新能源商用車(chē)平臺(tái)化設(shè)計(jì)方法

黃乃勇

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)車(chē)輛工程專業(yè)，碩士研究生?，F(xiàn)就職于東風(fēng)商用車(chē)技術(shù)中心，任高級(jí)工程師，主要從事新能源整車(chē)開(kāi)發(fā)，已發(fā)表論文有《混動(dòng)總成平臺(tái)化設(shè)計(jì)方法》，曾獲東風(fēng)科協(xié)一等獎(jiǎng);《平衡懸架上軸的輸入輸出點(diǎn)計(jì)算》曾獲東風(fēng)科協(xié)三等獎(jiǎng);《載貨車(chē)軸荷計(jì)算方法》曾獲東風(fēng)科協(xié)三等獎(jiǎng);《某車(chē)型轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩波動(dòng)問(wèn)題改進(jìn)》曾獲東風(fēng)科協(xié)二等獎(jiǎng)。

摘" 要： 本文針對(duì)新能源商用車(chē)，從整車(chē)特性目標(biāo)設(shè)定到分解，整車(chē)方案設(shè)計(jì)，接口定義及參數(shù)化，模塊設(shè)計(jì)，功能、特性與模塊映射，試驗(yàn)驗(yàn)證等方面闡述一種新能源整車(chē)平臺(tái)化模塊化正向設(shè)計(jì)方法，以開(kāi)發(fā)具備強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的新能源平臺(tái)產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞： 平臺(tái)化;模塊化;接口;功能;特性

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號(hào)：1005-2550（2022）04-0002-06

Platform-based Design Method of A New Energy Commercial Vehicle

HUANG Nai-yong， JIANG Guang-hui， ZHOU Rui， YANG Qian-zhi， HU Teng

（DongFeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430058， China）

Abstract： The aritcle is for the new energy commercial vehicle， from vehicle characteristics target setting to decomposition， vehicle scheme design， interface definition and parameterization， module design， function， characteristics and module mapping， test verification. In order to develop new energy platform products with strong competitiveness， a forward design method of new energy product platform modularization is expounded from the aspects of these and so on.

Key" Words： Platformization; Modularization; Interface; Function; Characteristic

從新能源商用車(chē)近幾年產(chǎn)品看，純電動(dòng)占比較大，混動(dòng)、氫燃料商用車(chē)剛起步。同時(shí)，電池能量密度、循環(huán)壽命及快充技術(shù)，固態(tài)電池研發(fā)及應(yīng)用，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)深度集成等關(guān)鍵總成技術(shù)還有很大提升空間。

根據(jù)國(guó)家戰(zhàn)略部署，為完善未來(lái)新能源商用車(chē)產(chǎn)品體系并打造更具競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)初期就需引入平臺(tái)化模塊化開(kāi)發(fā)理念[1]，結(jié)合企業(yè)自身特點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，前瞻規(guī)劃，循序漸進(jìn)，積極行動(dòng)。

本文正是基于平臺(tái)化開(kāi)發(fā)思路，為新能源商用車(chē)提供一種新的開(kāi)發(fā)方法。

1" " 平臺(tái)化模塊化概念

1.1" "平臺(tái)化、模塊化

平臺(tái)化是基于平臺(tái)理念進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的方法，模塊化是基于模塊理念進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的方法，產(chǎn)品架構(gòu)則是連接平臺(tái)與模塊的紐帶[2]，其核心是用有限模塊組合更多產(chǎn)品，盡可能實(shí)現(xiàn)模塊通用。

明確整車(chē)開(kāi)發(fā)目標(biāo)后，構(gòu)建平臺(tái)產(chǎn)品及模塊與變量關(guān)系，形成兼容、互斥的唯一組合關(guān)系，再通過(guò)模塊化數(shù)據(jù)發(fā)放實(shí)現(xiàn)整車(chē)平臺(tái)化模塊化開(kāi)發(fā)。本文基于該思路重點(diǎn)從以下幾方面對(duì)新能源商用車(chē)產(chǎn)品的平臺(tái)化模塊化開(kāi)發(fā)進(jìn)行探討，具體包含市場(chǎng)分析、目標(biāo)設(shè)定及分解、整車(chē)方案、接口、模塊設(shè)計(jì)及驗(yàn)證、模塊庫(kù)、整車(chē)生產(chǎn)銷(xiāo)售等內(nèi)容。

1.2" "新能源商用車(chē)平臺(tái)架構(gòu)

本文所述開(kāi)發(fā)流程正是基于同平臺(tái)架構(gòu)下的純電、混動(dòng)、氫燃料三種車(chē)型，具體如下：

1）純電動(dòng)車(chē)，兩種平臺(tái)架構(gòu)思路，一中置或側(cè)掛動(dòng)力電池，為解決重心高及上裝空間小的痛點(diǎn);二是后背動(dòng)力電池，實(shí)現(xiàn)快速換電以解決市場(chǎng)對(duì)作業(yè)時(shí)效性需求。

另外，驅(qū)動(dòng)總成實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化安裝接口，滿足電驅(qū)橋和電機(jī)-變速箱方案的模塊化互換。駕駛室體現(xiàn)新能源特征外，與底盤(pán)接口在同平臺(tái)產(chǎn)品系列中通用。

2）混動(dòng)車(chē)，在傳統(tǒng)燃油車(chē)基礎(chǔ)上增加電機(jī)、動(dòng)力電池及散熱系統(tǒng)?？紤]到整體架構(gòu)通用，采用模塊變動(dòng)少、電機(jī)成本低、且能實(shí)現(xiàn)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)完全解耦的P2并聯(lián)結(jié)構(gòu)。底盤(pán)、駕駛室接口同燃油車(chē)，僅增加動(dòng)力電池布置，電機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間且同軸，考慮電機(jī)、電池散熱與發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)散熱模塊集成。

3）氫燃料車(chē)，一種電堆與電機(jī)混動(dòng)車(chē)型，區(qū)別傳統(tǒng)混動(dòng)車(chē)在于發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件系統(tǒng)變成燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，油箱變成氫瓶，不同電堆產(chǎn)品保持相同的連接接口，沒(méi)有排放處理，有較高的散熱需求;區(qū)別純電動(dòng)車(chē)的地方是沒(méi)有大電量動(dòng)力電池，換成氫瓶，后背或者底盤(pán)側(cè)掛，氫瓶后背方案與純電動(dòng)力電池、天燃?xì)廛?chē)氣瓶后背方案接口統(tǒng)一。駕駛室體現(xiàn)綠色環(huán)保，與底盤(pán)接口在同平臺(tái)產(chǎn)品系列中通用。

2" "平臺(tái)化模塊化正向開(kāi)發(fā)

2.1" "目標(biāo)設(shè)定及分解

2.1.1 目標(biāo)設(shè)定

整車(chē)目標(biāo)是將公司戰(zhàn)略規(guī)劃、客戶需求、競(jìng)品水平、法規(guī)、性能提升、工藝等輸入信息通過(guò)一定方法轉(zhuǎn)化成目標(biāo)參數(shù)，這里應(yīng)用的是質(zhì)量屋（QFD）方法[4]，通過(guò)對(duì)車(chē)輛關(guān)鍵特性進(jìn)行重要度排序，如表（1）所示。按照QFD方法對(duì)每項(xiàng)特性進(jìn)行提案分解打分，得到具體目標(biāo)值，如表（2）所示。

這些指標(biāo)是基于市場(chǎng)需求，承接公司戰(zhàn)略，基于客觀實(shí)際總結(jié)出來(lái)的在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)具有強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.1.2 目標(biāo)分解

整車(chē)一級(jí)指標(biāo)由特性負(fù)責(zé)人分解到二、三、四級(jí)，分解后的指標(biāo)達(dá)成（仿真、臺(tái)架、試驗(yàn)）落實(shí)到相應(yīng)技術(shù)方案，每個(gè)方案映射到具體模塊。各模塊能否在相應(yīng)技術(shù)方案下達(dá)標(biāo)是反復(fù)的過(guò)程，需要不斷優(yōu)化論證確定。

下面以純電動(dòng)車(chē)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)為例說(shuō)明分解及驗(yàn)證過(guò)程，如表（3）。

以上各、指標(biāo)分解到具體模塊后，即作為模塊開(kāi)發(fā)的重要輸入條件之一。

2.2" "整車(chē)方案設(shè)計(jì)

基于平臺(tái)架構(gòu)設(shè)想，整車(chē)方案設(shè)計(jì)需設(shè)定原則，以確保更多模塊在各平臺(tái)系列間通用。一方面考慮用戶使用需求，以及車(chē)輛在各工況下的適應(yīng)性，滿足法規(guī)要求;

另一方面體現(xiàn)平臺(tái)化模塊化開(kāi)發(fā)思路，在設(shè)計(jì)初期就需全面考慮各平臺(tái)間的差異性和通用性，各模塊在不同平臺(tái)間的變型。

為實(shí)現(xiàn)接口標(biāo)準(zhǔn)化，需全平臺(tái)范圍內(nèi)考慮產(chǎn)品布置方案，這完全不同于傳統(tǒng)單車(chē)開(kāi)發(fā)思路。

2.2.1 混合動(dòng)力車(chē)型

對(duì)于混動(dòng)車(chē)型，兼顧與傳統(tǒng)燃油車(chē)方案一致性，遵循原則：

1）動(dòng)力總成僅在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間增加同軸電機(jī)占位空間，其他接口不變;

2）新增電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)散熱模塊集成，電池共用空調(diào)散熱模塊，不燃油車(chē)散熱模塊接口不變;

3）牽引車(chē)動(dòng)力電池替代副油箱位置，載貨及工程車(chē)在原方案上獨(dú)立增加動(dòng)力電池及溫控模塊，其他接口保持一致;

以上混動(dòng)平臺(tái)方案無(wú)論在可變、不變部分均最大程度確保與燃油車(chē)平臺(tái)一致性，布置簡(jiǎn)化圖如圖1，圖中陰影部分表示混動(dòng)車(chē)的變化。

2.2.2 純電動(dòng)車(chē)型

受電池能量密度限制，純電動(dòng)車(chē)一般應(yīng)用在中短途運(yùn)輸。底盤(pán)重心要求低考慮將動(dòng)力電池布置在車(chē)架內(nèi)外側(cè)，同時(shí)增加上裝空間;工作時(shí)效性要求高考慮電池后背，實(shí)現(xiàn)快速換電。兩種方案遵循原則：

1）動(dòng)力電池在車(chē)架內(nèi)外側(cè)，則：①各平臺(tái)間內(nèi)、外側(cè)動(dòng)力電池與車(chē)架連接接口不變;②電動(dòng)附件高度集成，各平臺(tái)間接口不變;③上裝接口不變;④電驅(qū)橋和電機(jī)-變速箱方案相同位置接口統(tǒng)一，可切換;⑤底盤(pán)與駕駛室接口在同平臺(tái)內(nèi)一致。

2）動(dòng)力電池后背，電池占位及與車(chē)架接口考慮與后背氫瓶（氫燃料車(chē)型）或天然氣氣瓶（天燃?xì)廛?chē)型）方案保持一致，其他與1）中②③④⑤同原則。

布置簡(jiǎn)化圖如圖2，陰影部分表示兩種動(dòng)力總成的整體切換。

2.2.3 氫燃料車(chē)型

氫燃料車(chē)環(huán)保又滿足中長(zhǎng)途運(yùn)輸需求，且加氫效率遠(yuǎn)高于純電車(chē)。目前，氫燃料車(chē)型處于起步階段，單電堆功率低于150kW，結(jié)構(gòu)、接口各廠家均有差異，目前主要在中、輕型商用車(chē)上推廣，重型車(chē)待單堆功率提升。在這關(guān)鍵時(shí)期，由主機(jī)廠主導(dǎo)，協(xié)同供應(yīng)商統(tǒng)一電堆接口，這對(duì)未來(lái)縮短開(kāi)發(fā)周期，提升競(jìng)爭(zhēng)力有很大幫助。

具體包括：

1）在駕駛室下方，明確未來(lái)需求電堆系統(tǒng)與整車(chē)接口保持一致;

2）后背氫瓶接口與其他車(chē)型后背方案保持一致，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)間接口統(tǒng)一;

3）其他附件及動(dòng)力電池的接口與混動(dòng)、純電動(dòng)車(chē)型保持一致，新增零件接口不改變?cè)须妱?dòng)附件接口。

布置簡(jiǎn)化圖如圖3，不同陰影部分表示電堆、后背氣瓶、驅(qū)動(dòng)總成可實(shí)現(xiàn)整體模塊切換。

2.3" "模塊規(guī)劃及設(shè)計(jì)

根據(jù)型譜對(duì)各細(xì)分市場(chǎng)車(chē)輛進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，界定架構(gòu)范圍及規(guī)則，進(jìn)行模塊規(guī)劃和設(shè)計(jì)，完成模塊劃分和模塊變型。

模塊劃分是對(duì)平臺(tái)內(nèi)車(chē)輛模塊進(jìn)行層級(jí)劃分;模塊變型是基礎(chǔ)模塊在一定驅(qū)動(dòng)因子下衍生出滿足需求變形模塊，模塊規(guī)劃和設(shè)計(jì)考慮以最少模塊實(shí)現(xiàn)更多組合;變型驅(qū)動(dòng)因子主要包括接口定義及參數(shù)化、功能特性、成本、配置、工藝、法規(guī)等。

2.3.1 模塊劃分

模塊劃分是模塊化開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，如圖（4）所示將商用車(chē)模塊分為三級(jí)：車(chē)輛模塊、模塊、子模塊，采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)，形成模塊數(shù)據(jù)層級(jí)結(jié)構(gòu)，車(chē)輛結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)源于模塊結(jié)構(gòu)各層級(jí)數(shù)據(jù)。

劃分形式如表4。

2.3.2.1 接口定義及參數(shù)化

整車(chē)總布置方案確定后，可對(duì)關(guān)鍵接口定義，包括：1）模塊間物理邊界;2）空間包絡(luò);3）尺寸、坐標(biāo);4）數(shù)據(jù)通信;5）裝配連接點(diǎn)。

根據(jù)重要度不同劃分，模塊內(nèi)部接口為C級(jí)，模塊間的接口為B級(jí)，接口變動(dòng)有重大影響的B、C級(jí)接口升為A級(jí)，具體考慮：1）復(fù)雜性，影響面廣;2）成本有重大變化;3）平臺(tái)架構(gòu)變動(dòng);4）關(guān)鍵車(chē)輛尺寸、總線通信;5）法規(guī)等。詳細(xì)定義方法參照表（5）。

根據(jù)整車(chē)方案及接口定義即可開(kāi)展模塊參數(shù)化設(shè)計(jì)，明確接口具體參數(shù)。

2.3.2.2 功能amp;特性

功能開(kāi)發(fā)主要有軟、硬件兩方面，軟件功能開(kāi)發(fā)是將不同功能模塊劃分到不同控制器由軟件工程師開(kāi)發(fā)完成;硬件映射到具體系統(tǒng)模塊，且功能實(shí)現(xiàn)可能涉及多系統(tǒng)多模塊[6]。如制動(dòng)能量回收，涉及電機(jī)、動(dòng)力電池、變速箱等模塊?；靹?dòng)車(chē)較統(tǒng)燃油車(chē)，同架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)換擋調(diào)速，變速箱中間軸制動(dòng)器就存在有和無(wú)兩種狀態(tài)，從而增加變速箱模塊變型。

不同細(xì)分市場(chǎng)整車(chē)加速性能差異，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)總功率或總速比不同，增加模塊變型。

平臺(tái)系列內(nèi)所有功能、特性指標(biāo)細(xì)化后成為模塊的輸入邊界，結(jié)合其他接口、成本、配置、法規(guī)等邊界要求，最終完善模塊規(guī)劃及其變型。

2.3.3 模塊設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

當(dāng)模塊開(kāi)發(fā)邊界明確后，即可開(kāi)展詳細(xì)設(shè)計(jì)，確保以最少的接口、最優(yōu)的結(jié)構(gòu)適用于多平臺(tái)產(chǎn)品。

在全新的電子電氣架構(gòu)下，控制器及線束模塊，及各控制器里的功能軟件模塊同步開(kāi)展詳細(xì)設(shè)計(jì)。

完成模塊設(shè)計(jì)后，進(jìn)行獨(dú)立試驗(yàn)驗(yàn)證（包括臺(tái)架和整車(chē)），縮短整車(chē)開(kāi)發(fā)周期，快速實(shí)現(xiàn)整車(chē)批量化生產(chǎn)銷(xiāo)售。

2.4" "模塊數(shù)據(jù)維護(hù)及發(fā)布

模塊庫(kù)維護(hù)，工程人員在BOM數(shù)據(jù)庫(kù)里建立模塊字典，設(shè)計(jì)師按數(shù)據(jù)層級(jí)結(jié)構(gòu)維護(hù)各級(jí)模塊，構(gòu)建實(shí)例化變型數(shù)據(jù)，通過(guò)變量將模塊與零件、接口、功能特性等要素進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并顯示關(guān)聯(lián)關(guān)系。其特點(diǎn)：

1）模塊數(shù)據(jù)獨(dú)立車(chē)型進(jìn)行設(shè)計(jì)變更、發(fā)布;

2）模塊開(kāi)發(fā)獨(dú)立進(jìn)行，根據(jù)功能特性及接口進(jìn)行整體規(guī)劃和開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)多樣化組合;

3）模塊編碼由字典編號(hào)加流水碼生成實(shí)例化;

4）模型變型關(guān)聯(lián)車(chē)型變量，可篩選。

模塊數(shù)據(jù)組合及應(yīng)用，車(chē)型平臺(tái)系列和模塊變型分別與變量關(guān)聯(lián)，根據(jù)變量規(guī)則兼容互斥關(guān)系，建立EBOM數(shù)據(jù)。銷(xiāo)售根據(jù)客戶需求在SBOM車(chē)型系列中選擇唯一化變量，生成單一示例化可生產(chǎn)車(chē)輛變量組合，制造根據(jù)MBOM解算出該實(shí)例化生產(chǎn)車(chē)輛唯一化模塊變型數(shù)據(jù)，用于工順、工藝、采購(gòu)及裝配[5]。 當(dāng)模塊開(kāi)發(fā)及數(shù)據(jù)建立完成后，從客戶點(diǎn)單到組織生產(chǎn)的全過(guò)程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)組合及生產(chǎn)銷(xiāo)售，有效提升工作效率。

3" " 總結(jié)

本文針對(duì)新能源商用車(chē)，應(yīng)用平臺(tái)化開(kāi)發(fā)思路，從目標(biāo)設(shè)定、分解，整車(chē)構(gòu)架及方案設(shè)計(jì)，接口定義，模塊設(shè)計(jì)，功能、特性與模塊的映射，試驗(yàn)等方面介紹產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)方法，該方法大量工作集中在前期。綜合企劃、現(xiàn)生產(chǎn)、技術(shù)發(fā)展、生產(chǎn)工藝、成本等因素，對(duì)整車(chē)方案、接口、模塊進(jìn)行優(yōu)化，最終確定最優(yōu)平臺(tái)解決方案，實(shí)現(xiàn)最少模塊組合更多符合市場(chǎng)需求且具強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)品。

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專家推薦語(yǔ)

吳杰余

東風(fēng)汽車(chē)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

新能源汽車(chē)總師" 研究員級(jí)高級(jí)工程師

本文基于該思路重點(diǎn)從幾方面對(duì)新能源商用車(chē)產(chǎn)品的平臺(tái)化模塊化開(kāi)發(fā)進(jìn)行深入探討，模塊化的研究方向很好，有一定的借鑒意義。