電動(dòng)車模塊化車身平臺(tái)

1 用于電動(dòng)車的車架方案

汽車電動(dòng)化已在汽車制造中起到示范性的調(diào)整作用，電驅(qū)動(dòng)裝置[1]集成到動(dòng)力總成系統(tǒng)中改變了轎車的結(jié)構(gòu)。特別是在電動(dòng)車(EV)上，與自承載式車身結(jié)構(gòu)相比，新的車架方案在小批量和中等批量生產(chǎn)的情況下，改變?yōu)椴煌s放尺寸應(yīng)用和方案時(shí)，新的車架結(jié)構(gòu)確保了明顯較高的可縮放性。

蓄電池組的集成及其對(duì)碰撞、易維修性、可擴(kuò)充性和模塊化的要求，在新的車架方案中也能很好地進(jìn)行變換，同時(shí)這種方案也支持底盤模塊化和電子工程(E/E)結(jié)構(gòu)的模塊化，從而在開發(fā)和生產(chǎn)中獲得了可縮放的效果。Benteler公司采用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(BEDS)作為車身車架平臺(tái)。下文將闡明BEDS覆蓋、保障和集成電動(dòng)車的部分功能模塊。

2 整車系統(tǒng)開發(fā)的重要性

車輛整個(gè)系統(tǒng)的功能要求主要取決于其應(yīng)用目的、設(shè)計(jì)方案和法定框架條件，從這些要求就能推導(dǎo)出整車的開發(fā)目標(biāo)，并落實(shí)到子系統(tǒng)和零部件上。而開發(fā)目標(biāo)之間的關(guān)系往往存在著彼此相互制約，在車輛開發(fā)中存在一定的挑戰(zhàn)。

在復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)中，各子系統(tǒng)和部件集成在整個(gè)系統(tǒng)中起著非常重要的作用。整車特別是作為車輛子系統(tǒng)的BEDS就是這種復(fù)雜系統(tǒng)的范例。為了整個(gè)系統(tǒng)的利益，首先模塊化和可縮放的平臺(tái)理念及制造工藝優(yōu)化和成本高效益的結(jié)構(gòu)使得必須在子系統(tǒng)及其部件的開發(fā)中有所折中，這種理念在BEDS的開發(fā)中是具有決定性意義的。

3 輕型鋁結(jié)構(gòu)

為了平衡在碰撞性能情況下的最佳質(zhì)量和制造過程中產(chǎn)生的成本，選擇鋁材作為BEDS的材料方案，不僅用于車架結(jié)構(gòu)(汽車柔性大梁)，而且用于蓄電池箱和碰撞管理系統(tǒng)(CMS)(圖1)，其中主要部件用擠壓鋁型材制成，因此BEDS可為各種不同等級(jí)車型在X和Y方向上進(jìn)行個(gè)別調(diào)整。

圖1 帶有碰撞管理系統(tǒng)和蓄電池箱的車架結(jié)構(gòu)(汽車柔性大梁)：主要元件由擠壓鋁型材組成，因此BEDS適用于各種不同等級(jí)車型

汽車柔性大梁由橫梁、多個(gè)構(gòu)件和壓鑄鋁接頭3個(gè)部分組成。由3個(gè)部分組成的橫梁由具有抗變形能力的外部擠壓鋁型材、剛性的內(nèi)部擠壓鋁型材和上部擠壓鋁型材組裝而成。擠壓鋁型材與汽車車身和車頂分開。因此在開發(fā)和制造過程中，在其設(shè)計(jì)時(shí)及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需保持車身結(jié)構(gòu)與汽車柔性大梁無依賴關(guān)系。

蓄電池箱的功能是安放蓄電池模塊，以及保護(hù)該模塊免受機(jī)械損壞和周圍環(huán)境的影響，為此蓄電池箱由具有抗碰撞的內(nèi)外框架結(jié)構(gòu)和1塊底板組成(圖2)，后者做成帶有整體式冷卻系統(tǒng)的薄鋁板外殼結(jié)構(gòu)型式。為了確保蓄電池箱的密封性要求，采用了冷金屬過渡(CMT)焊接、結(jié)構(gòu)膠粘和自攻螺栓作為粘接技術(shù)。蓄電池箱的基礎(chǔ)加固底板和頂板都用鋁板件制成。蓄電池箱用螺栓緊固在汽車大梁的橫梁和構(gòu)件上，并與汽車大梁形成1個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，在發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)呈現(xiàn)出最佳的變形特性(圖3和圖4)。

圖2 蓄電池盒保護(hù)蓄電池免受機(jī)械損壞和環(huán)境影響

圖3 蓄電池箱位于車輛中間受到保護(hù)

圖4 在樁柱側(cè)面碰撞時(shí)蓄電池箱的剛性結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出理想的變形特性

4 最佳能量填充密度的模塊化蓄電池組

鋰離子蓄電池的多樣性對(duì)汽車工業(yè)中的蓄電池開發(fā)帶來了新的挑戰(zhàn)。直到目前為止，尚沒有1種蓄電池滿足目前對(duì)行駛里程和功率方面的要求?；谶@個(gè)原因，BEDS使用了以鎳-錳-鈷及其氧化物為基礎(chǔ)的棱柱形，電池容量為75 A·h的鋰離子電池。這種方案是對(duì)電池電化學(xué)工作能力、高能量密度和低成本的良好折中。使用這種改進(jìn)的蓄電池模塊和模塊化蓄電池組能充分利用結(jié)構(gòu)空間，并且能集成容量為92 kW·h的蓄電池。

BEDS的蓄電池組被設(shè)計(jì)成102S-3P配置，包括102個(gè)串聯(lián)電池，并聯(lián)成3組電池。這種蓄電池由34個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊包含9個(gè)電池，這樣配置獲得了372.3 V額定電壓和系統(tǒng)層面上153 (W·h)/kg的總能量密度。這種蓄電池系統(tǒng)5 s內(nèi)峰值功率316 kW、持續(xù)功率136.5 kW、體積能量密度500 (W·h)/L、質(zhì)量能量密度230 (W·h)/kg。同時(shí)，這種蓄電池是直流快速充電的，并且直流充電功率為100 kW，40 min能充電到總電量80%的狀態(tài)。

為了改善和監(jiān)測(cè)運(yùn)行時(shí)的工作能力，蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)承擔(dān)了諸如電壓、電流和溫度監(jiān)測(cè)的所有必需的功能，使得每個(gè)電池都能在其最佳的運(yùn)行窗口安全地運(yùn)行。蓄電池中的電池是為-20～+55 ℃的超常溫度設(shè)計(jì)的，并采用某種平衡功能達(dá)到了最長(zhǎng)的使用壽命。

5 熱管理和溫度均勻化

BEDS配備了1種可分縮放的熱管理系統(tǒng)，在基本布局上確保高壓(HV)蓄電池、電驅(qū)動(dòng)單元(EDU)和使用其他電部件的熱安全。為此，應(yīng)用了3個(gè)獨(dú)立的冷卻循環(huán)回路，即高溫循環(huán)回路、低溫循環(huán)回路和冷卻液循環(huán)回路。

高溫循環(huán)回路(用于EDU、充電電子器件和直流轉(zhuǎn)化器(DC-DC))的冷卻水最高溫度為65 ℃。低溫循環(huán)回路將蓄電池的最高溫度水平控制在45 ℃，通過1個(gè)高電壓加熱器為蓄電池加溫，以及1個(gè)冷卻器來承擔(dān)冷卻蓄電池的任務(wù)。

冷卻器是通往第三個(gè)循環(huán)回路和冷卻液循環(huán)回路的接口，冷卻液循環(huán)回路中的冷卻液(R1234yf)用于向周圍環(huán)境散熱，這種基礎(chǔ)系統(tǒng)為蓄電池提供最大10 kW的冷卻功率，為EDU提供最大30 kW的冷卻功率，并可通過一系列部件對(duì)偏離的功率需求進(jìn)行調(diào)整。

滿足鋰離子蓄電池模塊溫度控制要求的核心部件是集成在蓄電池殼體中的大面積蓄電池冷卻平板形狀的水-乙二醇冷卻系統(tǒng)，同時(shí)這種鋁制冷卻平板也對(duì)外封閉了蓄電池殼體，此外鑒于對(duì)安全性的考慮，冷卻介質(zhì)的接頭位于蓄電池殼體外部。

蓄電池冷卻系統(tǒng)是針對(duì)蓄電池組150 kW快速充電而設(shè)計(jì)的，在確定冷卻平板尺寸時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的是實(shí)現(xiàn)蓄電池模塊內(nèi)部溫度均勻性和冷卻水側(cè)液壓背壓的優(yōu)化。

為了達(dá)到最佳狀態(tài)，在開發(fā)的早期階段就進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬，最終單獨(dú)供應(yīng)冷卻液的U形排列的冷卻管道獲得了最好冷卻效果，此外每個(gè)區(qū)段流程較短限制了順流而下加熱冷卻介質(zhì)，并對(duì)溫度的均勻性產(chǎn)生了有利的影響。分成的多個(gè)區(qū)段限制了每個(gè)區(qū)段所必需的體積流量，從而在較小的結(jié)構(gòu)高度情況下導(dǎo)致了較小的背壓。

6 電動(dòng)車橋模塊的行駛性能和振動(dòng)-噪聲-平順性(NVH)特性

BEDS底盤及其電動(dòng)前后橋模塊都被設(shè)計(jì)成可縮放型式，并且可由制造商單獨(dú)使用。所謂的“E-底盤”集成了BEDS，而車輛的動(dòng)力學(xué)性能可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行改裝。由電動(dòng)機(jī)、變速器和變流器組成EDU與Bosch公司E-車橋一起作為預(yù)配置方案以供使用。

底盤模塊組合部件可用于各種不同等級(jí)車型(圖5)。B/C級(jí)車型將采用E-McPherson前橋結(jié)構(gòu)和電驅(qū)動(dòng)復(fù)合導(dǎo)桿后橋結(jié)構(gòu)，而D、E和F級(jí)車型的模塊組合部件則采用雙橫向?qū)U電動(dòng)前橋方案和5導(dǎo)桿后橋方案。

圖5 BEDS的E底盤及其電動(dòng)前橋和后橋模塊被設(shè)計(jì)成可縮放方式——底盤模塊組合部件可用于各種不同等級(jí)車型

被改裝成電驅(qū)動(dòng)的前橋模塊通過較低的碰撞途徑來滿足更高的車輛要求，而后橋模塊則用于考察最佳的起步前傾特性。結(jié)構(gòu)空間容許采用螺旋彈簧或空氣彈簧的彈性減振系統(tǒng)。

雙隔離的EDU支承方案能滿足所期望的NVH性能。與Vibracoustic公司共同設(shè)計(jì)了支承裝置，其定位、剛度和減振都以詳細(xì)的頻率分析為基礎(chǔ)，避免了不利的共振區(qū)域。

7 電子工程的結(jié)構(gòu)和安全性

BEDS的E/E結(jié)構(gòu)是可縮放式的，使得所有關(guān)聯(lián)的電子部件之間具有良好和安全可靠的能量與信號(hào)分配(圖6)，但是要有利于整車電路的布局。其中功率分配單元(PDU)集中分配能量，而汽車中央控制單元(VCU)控制所有的電子部件，采用這種方式就能實(shí)現(xiàn)靈活的變化，例如每個(gè)車橋用2個(gè)EDU或者前車橋、后車橋各布置1個(gè)EDU。

VCU還承擔(dān)了3種可能的充電方式：交流(AC)充電、DC充電和無電纜充電。用于DC充電的高壓繼電器集成在高壓蓄電池箱中，而車載充電裝置(AC充電器)則與DC-DC充電器一起集成在殼體中。

E/E結(jié)構(gòu)同樣也必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的所有安全性。高電壓確定的功率貫穿所有的電子部件并安全地提供電功率，因此當(dāng)拔掉高壓插頭時(shí)，蓄電池切斷單元(BDU)就立即切斷高電壓(400 V)(圖6)。同樣，應(yīng)預(yù)先設(shè)置機(jī)艙中維修工作用的分離點(diǎn)和救火隊(duì)用的分離點(diǎn)。高壓蓄電池中的絕緣監(jiān)測(cè)裝置(IMD)用于監(jiān)測(cè)高壓電功率與汽車接地之間的絕緣電阻。

圖6 方塊電路圖：BEDS的可縮放式E/E結(jié)構(gòu)使得所有關(guān)聯(lián)的電子部件之間能具有良好與安全可靠的能量和信號(hào)分配

8 成本效益和可縮放式制造

在設(shè)計(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)時(shí)要適應(yīng)于模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)也必須延伸到以用戶為導(dǎo)向的BEDS業(yè)務(wù)模式之中。通過模塊化平臺(tái)、裝備狀況和裝配程度都可進(jìn)行設(shè)置。這樣即使進(jìn)行小批量生產(chǎn)也能確保達(dá)到較高的成本效益，最終的裝配系統(tǒng)及其所屬的供應(yīng)鏈盡可能按人數(shù)和方案靈活設(shè)計(jì)。

同時(shí)，汽車裝配方案的基本變化對(duì)于這種高度的靈活性是具有決定性意義的。這種生產(chǎn)方式的核心組成部分是工藝模塊的制造結(jié)構(gòu)，借助于零件載體(無人操縱輸送系統(tǒng))的裝配工位，以及放棄模塊所需的生產(chǎn)周期，因?yàn)樯a(chǎn)方式可能取決于相應(yīng)變化的需要，因此生產(chǎn)組織可能取決于裝配過程的變化。除此之外，這種工藝模式使得裝配步驟進(jìn)行階梯式布置，并在批量增加的情況下無需倍增總的裝配流水線。因此，BEDS是在實(shí)現(xiàn)最佳性能和最低成本的汽車電動(dòng)化中具有決定性意義的重要步驟。