純電動汽車產(chǎn)品平臺化試驗驗證方案研究

劉榮昌 左躍云 鄧剛

（1.東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，武漢 430058；2.國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（襄陽），襄陽 441004）

主題詞：平臺化 試驗驗證 電動汽車

1 前言

為了充分發(fā)揮大規(guī)模制造帶來的成本節(jié)約優(yōu)勢，平臺化模式在汽車行業(yè)得到了應(yīng)用。產(chǎn)品的平臺化制造以產(chǎn)品的平臺化設(shè)計開發(fā)為基礎(chǔ)，各大汽車集團(tuán)根據(jù)自身特點(diǎn)開發(fā)出不同的平臺，如大眾汽車發(fā)動機(jī)橫置模塊化（Modularer Querbaukasten,MQB）平臺，其目標(biāo)是整合原有的產(chǎn)品平臺，從而形成一個全新的擴(kuò)展性更強(qiáng)的統(tǒng)一平臺。豐田新全球架構(gòu)（Toyota New Global Architecture, TNGA）平臺，將新的架構(gòu)平臺重新分為混動、前驅(qū)、后驅(qū)3大類產(chǎn)品平臺。與傳統(tǒng)開發(fā)模式相比，平臺化模式具有節(jié)約開發(fā)成本、分?jǐn)傊圃旌筒少彸杀尽a(chǎn)品衍生能力強(qiáng)、新品開發(fā)時間短、質(zhì)量更易保障的優(yōu)勢。汽車產(chǎn)品平臺化模塊的驗證顯得尤為重要，采用平臺化開發(fā)模式，解決了一個車型的問題，就等于解決了該平臺上所有衍生車型的問題，從而大大減少了驗證成本和時間，降低了同架構(gòu)車型開發(fā)周期和風(fēng)險，得到驗證的工程方案可以應(yīng)用于該架構(gòu)中任意一款車型，產(chǎn)品質(zhì)量的提升以及售后的反饋都將從中獲益。本文以某平臺開發(fā)為例，設(shè)計試驗矩陣，試驗方案、試驗流程，為后續(xù)平臺開發(fā)的試驗驗證工作提供參考。

2 平臺介紹

2.1 平臺開發(fā)邊界

某純電動汽車平臺開發(fā)范圍包括懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、新能源動力系統(tǒng)、下車體、空調(diào)系統(tǒng)、電器系統(tǒng)，如圖1所示。平臺軸距和輪距可調(diào)，覆蓋中型車輛市場，包括4種車型：C級SUV，D級Sedan，D級SUV，D級MPV。驅(qū)動形式包括后驅(qū)和四驅(qū)，各車型主要配置和參數(shù)見下表1。

表1 平臺覆蓋車型配置

圖1 可擴(kuò)展的電動汽車平臺

2.2 平臺開發(fā)階段

平臺開發(fā)樣車分為3個階段：

（1）預(yù)研樣車

平臺開發(fā)項目啟動前，利用現(xiàn)有平臺（車型）改制，進(jìn)行關(guān)鍵性能評估、關(guān)鍵總成技術(shù)評估及開發(fā)成本、整車成本評估，為平臺開發(fā)項目啟動提供決策依據(jù)或進(jìn)行方向性選擇的試制樣車。

（2）概念樣車

平臺開發(fā)項目啟動前，利用現(xiàn)有平臺（車型）和部分有代表性的新設(shè)計平臺件，進(jìn)行平臺布置驗證、被動安全、懸架接口、底盤耐久等重點(diǎn)性能摸底的試制樣車。

（3）代表性樣車

根據(jù)概念樣車試驗結(jié)果，改進(jìn)、固化所有平臺件設(shè)計定義，進(jìn)一步詳細(xì)驗證平臺和子系統(tǒng)性能的試制樣車。

本文以代表性樣車的試驗為例。平臺開發(fā)完成，車型開發(fā)階段需要針對車型定義，開展車型特有的騾子車、工程樣車、工裝樣車試驗，平臺與車型的關(guān)系見圖2。

圖2 平臺樣車開發(fā)階段

3 平臺代表性樣車試驗驗證流程

平臺代表性樣車試驗?zāi)康氖菍傮w設(shè)計方案進(jìn)行全面驗證，因此從平臺技術(shù)方案的分析入手開展試驗驗證方案。對平臺開發(fā)范圍、平臺性能定位、平臺生命周期內(nèi)的法規(guī)預(yù)測以及以往車型的市場問題，防止再發(fā)生進(jìn)行分析。根據(jù)試驗項目歷史數(shù)據(jù)庫梳理出針對該平臺的試驗項目，并進(jìn)行試驗覆蓋率分析，進(jìn)一步對試驗項目進(jìn)行合并和整理，進(jìn)行試驗設(shè)計，然后將不同的試驗項目合理有序的安排在各個試驗車輛上，并編制可靠耐久試驗計劃、性能驗證計劃、標(biāo)定試驗計劃、零部件試驗計劃。匯總成為平臺樣車和零部件試驗管控表。試驗完成后對試驗結(jié)果進(jìn)行評估，提出對總體方案的修正和完善意見，進(jìn)行方案迭代，平臺代表性樣車試驗驗證流程如圖3。

圖3 平臺試驗驗證方案流程

3.1 法規(guī)預(yù)測

平臺的生命周期通常為10年以上，因此對法規(guī)的預(yù)測極其重要。通過提前跟蹤法規(guī)演變情況，提前對平臺樣車需要滿足的性能要求進(jìn)行梳理，包括強(qiáng)制性法規(guī)和自愿認(rèn)證項目，部分新能源汽車專項強(qiáng)制性法規(guī)見表2，自愿認(rèn)證項目見表3，在平臺開發(fā)階段提前規(guī)劃。

表2 新能源汽車專項強(qiáng)制性法規(guī)（部分）

表3 自愿認(rèn)證項目（部分）

3.2 性能目標(biāo)

在平臺設(shè)計階段，需要制定平臺的性能目標(biāo)，比如具有競爭力的動力性指標(biāo)，滿足GB/T 36980—2018電動汽車能量消耗率限值經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，滿足當(dāng)量里程10年或30×10km 的可靠耐久指標(biāo)、滿足被動安全指標(biāo)，制動性能、操控性能、振動與噪聲、熱管理（空調(diào)性能、高低溫續(xù)駛里程衰減率）、水管理、電磁兼容指標(biāo)，在平臺設(shè)計階段提前布局。

3.3 市場問題

根據(jù)歷史質(zhì)量問題梳理出防止再發(fā)生清單，分析質(zhì)量問題機(jī)理，檢討試驗項目，改進(jìn)試驗方法，提高試驗過程中問題檢出率。

4 試驗項目分布

根據(jù)性能維度的分解，按照可靠耐久、動力經(jīng)濟(jì)性、振動與噪聲、被動安全、制動性能、操控性能、熱管理、水管理、充電性能、電池兼容進(jìn)行分類如表4。同時識別平臺與車型之間的試驗驗證關(guān)系如表5。

表4 平臺階段試驗項目分類

表5 平臺與車型試驗項目

4.1 可靠耐久性

耐久性能是平臺開發(fā)階段的重點(diǎn)驗證內(nèi)容，針對底盤、動力系統(tǒng)、下車體接口耐久性進(jìn)行考核，主要受車輛動力系統(tǒng)、懸置、底盤、車身系統(tǒng)技術(shù)方案差異和整車整備質(zhì)量/軸荷分布的影響。在代表性樣車上主要開展整車道路耐久試驗，包括動力傳動系統(tǒng)耐久試驗和承載系耐久試驗；同時在開發(fā)前期借助軸耦合和輪耦合道路模擬試驗機(jī)開展臺架試驗快速驗證，盡早識別結(jié)構(gòu)耐久風(fēng)險并進(jìn)行改善。

4.1.1 承載系耐久

承載系耐久與整車質(zhì)心高度、軸距、輪距、整備質(zhì)量因素相關(guān)，針對平臺的覆蓋車型對配置進(jìn)行解讀，采用正交分解的方法，分析得出四種車型重心和輪距均不同，對前后輪載荷的影響無法視同，選取4種車型開展試驗，并且開展對比試驗，每種車型選取2臺，如圖4所示。

圖4 承載系耐久性試驗車型選取

4.1.2 動力傳動系統(tǒng)耐久

動力傳動系統(tǒng)耐久針對電驅(qū)動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)極限工況考核，如長時間上坡、長時間全負(fù)荷行駛工況。一般包括山區(qū)行駛、變工況行駛、高速行駛、壞路行駛，試驗樣車覆蓋后驅(qū)、四驅(qū)車型，每種車型各選取2臺，如圖5所示。

圖5 動力傳動系統(tǒng)耐久性試驗車型選取

4.1.3 軸耦合道路模擬試驗

整車在試車場或用戶道路條件下行駛中采集的道路信號在室內(nèi)臺架上重現(xiàn)的試驗方法為軸耦合道路模擬試驗，主要應(yīng)用于對底盤懸架的可靠性試驗，將車輪所受的力可以分解為垂直力、側(cè)向力、縱向力、側(cè)向彎矩、制動力矩、轉(zhuǎn)向彎矩6個分力或力矩。為真實模擬在道路行駛中懸架的受力情況，根據(jù)動力總成配置，懸架形式、車輛類型，選取圖6 中2 種車型進(jìn)行試驗。

圖6 軸耦合試驗車型選取

4.1.4 輪胎耦合道路模擬試驗

輪胎耦合道路模擬試驗，采用輪胎和液壓作動器直接相連的裝夾方式，在室內(nèi)模擬復(fù)現(xiàn)汽車軸頭處的實際道路垂直振動響應(yīng)，考察下車體接口耐久性。根據(jù)動力總成配置，懸架形式、車輛類型，并與軸耦合試驗不重合，選取圖7中2種車型進(jìn)行試驗。

圖7 輪耦合試驗車型選取

4.2 其它性能

4.2.1 動力與經(jīng)濟(jì)性

平臺車型的整備質(zhì)量、風(fēng)阻、迎風(fēng)面積、驅(qū)動系統(tǒng)方案、底盤技術(shù)方案的差異點(diǎn)是影響動力經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵要素。平臺開發(fā)階段，動力經(jīng)濟(jì)性以零部件系統(tǒng)級驗證為主，整車驗證主要開展：

（1）對驅(qū)動系統(tǒng)（電機(jī)、電池）搭載在實車上的效率及能力進(jìn)行測試摸底；

（2）通過代表性樣車的實測整備質(zhì)量、風(fēng)阻、迎風(fēng)面積評估整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性。并通過試驗與仿真的對標(biāo)，分析差異點(diǎn)并進(jìn)行優(yōu)化；

（3）開展使用動力性評價和優(yōu)化，為后續(xù)車型的開發(fā)打好基礎(chǔ)。

主要開展中國輕型汽車行駛工況CLTC（China Light-duty Vehicle Test Cycle，CLTC）續(xù)駛里程及能量消耗率測試，選取圖8中2種車型進(jìn)行試驗。

圖8 動力經(jīng)濟(jì)性試驗車型選取

4.2.2 振動與噪聲

平臺車型的電驅(qū)動總成、底盤方案、懸置方案的差異點(diǎn)是影響振動與噪聲（Noise、Vibration、Harshness，NVH）性能的關(guān)鍵要素。NVH 性能在平臺開發(fā)階段主要驗證：

（1）怠速振動噪聲：對輔機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行振動噪聲摸底與及優(yōu)化；

（2）定速振動噪聲：驗證仿真結(jié)果，試驗對標(biāo)優(yōu)化，對底盤系統(tǒng)振動傳遞函數(shù)，桿件模態(tài)，安裝點(diǎn)動剛度目標(biāo)摸底與優(yōu)化；

（3）加減速振動噪聲：驗證懸置匹配的剛度，模態(tài)目標(biāo)達(dá)成摸底與優(yōu)化，驗證電動總成搭載后振動噪聲及避頻目標(biāo)。

根據(jù)平臺車型電驅(qū)動總成、底盤和懸置系統(tǒng)的方案差異評估，1臺兩驅(qū)車+1臺四驅(qū)車可以滿足NVH性能驗證需求；其它因懸架姿態(tài)不同導(dǎo)致底盤零件有差異的車輛，可與其它專業(yè)共用進(jìn)行性能摸底，選取圖9中2種車型進(jìn)行試驗。

圖9 振動與噪聲試驗車型選取

4.2.3 整車安全

4.2.3.1 被動安全

平臺被動安全主要考核前后防撞梁，前縱梁、邊縱梁的防撞性能，其中主要考察平臺性能的碰撞工況總共有7項，在平臺開發(fā)階段，均需開展實車驗證和優(yōu)化。

（1）正面碰撞工況：正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗、正面40%重疊可變形壁障碰撞試驗、正面25%偏置碰撞試驗；

（2）側(cè)面碰撞工況：可變形移動壁障側(cè)面碰撞、側(cè)面碰撞和側(cè)面柱碰撞試驗；

（3）后部碰撞工況：法規(guī)后碰撞按GB 20072—2006《乘用車后碰撞燃油系統(tǒng)安全要求》。

平臺車型的整備重量差異是影響碰撞性能的最主要因素。

（1）正面碰撞：對前端車身結(jié)構(gòu)相同的平臺車型來說，主要影響因素為車輛重量和機(jī)艙布置；

（2）側(cè)面碰撞：對側(cè)面車身結(jié)構(gòu)相同的平臺車型來說，主要影響因素為車輛重量、軸距、座椅基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)以及姿態(tài)的高低；

（3）后部碰撞：對于后部車身結(jié)構(gòu)以及布置相同的平臺車型來說，主要影響因素為車輛重量。

基于整備質(zhì)量考慮，驗證D-MPV 四驅(qū)車型全工況；考慮前艙電動總成布置對縱梁變形的影響，驗證D-MPV 后驅(qū)車型25%偏置碰；考慮軸距和姿態(tài)的影響，驗證C-SUV 四驅(qū)側(cè)面碰撞和側(cè)面柱碰撞（試驗矩陣如圖10所示）。

圖10 被動安全試驗車型選取

4.2.3.2 主動安全

制動系統(tǒng)技術(shù)方案、平臺車型的軸荷分布、質(zhì)心高度、輪胎滾動半徑的差異是影響制動性能的關(guān)鍵要素。制動性能平臺開發(fā)階段主要對制動性能進(jìn)行驗證，高級駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System，ADAS）在平臺開發(fā)階段不具備驗證條件。結(jié)合制動系統(tǒng)技術(shù)方案和整車參數(shù)條件（整備質(zhì)量、軸距、質(zhì)心高度），驗證平臺制動性能的上、下邊界。

（1）關(guān)鍵驗證項：制動距離、踏板感、制動熱衰退等；

（2）驗證思路：每款車型選取整車整備質(zhì)量最大配置進(jìn)行制動性能驗證；不同輪胎規(guī)格也需更換零部件驗證制動性能；選取2種車型進(jìn)行試驗，如圖11所示。

圖11 制動性能試驗車型選取

4.2.4 操控與駕乘舒適性

平臺車型的整備質(zhì)量、質(zhì)心位置、軸距、輪距、驅(qū)動形式和懸架硬點(diǎn)的差異是影響操控與駕乘舒適性的關(guān)鍵要素。在平臺開發(fā)階段，操控與駕乘舒適性維度主要需驗證：

（1）懸架硬點(diǎn)與設(shè)計值差異；

（2）懸架運(yùn)動學(xué)特性；

（3）底盤調(diào)校，驗證性能邊界；

（4）輪胎選型、EPS調(diào)試（功能驗證）。

選取2種車型進(jìn)行試驗，如圖12所示。

圖12 操控與駕乘舒適性試驗車型選取

4.2.5 水管理/電磁兼容/充電性能/功能安全

在平臺開發(fā)階段，對水管理/電磁兼容/充電性能開展摸底試驗，識別和改善風(fēng)險項：

（1）涉水試驗（三電系統(tǒng)防護(hù)密封性能、下車體結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證）；

（2）勻速/急加速/急減速工況下的磁場輻射、電場抗擾、車輛復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性；

（3）慢充時間、快充時間、充電兼容性、充電抗擾。

平臺開發(fā)階段需要對扭矩驅(qū)動控制、12 V低壓供電、高壓觸電傷害、轉(zhuǎn)向、制動、四驅(qū)方案進(jìn)行功能安全驗證；平臺車型電驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、制動的控制系統(tǒng)方案一致，電池包的高壓系統(tǒng)方案一致。因此，功能安全對車型無要求，具備兩驅(qū)和四驅(qū)車型即可，沿用電磁兼容車輛。功能安全可以沿用其它專業(yè)完成試驗后的樣車資源；功能安全驗證有可能會對車輛造成損壞，在功能安全驗證完成后，不應(yīng)再開展其它試驗驗證。選取后驅(qū)、四驅(qū)，且SUV、MPV各1臺，如圖13所示。

圖13 水管理/電磁兼容/充電性能試驗車型選取

4.3 整車標(biāo)定

除性能開發(fā)外，平臺階段需要進(jìn)行部分標(biāo)定，包括熱管理系統(tǒng)標(biāo)定、整車控制標(biāo)定、電池管理系統(tǒng)標(biāo)定、電機(jī)控制器標(biāo)定和電子駐車制動和電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)標(biāo)定。

4.3.1 熱管理標(biāo)定

熱管理性能主要與系統(tǒng)方案、電池包規(guī)格、驅(qū)動形式、整車空調(diào)熱負(fù)荷相關(guān)，在平臺開發(fā)階段，空氣動力學(xué)不需開展實車驗證，整車熱管理主要需開展：

（1）系統(tǒng)標(biāo)定；

（2）系統(tǒng)冷卻能力試驗；

（3）空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境模擬試驗；

（4）高低溫續(xù)航/高低溫充電時間。

選取乘員艙最大、最小各1 臺開展試驗，如圖14所示。

圖14 熱管理標(biāo)定試驗車型選取

4.3.2 整車控制器標(biāo)定

整車控制器在平臺車上進(jìn)行基礎(chǔ)標(biāo)定，整車功能開發(fā)驗證，軟件適配修改后移植車型開發(fā)，選取后驅(qū)和四驅(qū)方案，如圖15所示，驗證VCU控制策略。主要進(jìn)行低溫、高溫驅(qū)動標(biāo)定、低溫、高溫能量回收標(biāo)定、低溫、高溫爬坡-駐坡標(biāo)定和低溫、高溫駕駛性評價。

圖15 VCU標(biāo)定試驗車型選取

4.3.3 BMS標(biāo)定

平臺階段需要對電池管理系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)動力總成配置不同、驅(qū)動形式不同選擇較重車型作為代表性樣車2 臺，如圖16 所示。主要開展低溫、高溫慢充，低溫、高溫快充，直流轉(zhuǎn)換器（Direct Current-Direct Current Converter，DC/DC）輸出特性/動態(tài)負(fù)載試驗/極限工況試驗，DC/DC冷啟動時的輸出電壓與輸出電流試驗。

圖16 BMS標(biāo)定試驗車型選取

4.3.4 MCU標(biāo)定

平臺階段需要對電機(jī)控制器進(jìn)行標(biāo)定，平臺完成后車型適配性更改后適用，根據(jù)動力總成配置不同、驅(qū)動形式不同選擇代表性樣車1臺，如圖17所示主要開展電機(jī)系統(tǒng)扭矩輸出特性試驗、溫升特性試驗、電機(jī)系統(tǒng)動力性，極限工況轉(zhuǎn)速扭矩響應(yīng)特性、極限工況溫升特性、最高轉(zhuǎn)速峰值功率工況點(diǎn)特性，全轉(zhuǎn)速0扭矩區(qū)域扭矩響應(yīng)特性。

圖17 MCU標(biāo)定試驗車型選取

4.3.5 EPB/EPS標(biāo)定

對于電子駐車制動標(biāo)定，平臺階段需要驗證駐車釋放、電機(jī)控制模型算法，縮短車型開發(fā)階段標(biāo)定時間；電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開展阻尼補(bǔ)充標(biāo)定、摩擦補(bǔ)償標(biāo)定、回正補(bǔ)償標(biāo)定、慣性補(bǔ)償標(biāo)定和其它補(bǔ)償標(biāo)定功能邏輯適配驗證，標(biāo)定需要四驅(qū)樣車1臺，最大整備質(zhì)量車型選擇代表性樣車1臺，如圖18所示。

圖18 EPB/EPS標(biāo)定試驗車型選取

4.4 系統(tǒng)及零部件試驗

除整車級試驗外，系統(tǒng)及零部件試驗也是平臺試驗驗證的重要組成部分，系統(tǒng)試驗開展轉(zhuǎn)向系統(tǒng)臺架試驗和制動系統(tǒng)臺架試驗；零部件需要梳理平臺件的設(shè)計驗證計劃，在圖紙發(fā)放前完成設(shè)計驗證試驗（Design Verification，DV），此時可以是手工件或者軟模件，在概念性樣車階段平臺件DV 試驗項目和樣件定義后開展，主要工作是對前期設(shè)計的結(jié)構(gòu)、材料、功能、性能進(jìn)行綜合評估，同時暴露設(shè)計過程中的問題點(diǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，來支持商品定義及后期模具件的開發(fā)。

在代表性樣車試驗完成后開展過程驗證（Process Verification, PV），通常必須是正式的模具件，在工程圖紙發(fā)放后開展，主要工作是對產(chǎn)品的振動耐久、“高原、高寒和高熱”的耐久、可靠及穩(wěn)定性進(jìn)行驗證，是從供應(yīng)商的量產(chǎn)生產(chǎn)線上做出來的零件。只有PV試驗通過之后的零件再完成生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序（Production Part Approval Process,PPAP）審核，才具備量產(chǎn)供貨資格。

5 結(jié)束語

本文從多個維度介紹了平臺試驗驗證方案，各平臺根據(jù)平臺特點(diǎn)建立了合理的試驗驗證方案，但仍存在以下不足：

（1）每個試驗對零部件的要求不同，需要根據(jù)不同試驗任務(wù)對試驗樣車零部件成熟度提出要求；

（2）因平臺驗證階段，上車體為其它車輛，A 柱和B柱為其它車型，邊縱梁、前防撞梁對碰撞性能的貢獻(xiàn)度需要分解；

（3）平臺性能需分解到系統(tǒng)級和零部件級，建立零部件、系統(tǒng)和整車統(tǒng)一循環(huán)工況，相互驗證。