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1 起因和開發(fā)目標(biāo)

目前，全球已有54%的人口居住在城市，而按照聯(lián)合國(guó)的預(yù)測(cè)，至2050年城市居民的比重將占到66%[1]。隨著城市化的快速發(fā)展，將加劇交通擁堵、城市噪聲和環(huán)境污染等現(xiàn)象。為了降低CO2排放，歐盟于2009年通過了1項(xiàng)法規(guī)，至2020年汽車的平均CO2排放量必須降低到95 g/km[2]。除了降低廢氣排放之外，在開發(fā)新車型時(shí)還必須考慮到用戶的需求[3-4]。

由于僅有10%的城市居民的日平均行駛里程超過90 km[5]，因此考慮到各種不同的氣候條件，可設(shè)計(jì)城市微型電動(dòng)車的蓄電池容量。車輛不僅要兼顧高性能和低成本，還必須考慮到安全性與可靠性[3]，并且在發(fā)生交通事故時(shí)必須確保乘客及駕駛員的人身安全[6]。為此歐洲新車鑒定程序協(xié)會(huì)(NCAP)于2014和2016年對(duì)輕型電動(dòng)車(L7e)的被動(dòng)安全性進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明了其關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn),以及安全帶回拉系統(tǒng)不足以起到保護(hù)作用，因而存在使乘客受傷的較高風(fēng)險(xiǎn)[7-8]。德國(guó)工程師協(xié)會(huì)(VDI)根據(jù)測(cè)試得出的安全性水平，與常規(guī)M1級(jí)車輛相比較，于2013年建議對(duì)質(zhì)量在400～800 kg之間的車輛實(shí)施M0級(jí)車輛進(jìn)行等級(jí)劃分[6]。這也促進(jìn)了更安全可靠和高效的城市微型電動(dòng)車的開發(fā)積極性。因此設(shè)計(jì)了一種新款微型電動(dòng)乘用車Epsilon兼具很高的安全性和輕型車結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)之初按照M0級(jí)設(shè)計(jì)，以填補(bǔ)L7e與M1車輛之間車型段的空缺。并在項(xiàng)目開始時(shí)確定了下列規(guī)范：

(1)單位里程電耗小于80 Wh/km；

(2)汽車質(zhì)量小于600 kg；

(3)0～100 km/h加速時(shí)間小于10 s；

(4)電動(dòng)車行駛里程大于150 km；

(5)在按NCAP為規(guī)范的碰撞試驗(yàn)中評(píng)為四星級(jí)。

2 車輛方案的開發(fā)

開發(fā)過程中，F(xiàn)iat技術(shù)中心(CRF)進(jìn)行了市場(chǎng)分析和用戶調(diào)研，確定了用戶對(duì)微型電動(dòng)車主要用于上班及閑暇之余使用，要求行駛安全性及舒適性，特別是要考慮到充電時(shí)間短，并具有足夠的行駛里程，以及適用于城市的運(yùn)載能力。同時(shí)在詳細(xì)的用戶調(diào)查中，已確認(rèn)了運(yùn)載4人的運(yùn)輸容量及可變的行李艙裝載空間等設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)城市交通運(yùn)輸中的用戶需求，考慮較低的實(shí)際購(gòu)置成本和維護(hù)保養(yǎng)成本，以此推斷出最小輕型車方案的設(shè)計(jì)要求。

首先，根據(jù)設(shè)計(jì)要求開發(fā)車輛外形。圖1示出了2個(gè)適合于95%體形的男性和5%體形的女性的裝載容量方案。該車輛外形方案呈現(xiàn)出較小的基本尺寸、較低的車輛重心和后橋上緊湊的動(dòng)力總成，其特點(diǎn)是駕駛員與副駕駛員座位在車輛長(zhǎng)度方向上錯(cuò)位15 cm，高效利用了車內(nèi)空間，有效減小了車輛寬度，而且駕駛員后方的第三個(gè)人能有充分放置腿部的空間。在設(shè)計(jì)開始時(shí)就調(diào)整好車輛外形方案，在后續(xù)的設(shè)計(jì)過程中為整車開發(fā)預(yù)留了結(jié)構(gòu)空間，這樣就能進(jìn)行動(dòng)力裝置、底盤和白車身(BiW)等總成的平行設(shè)計(jì)，并被整合在1個(gè)整車虛擬模型中。這種車輛方案的重要技術(shù)數(shù)據(jù)匯總于表1。

圖1 車輛裝載容量方案

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和被動(dòng)可靠性

為了滿足具有挑戰(zhàn)性的輕量化和安全性的開發(fā)目標(biāo)，為車身開發(fā)選擇了1種整體輕量化的結(jié)構(gòu)型式，兼顧了布局優(yōu)化、功能集成的設(shè)計(jì)理念，并從幾何學(xué)角度發(fā)揮材料潛力來減輕質(zhì)量。在布局優(yōu)化方面，針對(duì)碰撞情況和靜態(tài)負(fù)荷狀況分析了基于車輛外形方案的結(jié)構(gòu)空間，以便查明車身主要負(fù)載路徑上的最佳材料分配，其優(yōu)化結(jié)果用作BiW設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。圖2示出了碳素纖維增強(qiáng)塑料(CFK)和鋁混合結(jié)構(gòu)型式空間框架車身的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，又稱為CFK-Al空間框架。

表1 epsilon微型電動(dòng)車方案技術(shù)數(shù)據(jù)

圖2 CFK-Al空間框架

前車、側(cè)檻變形件和后緩沖裝置都用鋁擠壓型材制成，而CFK多腔型材則是采用Axon Automotive公司專利制造工藝方法制成的，其中各個(gè)腔室都由碳素纖維編織層包裹的泡沫塑料芯構(gòu)成。這種CFK空間框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用尺寸為60 mm×60 mm或60 mm×120 mm的標(biāo)準(zhǔn)化型材橫斷面。通過使用標(biāo)準(zhǔn)化型材橫斷面的沖壓模具降低了成本。這種CFK空間框架結(jié)構(gòu)用蒙板密封，同時(shí)與CFK型材粘合，形成了結(jié)構(gòu)接合件。外部蒙板塑造出車輛外形，但是在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮到其對(duì)車身機(jī)械性能的影響。

圖3 碰撞試驗(yàn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷

圖4 碰撞前后和變形過程期間試驗(yàn)車輛和模擬模型

車身開發(fā)是本身質(zhì)量達(dá)到600 kg，滿足歐洲NCAP和美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)(FMVSS)安全性規(guī)定的關(guān)鍵因素。對(duì)于BiW設(shè)計(jì)，包括BiW、車門和門鎖零件、外部蒙板及車窗玻璃和裝配件在內(nèi)的極限質(zhì)量為210 kg。為了達(dá)到該目標(biāo)，借助于有限元模擬針對(duì)扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力及圖3所示的動(dòng)態(tài)負(fù)荷狀況來設(shè)計(jì)BiW。從最大侵入程度和加速度方面來評(píng)定這些試驗(yàn)結(jié)果。Autoliv公司根據(jù)計(jì)算的加速度曲線設(shè)計(jì)了乘客安全帶回拉系統(tǒng)，而且還由Graz理工大學(xué)汽車安全性研究所分析了行人保護(hù)。在這些試驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，按照歐洲NCAP進(jìn)行評(píng)定，期望能達(dá)到四星級(jí)要求。為了保證模擬計(jì)算結(jié)果的正確性，Graz理工大學(xué)汽車安全性研究所，按照歐洲NCAP進(jìn)行50 km/h速度和100%覆蓋堅(jiān)硬障礙物真實(shí)整車碰撞試驗(yàn)。碰撞試驗(yàn)車輛包括CFK-Al空間框架結(jié)構(gòu)、底盤以及動(dòng)力總成模擬系統(tǒng)和牽引蓄電池及重要封裝部件，使得該試驗(yàn)車輛總質(zhì)量為600 kg，并附加設(shè)置了75 kg重的H3假人(代表平均體重條件下的男性駕駛員)。圖4示出了碰撞前后和變形過程期間試驗(yàn)車輛和模擬模型的狀況。通過模擬和真實(shí)試驗(yàn)之間的幾何學(xué)比較，表明了鋁前車結(jié)構(gòu)變形特性具有良好的一致性。CFK空間框架結(jié)構(gòu)形成了1個(gè)可靠的安全盒，在試驗(yàn)和模擬中僅呈現(xiàn)出最小的侵入程度。因此這些物理試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了模擬計(jì)算結(jié)果，并表明未來的M0級(jí)微型車具有可靠安全的車輛結(jié)構(gòu)，為行人保護(hù)提供了良好的理論基礎(chǔ)。

4 示范車輛

在虛擬車輛開發(fā)的基礎(chǔ)上建造了1輛可供行駛的樣車(圖5)。車輛外形在緊湊的尺寸條件下顯示出一種獨(dú)特設(shè)計(jì)。為了建造樣車，首先開發(fā)了動(dòng)力總成系統(tǒng)，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)，同時(shí)建造車身，并完成車體裝飾和內(nèi)飾，此外還使用了量產(chǎn)車的零部件，例如底盤部件、動(dòng)力總成部件以及暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)。另外，還為樣車開發(fā)了容量為15.6 kW·h的空氣冷卻蓄電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備了Panasonic公司生產(chǎn)的1 530個(gè)18650PF型蓄電池單元(102組串聯(lián)，15組并聯(lián))，運(yùn)行電壓為367 V。100 mm厚的地板下蓄電池裝置與較小的車體寬度相結(jié)合能達(dá)到較小的1.8 m2正面面積。為了盡可能縮短充電時(shí)間，除了交流電接頭之外還考慮了直流電接頭，這樣就能在25 min內(nèi)使800 V和24 kW的蓄電池電量從15%快速充電到80%。

圖5 可供行駛的樣車

5 結(jié)論和展望

Epsilon車輛方案顯示了輕型、安全、高效的微型電動(dòng)車專門用于城市交通具備的潛力，并填補(bǔ)了L7e與M1級(jí)車型之間的空缺。特別是通過輕量化和安全性具佳的CFK-Al空間框架結(jié)構(gòu)，不僅在理論上，而且通過樣車碰撞試驗(yàn)已證實(shí)了這種車型的安全性。在虛擬設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，還制造了可供行駛的樣車。在后續(xù)工作過程中，將進(jìn)行行駛試驗(yàn)和效率測(cè)試。此外，還將公開展示該車輛的道路試驗(yàn)情況，并進(jìn)行詳細(xì)的用戶使用研究，促使市場(chǎng)接受從而投產(chǎn)這類車型。

[1] N N. World urbanization prospects[R]. United Nations：Department of Economic and Social Affairs，2014.

[2] N N. Verordnung (EG) Nr. 443/2009 des europ?ischen parlaments und des rates[R]. Europ?ische Union，2009.

[3] N N. A new era, accelerating toward 2020 - an automotive industry transformed[R]. Deloitte Touche Tohmatsu Ltd，2009.

[4] Winterhoff M. Zukunft der mobilit?t 2020 - die automobilindustrie im umbruch?[R]. Arthur D. Little，2009.

[5] Joh?nning K. Infrastruktur elektrofahrzeuge - nutzungspotentiale für den elektro-pkw[C]. Internationales Verkehrswesen，2011，7.

[6] N N. Elektromobilit?t und sicherheit[R]. Positionspapier，VDI，2013.

[7] N N. Sicherheit von vierr?drige leicht- kraftfahrzeugen[OL]. http://www.euroncap.com/de/.fahrzeugsicherheit/sicherheitskampagnen/2014-sicherheit-von-vierraedrige-leichtkraftfahrzeuge/Euro NCAP，2014.

[8] N N.Sicherheit von leichtkraftfahrzeugen[OL]. http://www.euroncap.com/de/fahrzeugsicherheit/ sicherheitskampagnen/2016-sicherheit-von-leicht-kraftfahrzeugen/Euro NCAP，2016.