淺談新能源純電動車白車身結(jié)構(gòu)的分類與發(fā)展

于忠娟，劉寶新，陸恒

淺談新能源純電動車白車身結(jié)構(gòu)的分類與發(fā)展

于忠娟1，劉寶新2，陸恒1

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心車身設(shè)計研究院，安徽 合肥 230601；2.安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司，安徽 合肥 230088）

文章首先著重論述了新能源純電動車在車體結(jié)構(gòu)方面的分類，接著闡述了續(xù)駛里程的增加和輕量化需求，最后論述車體結(jié)構(gòu)的發(fā)展里程及純電動車車體結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢。

純電動車；白車身

前言

新能源汽車作為汽車工業(yè)新時代發(fā)展的“至高點”，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展將帶來交通能源消費結(jié)構(gòu)優(yōu)化、城市空氣污染減少等方面的經(jīng)濟(jì)和社會效益。新能源汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的直接推動力就是國家的相關(guān)政策扶植，近幾年國家也明顯加大了電動汽車的推廣力度。電動車的續(xù)駛里程也由100 km向600 km的趨勢發(fā)展。2010－2013年基本為國內(nèi)電動車發(fā)展的起步期，電動車?yán)m(xù)駛里程僅為100～150 km；2013－2014年電池的容量與種類有一定的發(fā)展，續(xù)駛里程提升到150～200 km；2015－2017年車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了革新，提供更多的空間給予電池模組進(jìn)行布置，續(xù)駛里程達(dá)到了200～300 km；2018年隨著電池的升級換代及車體采用平臺化設(shè)計，續(xù)駛里程已達(dá)到400～600 km以上。如下圖1所示：

圖1 純電動車?yán)m(xù)駛里程的發(fā)展

根據(jù)電動車?yán)m(xù)駛歷程的變化，電池有不同的類型，這也產(chǎn)生了不同的車體結(jié)構(gòu)。再是輕量化是電動車減排效益最大化的重要手段之一，在白車身設(shè)計時其具有重要的意義。所以根據(jù)材料輕量化方面考慮又分為不同的車體結(jié)構(gòu)。下面進(jìn)行說明介紹。

1 根據(jù)電池形式車體結(jié)構(gòu)分類

前期設(shè)計的電動車基本在燃油車基礎(chǔ)上進(jìn)行的改造設(shè)計，上車體借用燃油車，下車體結(jié)合電動車底盤自身特點進(jìn)行匹配性改造。目前多采用兩種電池結(jié)構(gòu)形式：分離式電池和一體式電池。所以白車身的結(jié)構(gòu)分類以電池的結(jié)構(gòu)為劃分的依據(jù)下，與之匹配車體結(jié)構(gòu)就有匹配分離式電池的與匹配一體式電池的兩種類型白車身。

分離式電池也存在不同的布置形式，第一種是一代電動車，由于設(shè)計的電動車?yán)m(xù)駛里程較短，電池的分塊設(shè)計尺寸也較小（后地板下部與后備箱兩部分）。再加上處于純電動車的初步發(fā)展階段。電動車是在某款基本型基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝的。以同悅電動車型為例，共安裝兩塊梯形的電池結(jié)構(gòu)，一塊在后排座椅下面，一塊在后備箱（將備胎池改裝而成），使得電池重量沒有完全集中于后備箱，亦給后備箱留下了足夠的空間，如圖2所示。

圖2 匹配分離式電池的白車身結(jié)構(gòu)形式一

第二種由于電動車?yán)m(xù)駛里程的需要與基礎(chǔ)車型尺寸的限制，電池分為兩個部分（整個地板下部與后備箱部分）。此種車型雖然在續(xù)駛里程上有較大提升，但在電池布置上，其中一塊放置在后備箱內(nèi)，如此在尾碰時有較大風(fēng)險。為保證電池免受碰撞損傷，在車體結(jié)構(gòu)上需設(shè)計框架結(jié)構(gòu)，車體的成本及重量大大增加。

圖3為匹配分離式電池相應(yīng)的車體結(jié)構(gòu)，但分離式電池在行業(yè)內(nèi)用的較少，較多采用一體式電池。匹配一體式電池的車型由電池框架和車身框架兩方面組成，有效地提升牢固性和可靠性；通過連接部件，對電池從前到后外輪廓設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)。此雙向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，對車身的整體性能更有利。地板結(jié)構(gòu)改變主要集中在前地板和中地板處，設(shè)計時應(yīng)盡量考慮與傳統(tǒng)車共平臺，降低成本。

從圖4可以看出，傳統(tǒng)車為單一加強(qiáng)，電動車為雙向加強(qiáng)，對車身的整體性能更有利。

圖4 匹配一體式電池的白車身結(jié)構(gòu)形式

2 根據(jù)材料車體結(jié)構(gòu)分類

整車質(zhì)量與續(xù)駛里程成反比例關(guān)系，重量越大續(xù)駛里程越短。為了提升電動車的續(xù)駛里程，輕量化便顯得尤為重要。輕量化的手段分為結(jié)構(gòu)輕量化、材料輕量化和工藝輕量化。材料輕量化是利用輕質(zhì)材料替代原來的鈑金材料。如此便產(chǎn)生了不同材料的車體結(jié)構(gòu)。所以電動車車體分為全鋁白車身、鋼制白車身、鋼鋁混合白車身、鋼鋁碳混合白車身。

第一種全鋁白車身，此類車型代表款有Model S。全鋁車身顧名思義白車身的主要材料使用的鋁合金。鋁合金能夠?qū)崿F(xiàn)30%的減重，但是在一些影響碰撞性能的部件上還是采用的高強(qiáng)度鋼或超高強(qiáng)度鋼，也就是全鋁沖壓車身只是鋁合金的占比較高，很難達(dá)到100%的純鋁車身。一般定義鋁合金比例60%以上便為全鋁白車身[1]。

圖5 Model S

第二種全鋼沖壓白車身，目前國內(nèi)市場諸多車型采用的此種結(jié)構(gòu)形式。車型投入成本低，在輕量化方面主要從結(jié)構(gòu)、板材厚度、配置精簡等方面實現(xiàn)減重。此類車型較多，在此以江淮iC5為代表。

圖6 江淮iC5

第三種鋼鋁混合白車身，此類車為鋼板與鋁合金搭接而成的白車身[2]。鋁合金比例20%～60%，鋁合金區(qū)域連接上主要以鉚接+膠接為主。它具有安全、重量輕、強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、高拓展性等諸多特點，此類車型代表款有Model 3。

圖7 Model 3

第四種鋼鋁碳混合白車身，以鋼為主要材料，融合鋁、碳纖維進(jìn)行多材料混合設(shè)計。對于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，已逐漸由中高端車向平價車延伸、由概念展示向量產(chǎn)應(yīng)用轉(zhuǎn)化、由覆蓋件/裝飾件向結(jié)構(gòu)件/功能件轉(zhuǎn)變[3]。目前寶馬i3、i8將碳纖維作為主要材料，打造替代車身的模塊，減重效果顯著，多廠家碳纖維覆蓋件已實現(xiàn)量產(chǎn)。此類車型代表款寶馬i3。

圖8 寶馬i3

3 純電動車白車身結(jié)構(gòu)的發(fā)展

在國內(nèi)電動車發(fā)展初期，已量產(chǎn)的主流純電動轎車以傳統(tǒng)燃油車改制為主，這樣開發(fā)車型投入的成本較低，在電動車發(fā)展的起步期是非常適用的。但也存在限制電池布置空間的缺點。為了保證電池在碰撞過程中沒有受力變形，在框架結(jié)構(gòu)上做的也較為復(fù)雜，可稱之為第一代電動車白車身。

隨著對續(xù)駛里程提升需求，進(jìn)一步對原下車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。在前縱梁后部的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，傳遞路徑由“人”字型向后傳遞改為直接傳遞到門檻上。簡化了骨架結(jié)構(gòu)。同時給電池提供了更多的空間進(jìn)行布置，從而提升續(xù)駛里程。這便產(chǎn)生了第二代電動車白車身。

圖9 第一代電動車白車身

圖10 第二代電動車白車身

由于油改電平臺上設(shè)計的電動車，下車身的框架設(shè)計受到傳統(tǒng)車結(jié)構(gòu)、電池框架、成本及輕量化限制等多重約束。隨著電動車行業(yè)發(fā)展，對于電動車的白車身要求越來越趨于專用化設(shè)計，而不是簡單地在燃油車基礎(chǔ)上進(jìn)行改制。考慮到客戶對電動車的續(xù)駛里程有不同的需要，兼顧考慮開發(fā)成本最低化，在后期的電動車開發(fā)時便以全新的平臺進(jìn)行開發(fā)。如圖11所示。

圖11 第三代電動車白車身

圖12 電動車模塊化平臺

第三代電動車白車身具備兩個特點，其一是白車身骨架結(jié)構(gòu)更為簡化，鉸接點處具有較高的剛度；其二是為電動車專屬平臺化設(shè)計，圍繞電池組進(jìn)行布局，電池組、電機(jī)等核心組件均設(shè)定固定的位置打造不同車身軸距，不同續(xù)駛里程的車體結(jié)構(gòu)。在平臺化設(shè)計，目前大眾汽車走在前列，他們把這種結(jié)構(gòu)叫MEB平臺[4]（MEB全稱“電動車模塊化平臺”，以電池布置為核心，底盤部件要實現(xiàn)通用化，打造不同車身軸距，不同續(xù)駛里程，車輛具有較長的軸距和較短的前后懸，帶來更大的駕駛艙空間和更舒適的坐姿，同時智能化水平支持全自動駕駛）。

平臺化的設(shè)計開辟了純電動車開發(fā)新征程。電池組布置是此平臺設(shè)計的核心，最大化通用底盤核心組件，如圖13所示。白車身適應(yīng)電池及軸距、前后懸尺寸的需要，進(jìn)行模塊化、通用化設(shè)計。開發(fā)不同尺寸、低成本、高適應(yīng)性的白車身。ID3 為大眾MEB平臺的開山之作，其圍繞電池組、電機(jī)等核心零部件進(jìn)行的MEB平臺化設(shè)計，實現(xiàn)了電動車車身長軸距和短前后懸的布置特點。對ID3的車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，來研究MEB平臺作為大眾電動車特有平臺的設(shè)計特點。

圖13 底盤核心部件圖

從表1中可以看出，iD3與iD.4X在長、寬、高尺寸上均有差別。要實現(xiàn)平臺化設(shè)計理念，完成尺寸變化時，在長度上是通過前防撞梁吸能盒的長短、前地板的長短、后地板與后縱梁的長短幾個方面來實現(xiàn)；寬度上通過前地板寬度變化、門檻內(nèi)外板及側(cè)圍外板寬度變動來實現(xiàn)，其中側(cè)圍外板的造型變化實現(xiàn)寬度變化較為常用；高度方向通過不同尺寸輪胎、塔包安裝懸置高度變化來實現(xiàn)。通過以上尺寸變化滿足于匹配不同大小的電池，開發(fā)多款車型的目的。這種設(shè)計理念，將使開發(fā)部件通用化率高，大大縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。這種白車身設(shè)計模式，將在汽車行業(yè)中廣泛推廣，不但能夠提高產(chǎn)品換代速度，更能大大節(jié)省資本投入。

表1 ID3與iD.4X基本信息對比表

序號iD3iD.4X 長度/mm4 2614 612 寬度/mm1 8091 852 高度/mm1 5221 640 軸距/mm2 7652 765 續(xù)航里程/km330/420/550555 驅(qū)動方式后置后驅(qū)/四驅(qū)后置后驅(qū)/四驅(qū)

4 總結(jié)

目前的電動車下車身骨架具有兩個特點：一是骨架更加簡化；二是由傳統(tǒng)車改制電動車向平臺化設(shè)計轉(zhuǎn)換。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展及人們生活水平的提高，電動車發(fā)展市場的不斷擴(kuò)大，電動車的轉(zhuǎn)型升級勢在必行，智能化、電動化將是主流。以白車身平臺化設(shè)計電動車將是各大車企主導(dǎo)開發(fā)方向，將推動電動汽車進(jìn)入高速發(fā)展階段。

[1] 于忠娟.純電動車輕量化的白車身結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2021.

[2] 董全省.純電動汽車車身輕量化的設(shè)計與研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2013.

[3] 曾土偉.新型材料在汽車輕量化中的應(yīng)用[D].長沙:湖南大學(xué), 2019.

[4] 趙文博.電動專屬平臺:未來汽車市場競爭利器[N].新能源汽車報, 2019-03-25.

Development of New Energy Pure Electric Vehicle Body Structure

YU Zhongjuan1, LIU Baoxin2, LU Heng3

（1. Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Technical Center Body Research Insititute, Anhui Hefei 230601;2.Anhui Jiyuan Software Co., Ltd., Anhui Hefei 230088）

The article first focuses on the different classification of new energy pure electric vehicle structure, then expounds the increase of continued driving mileage and lightweight demand, and finally discusses the development mileage of car vehicle structure and the development trend of pure electric vehicle vehicle structure.

A

1671-7988(2021)22-08-04

U469.7

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1671-7988(2021)22-08-04

CLC NO.: U469.7

于忠娟（1980—），女，高級工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心車身設(shè)計研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.003