部件布置

傳統(tǒng)燃油汽車，一般前艙布置發(fā)動機(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示出傳統(tǒng)燃油汽車平臺重要零部件布置。

圖1 傳統(tǒng)燃油汽車平臺重要零部件布置示意圖

1.2 “油改電”車型平臺重要零部件布置

基于傳統(tǒng)燃油汽車開發(fā)的電動汽車平臺即“油改電”平臺，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、中地板下方中部區(qū)域布置動力電池[2]，充電口布置在前格柵或翼子板處，圖2 示出“油改電”車型平臺重要零部件布置。

圖2 “油改電”車型平臺重要零部件布置示意圖

從“油改電”車型重要零部件的布置和結(jié)構(gòu)來看，動力電池系統(tǒng)對車身結(jié)構(gòu)的影響較大。此外，為達(dá)到充電口與電池、電機(jī)之間相連的電纜最短，充電口更偏向于布置在車身的前部。

1.3 電動汽車專屬平臺重要零部件布置

電動汽車專屬平臺，動力電池系統(tǒng)布置位置與“油改電”車型平臺布置大致相同，但是其電池可以平鋪在車身底板下方。電機(jī)可以前置，也可以后置。圖3 示出電動汽車某專屬平臺車型重要零部件布置。

圖3 電動汽車專屬平臺重要零部件布置示意圖

電機(jī)后置，對后懸架處車身結(jié)構(gòu)影響較大，很難在傳統(tǒng)燃油車上進(jìn)行適配性開發(fā)。此外，該車型電機(jī)后置，為達(dá)到電纜長度最短，充電口布置在后翼子板上。

2 電動汽車專屬平臺車身的優(yōu)點(diǎn)

2.1 人機(jī)舒適性

新車型在開發(fā)之初，首先關(guān)注的就是內(nèi)部空間的大小和人機(jī)舒適性，影響人機(jī)舒適性的關(guān)鍵點(diǎn)就是乘客艙內(nèi)的X，Y，Z 向高度。對于電動汽車來說，Z 向高度甚為關(guān)鍵。但是車頂偏高會增加車輛的風(fēng)阻系數(shù)，地板偏低會影響整車離地間隙。因此，乘客艙內(nèi)Z 向高度是綜合考慮的結(jié)果。

圖4 示出電動汽車總布置。從圖4 可以看出，乘客艙下方裝載有動力電池，車頂若有天窗機(jī)構(gòu)會占用Z向高度。

圖4 電動汽車總布置方案示意圖

對于電動汽車專屬平臺，動力電池系統(tǒng)布置可以有較大的自由度，采用近似平鋪的布置方式，來減少電池箱的Z 向高度，為乘客艙留出較大的Z 向空間。車頂也可以采用非開啟全景天窗的方式，來減少車頂?shù)暮穸?，達(dá)到在不增加車高的情況下，為乘客艙留出較大的Z 向空間。

相比之下，“油改電”車型的車頂、地板的高度與結(jié)構(gòu)都是固化的，若要提供足夠的動力電池系統(tǒng)布置空間，勢必會降低人機(jī)舒適性。

2.2 動力電池系統(tǒng)布置空間

圖5 示出傳統(tǒng)燃油汽車地板構(gòu)架。中通道下方布置排氣管，底板架構(gòu)呈網(wǎng)格狀。對于“油改電”車型，因限制專用件數(shù)量、范圍，且要考慮車身性能，能給出的動力電池布置空間并不多，如圖5 中虛線區(qū)域所示。

圖5 傳統(tǒng)燃油車地板構(gòu)架示意圖

圖6 示出電動汽車專屬平臺地板下方的動力電池布置區(qū)域。動力電池平鋪在車身底板下方，X 向鋪滿前后懸架之間，Y 向鋪滿左右邊縱梁之間。在前后懸架形式的選擇上，也可以考慮為動力電池避讓出更大的空間。

圖6 電動汽車專屬平臺地板下方的動力電池布置區(qū)域示意圖

相比之下，“油改電”車型的前后懸架形式是固定的。動力電池箱體需適應(yīng)現(xiàn)有的前后懸架進(jìn)行開發(fā)，很難有較大的X 向布置空間。同樣地，門檻梁是固定的，很難大幅度地加強(qiáng)門檻梁設(shè)計(jì)，為留夠側(cè)碰吸能空間，也很難有較大的Y 向布置空間。

2.3 車身架構(gòu)

電動汽車專屬平臺是充分考慮動力電池系統(tǒng)布置和前后懸架安裝點(diǎn)布置，并結(jié)合車身剛度與碰撞安全性開發(fā)的全新底板結(jié)構(gòu)，其架構(gòu)盡量保持載荷傳遞路徑的順暢，并為動力電池箱提供可靠的安裝點(diǎn)。

圖7 示出某電動車型的車身底板結(jié)構(gòu)。車型1 在前地板前端的縱向梁彎折處設(shè)置橫向梁，這樣既保證了載荷橫向傳遞的通暢，又能為動力電池系統(tǒng)讓出足量的空間；為裝載更多的動力電池，車型2 車底的縱向梁從前至后，由前縱梁過渡到邊縱梁上，在前地板的前端過渡段設(shè)計(jì)鑄鋁件，以保證載荷傳遞在路徑變向時(shí)，也能達(dá)到傳遞的連續(xù)。類似地，在前地板的前端設(shè)置橫向加強(qiáng)梁。

圖7 電動汽車車身底板架構(gòu)示意圖

相比之下，“油改電”車型，如圖5 所示的傳統(tǒng)燃油車的車身底板在改款至電動汽車底板時(shí)，除了動力電池系統(tǒng)的布置空間受限外，也很難達(dá)到載荷傳遞的通暢、連續(xù)。

2.4 門檻梁

電動汽車專屬平臺，當(dāng)動力電池平鋪地板下方時(shí)，電池箱兩側(cè)邊沿的固定點(diǎn)直接連接到邊縱梁上，門檻梁既要有原有的門檻梁功能，又要能為動力電池箱提供吊掛點(diǎn)功能，且能在側(cè)面碰撞過程中減少變形，達(dá)到保護(hù)電池系統(tǒng)的目的。因此，門檻梁具有更高的強(qiáng)度性能。

圖8 示出某“油改電”車型門檻梁方案，門檻梁仍采用傳統(tǒng)燃油車的門檻梁，但是在動力電池與門檻梁之間需要留有一定量的間隙[3]，以保證側(cè)碰過程中即使門檻梁發(fā)生一定量的變形，也不至于侵入到動力電池系統(tǒng)。

圖8 某“油改電”車型門檻梁方案示意圖

圖9 示出某電動車型車身門檻梁方案。動力電池箱邊沿連接到門檻梁下方。為保護(hù)動力電池系統(tǒng)，門檻梁有較為復(fù)雜的斷面結(jié)構(gòu)，以減少其變形。

圖9 某電動車型車身門檻梁方案示意圖

此外，在電動汽車專屬平臺上，門檻梁根據(jù)實(shí)際情況可以靈活地進(jìn)行設(shè)計(jì)，以適應(yīng)其必需滿足的多種功能和性能要求。

2.5 軸距與車長比例

電動汽車因需要裝載較大質(zhì)量、較大體積的動力電池，更傾向于有較大的軸距才能滿足動力電池系統(tǒng)的布置要求。電動汽車的續(xù)駛里程多在300～500 km之間，相比續(xù)駛里程長的燃油汽車，行李箱的容積也不需要那么大，因此，后懸長度可以設(shè)置的小一些。電動汽車的前艙布置電機(jī)、控制器，相比燃油車有較小的體積[4]，在正面碰撞過程中有更多的吸能空間，因此，電動汽車的前懸尺寸也可以小一些。

圖10 示出電動車型車身的外觀。從圖10a 可以看出，車型1 是一款軸距長、前后懸短的車型，其中，車長為4 694 mm，軸距為2 875 mm；從圖10b 可以看出，車型2 的軸距更長，前后懸尺寸更短，其中，車長為4 682 mm，軸距為2 990 mm。

圖10 電動車型車身比例示意圖

相比之下，“油改電”車型，其軸距和車長是固定的，就會造成布置動力電池困難，同時(shí)造成前后懸尺寸富余。

2.6 前、后懸安裝點(diǎn)強(qiáng)度

電動汽車專屬平臺在開發(fā)初期，就已經(jīng)清楚整車的質(zhì)量，在開展前后懸架固定點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮其性能目標(biāo)的達(dá)成，因此，前后懸架安裝點(diǎn)在設(shè)計(jì)之初就有很高的強(qiáng)度。

圖11 示出某電動汽車車身前后懸架安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)。在前后懸架安裝點(diǎn)處都采用了鑄鋁結(jié)構(gòu)，鑄鋁件隨著空心腔體的結(jié)構(gòu)變化，可以達(dá)到很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖11 某電動車型車身強(qiáng)化結(jié)構(gòu)示意圖

相比之下，“油改電”車型，整車質(zhì)量增加達(dá)到300 kg 以上，前后軸荷都增加很多，勢必造成前后懸架安裝點(diǎn)都需要加強(qiáng)。對于已定型的車型，加強(qiáng)前后懸架安裝點(diǎn)會帶來很大的困難。此外，性能提升量、工藝可行性、增加的成本都是難題。

2.7 車身扭轉(zhuǎn)剛度

電動汽車專屬平臺是全新開發(fā)的車型。車身整體架構(gòu)是綜合考慮各種因素之后，并且運(yùn)用拓?fù)溆?jì)算進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果，能夠達(dá)到較高的車身扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度和結(jié)構(gòu)耐撞性。

圖12 示出某電動車型車身的構(gòu)架方案。從圖12可以看出，該車身構(gòu)架在達(dá)到擁有較大動力電池布置空間，且能為動力電池提供較好的保護(hù)性能之外，能達(dá)到整體車身擁有較高扭轉(zhuǎn)剛度的效果。從官方公布的數(shù)據(jù)獲悉，該車身的扭轉(zhuǎn)剛度為19 000 N·m/（°）。

圖12 某電動車型車身構(gòu)架方案示意圖

相比之下，“油改電”車型，對車身進(jìn)行局部更改，為避讓動力電池，致使改款后的車身架構(gòu)不夠順暢，加強(qiáng)方案也多是采用局部打補(bǔ)丁的方式，存在很大的弊端。

3 電動汽車專屬平臺車身缺點(diǎn)

3.1 零件制造

采用電動汽車專屬平臺開發(fā)的電動汽車車身，其所有的零部件都是全新的，都需要新開發(fā)模具。乘用車的白車身通常由三四百個(gè)零件焊接而成，全部新開模具就是一項(xiàng)巨大的投資。

圖13 示出某電動車型車身的零部件。零部件大大小小超過340 個(gè)。尤其是外覆蓋件，因其面積大，采用多工序成型，模具費(fèi)用非常高。

圖13 某電動車型車身零部件示意圖

相比之下，“油改電”車型，因改動量少，模具投入也少，可以節(jié)省不少成本。

3.2 車身各級分總成焊接、合拼線

電動汽車專屬平臺，車身各分總成的焊接，尤其是左右側(cè)圍、頂蓋、后圍、四門兩蓋等，也都要投入新的焊裝夾具。相比之下，“油改電”車型，僅在下車身前、后地板處投入焊接夾具即可。圖14 示出電動汽車專屬平臺側(cè)圍總成焊接線。

圖14 電動汽車專屬平臺側(cè)圍總成焊裝線示意圖

電動汽車專屬平臺由于是一個(gè)專門的平臺，考慮到衍生車型的生產(chǎn)，在車身的合拼工藝線上，一般需要新開發(fā)車身合拼焊接線?！坝透碾姟避囆屯ǔＴ诂F(xiàn)有的燃油車生產(chǎn)線上進(jìn)行適配性改造，實(shí)現(xiàn)共線生產(chǎn)。圖15示出電動汽車專屬平臺新建造的車身合拼線。

圖15 電動汽車專屬平臺車身合拼線示意圖

從所有焊接夾具、合拼線建造來看，電動汽車專屬平臺的焊接生產(chǎn)線投資費(fèi)用也是巨大的。

4 結(jié)論

文章通過對電動汽車和“油改電”車型平臺的整車重要零部件布置和結(jié)構(gòu)的分析，總結(jié)出電動汽車專屬平臺相比“油改電”車型，其車身結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在動力電池布置空間、內(nèi)部空間、乘坐舒適性、車身性能提升上都具有不可估量的作用。但是電動汽車專屬平臺的生產(chǎn)投資費(fèi)用相對高昂，因所有的車身零部件都是專用件，都需要新開模具和新制作焊接夾具，此外還需要建造新的焊接合拼線，造成前期投資壓力加大。相信隨著規(guī)模效應(yīng)的凸顯，這部分成本很快可以被化解。

從汽車產(chǎn)品的長期發(fā)展來看，電動汽車專屬平臺能更好地滿足人機(jī)舒適性、有更大的動力電池系統(tǒng)布置空間、有更為合理的車身架構(gòu)、有更高性能的門檻梁、軸距與車長比例更符合電動汽車需求、有更高的前、后懸安裝點(diǎn)強(qiáng)度、有更高的車身扭轉(zhuǎn)剛度等諸多優(yōu)點(diǎn)。電動汽車專屬平臺必將成為電動汽車開發(fā)的主流產(chǎn)品。