張海華 王鏑

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

近年來(lái)，隨著各國(guó)政府環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，以純電驅(qū)動(dòng)為代表的新能源車產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)。各大傳統(tǒng)車企和大量新興車企都投入了巨資進(jìn)行電動(dòng)車的研究開發(fā)，電動(dòng)車的總布置方案也已有較多研究[1]。電動(dòng)車用電池、電機(jī)、電控組成的三電系統(tǒng)替代了燃油車中的發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣管和油箱，因此對(duì)整車布置造成了較大的沖擊。而車身作為整車上安裝所有部件的主要結(jié)構(gòu)，受到的影響尤為明顯。文章將從布置和性能兩方面，對(duì)乘用車車身架構(gòu)從內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)到純電驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行闡述。

1 布置驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)車車身結(jié)構(gòu)變化

1.1 前艙結(jié)構(gòu)變化

前艙結(jié)構(gòu)主要是指乘客艙之前的所有部分，包括水箱框架、前縱梁、前輪罩、防火墻隔板和流水槽等系統(tǒng)。對(duì)于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說，在前艙需要占用較大的空間以保證安裝以及其在工作過程中的振動(dòng)空間。圖1 示出一款典型的緊湊型乘用車左前縱梁結(jié)構(gòu)。從圖1 可以看出，由于采用了橫置發(fā)動(dòng)機(jī)布置，在縱梁結(jié)構(gòu)上需要專門設(shè)計(jì)避讓空間，才能滿足動(dòng)力總成的空間需求。這樣的設(shè)計(jì)一方面不利于正面碰撞，需要額外的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部增強(qiáng)，另一方面也限制了諸如擠壓鋁等新型材料和工藝的使用。因此在傳統(tǒng)能源驅(qū)動(dòng)的車型中，只有輪距較大且采用縱置發(fā)動(dòng)機(jī)布置的高檔車型，才能保證前縱梁截面完整。

圖1 典型的緊湊型燃油車前縱梁動(dòng)力總成避讓結(jié)構(gòu)

電動(dòng)車所用的電動(dòng)機(jī)體積大為減小，如果是輪轂電機(jī)，則在前艙完全不占用空間。因此電動(dòng)車的動(dòng)力總成在前艙區(qū)域?qū)τ谲嚿斫Y(jié)構(gòu)空間的侵占現(xiàn)象獲得極大改善，大部分情況下可以保持完整的前縱梁截面，如圖2所示。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于汽車滿足正面碰撞性能需求有明顯的好處，同時(shí)使得即便是輪距較小的車型，也可以實(shí)現(xiàn)擠壓鋁合金在整條前縱梁上的應(yīng)用。

圖2 典型的電動(dòng)車前縱梁結(jié)構(gòu)

1.2 中部乘客艙結(jié)構(gòu)變化

中部乘客艙是乘用車中布置乘客的主要空間。在傳統(tǒng)能源乘用車的布置中，這部分主要考慮前排乘客的全部空間需求以及后排乘客的腳部空間需求，同時(shí)由于排氣管以及部分后驅(qū)或四驅(qū)的傳動(dòng)軸布置需求，在前地板會(huì)有一個(gè)中央通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。這樣的結(jié)構(gòu)斷開了前地板上的橫梁結(jié)構(gòu)，并不利于滿足汽車的側(cè)面碰撞性能，往往需要額外的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)來(lái)保證足夠的強(qiáng)度，如圖4所示。

圖3 帶有中通道的典型乘用車下車體結(jié)構(gòu)

圖4 連接地板橫梁的額外加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

由于純電動(dòng)車并不需要排氣系統(tǒng)和縱向布置的傳動(dòng)軸系統(tǒng)，因此省去了中央通道結(jié)構(gòu)，地板上的橫梁從左到右可以保持完整，如圖5所示。

圖5 擁有完整地板橫梁的典型電動(dòng)車下車體

由于當(dāng)前對(duì)電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程的需求越來(lái)越高（400～500 km），按目前電池的能量密度，電池包需要的體積遠(yuǎn)大于內(nèi)燃機(jī)車所用的油箱，因此最佳的位置是布置在乘客艙的地板下面，如圖6所示。目前幾乎所有市場(chǎng)上的電動(dòng)車都采用了這樣的方案。大部分燃油車在乘客艙下方有從前縱梁延伸過來(lái)的縱梁結(jié)構(gòu)，如圖7所示，該結(jié)構(gòu)在電動(dòng)車上和電池包空間產(chǎn)生了沖突。通常的做法是為前縱梁在前排乘客腳部位置設(shè)計(jì)過渡結(jié)構(gòu)，使之和門檻梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接，如圖8所示。

圖6 常見的電動(dòng)車電池布置方案

圖7 常見的燃油車車身底視圖

圖8 前縱梁連接到門檻結(jié)構(gòu)的電動(dòng)車車身底視圖

此外，電池包的這種布置方式導(dǎo)致了在人腳和地面之間增加了一段電池高度的距離。由于作為乘用車，車輛的通過性和乘客頭部空間需求都不能降低，因此電動(dòng)車的離地間隙和頭部間隙相對(duì)于燃油車來(lái)說并不能減少多少，其結(jié)果就是電池推動(dòng)乘員布置抬高，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)整車高度上升。而整車高度抬高一方面會(huì)增加汽車的迎風(fēng)面積，另一方面會(huì)導(dǎo)致外觀效果不流暢。為解決這些不利因素，目前工程上有3 種應(yīng)對(duì)手段：1）開發(fā)目標(biāo)車型選SUV 類的高頂車型，該類車型由于H 點(diǎn)較高，乘客艙結(jié)構(gòu)以下可以容納足夠的電池高度；2）采用全景天窗（全玻璃頂蓋）等新技術(shù)，盡量減少車頂?shù)筋^部的距離；3）增加汽車軸距，以便調(diào)整人體坐姿，降低人體所需要的整體高度，同時(shí)更大的軸距也能容納更大的電池以確保續(xù)航。例如特斯拉的一系列產(chǎn)品就充分運(yùn)用了上述3 種手段，即便是最小的Model 3 系列，其軸距也達(dá)到了2 845 mm，比奧迪A4 還要長(zhǎng)近50 mm。

1.3 后部艙室結(jié)構(gòu)變化

一般乘用車以第2 排乘員大腿中部為界，在該邊界之后的均屬于后部艙室。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車型來(lái)說，后部艙室包含第2 排乘員軀干部的空間和行李箱空間兩部分。車外則布置了油箱和后懸架等底盤零件。出于對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線的利用或和燃油車產(chǎn)品共線生產(chǎn)的考慮，當(dāng)前各大汽車生產(chǎn)商對(duì)于電動(dòng)車車身的設(shè)計(jì)都會(huì)考慮和其他現(xiàn)有產(chǎn)品的制造兼容[2]，然而由于電池體積較大，往往會(huì)向后延伸到常規(guī)的主定位孔區(qū)域。而電動(dòng)車在乘客艙區(qū)域高度方向空間緊張，電池包和地板鈑金之間沒有足夠的間隙設(shè)計(jì)定位銷插入結(jié)構(gòu)，因此車身主定位孔無(wú)法布置在乘客艙的地板下方，需要完全避讓開電池包才有合適的空間。在當(dāng)前電池技術(shù)和續(xù)航里程要求的情況下，配有較大電池的電動(dòng)車往往需要全新設(shè)計(jì)的主定位孔系統(tǒng)，而不能沿用燃油車的主定位孔系統(tǒng)，圖9 示出電動(dòng)車主定位孔結(jié)構(gòu)布置位置。

圖9 電動(dòng)車主定位孔結(jié)構(gòu)布置位置

另一方面，由于電動(dòng)車沒有縱向布置的傳動(dòng)軸，且所用的電機(jī)體積遠(yuǎn)小于內(nèi)燃機(jī)，因此對(duì)于有后驅(qū)或四驅(qū)需求的車型，很容易在后艙室下面直接布置一個(gè)電機(jī)，用以驅(qū)動(dòng)后輪。這樣就會(huì)造成行李艙區(qū)域的地板拱起，影響到備胎的布置并且減小行李艙空間，如圖10所示。這一部分的損失可以通過在前艙設(shè)置第2 個(gè)行李艙進(jìn)行一定程度的彌補(bǔ)。

圖10 后驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)后艙地板鈑金的影響

2 性能驅(qū)動(dòng)的純電驅(qū)動(dòng)車車身結(jié)構(gòu)變化

2.1 正面碰撞

由于電池是易燃易爆品，目前各國(guó)法規(guī)對(duì)于電動(dòng)車在碰撞過程中電池的受損程度均有限制。正面碰撞工況分為正面剛性墻碰撞、正面40%重疊偏置碰撞和正面25%重疊偏置碰撞3 種。對(duì)于前2 種工況，電動(dòng)車和燃油車在設(shè)計(jì)和要求方面均沒有太大的差別，兩者都是圍繞減少乘員傷害進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。相對(duì)而言，由于電動(dòng)車的動(dòng)力總成體積比內(nèi)燃機(jī)車小很多，因此正面碰撞性能設(shè)計(jì)更為容易。然而在最近越來(lái)越多的國(guó)家所實(shí)行的正面25%重疊偏置碰撞工況下，電動(dòng)車會(huì)經(jīng)常遇到的一個(gè)問題就是在乘員所受到的傷害超標(biāo)之前，電池包受到的結(jié)構(gòu)入侵已經(jīng)超過了法規(guī)許可，如圖11所示。

圖11 25%重疊偏置碰撞工況下電池包結(jié)構(gòu)入侵示意圖（底視圖）

根據(jù)SAE 定義的電池機(jī)械沖擊要求，鋰電池在高級(jí)別的沖擊作用下不能發(fā)生爆炸或起火的極端工況。這就意味著，在該工況下，電動(dòng)車對(duì)于電池的保護(hù)需求超過了對(duì)于乘員的保護(hù)需求。針對(duì)容易變形而損害電池的區(qū)域，需要額外增加加強(qiáng)零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，如圖12所示。

圖12 電池前方保護(hù)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

2.2 側(cè)面碰撞

側(cè)面碰撞工況包含壁障臺(tái)車碰撞和側(cè)面柱撞（如圖13所示）2 種。

圖13 電動(dòng)車側(cè)面柱撞工況

對(duì)于壁障臺(tái)車碰撞工況，由于壁障較大，碰撞載荷分散，門檻梁可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車電池的有效保護(hù)，因而電動(dòng)車的設(shè)計(jì)和要求都和內(nèi)燃機(jī)車接近，即圍繞減少乘員傷害進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然而對(duì)于側(cè)面柱撞工況，由于碰撞載荷集中，門檻結(jié)構(gòu)受到的破壞和入侵較為嚴(yán)重，于是類似25%重疊偏置碰撞工況中遇到的情況，在乘員受到傷害之前，電池受到的結(jié)構(gòu)入侵已經(jīng)超過了法規(guī)許可。因此電動(dòng)車針對(duì)側(cè)面柱撞的設(shè)計(jì)就主要圍繞如何保護(hù)電池而進(jìn)行。為此電動(dòng)車對(duì)于門檻區(qū)域往往采用各種額外加強(qiáng)手段。如果電池體積許可，會(huì)在門檻和電池包之間再設(shè)計(jì)1 根梁結(jié)構(gòu)，如圖14所示。如果缺乏足夠空間，則會(huì)在門檻結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)計(jì)特殊的加強(qiáng)板，如圖15所示。

圖14 雙側(cè)梁結(jié)構(gòu)布局的電動(dòng)車架構(gòu)

圖15 電動(dòng)車門檻加強(qiáng)板總成結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

一款乘用車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)歸根到底服務(wù)于2 個(gè)方面的需求：對(duì)內(nèi)是滿足人機(jī)布置的需求，對(duì)外是滿足底盤、造型和動(dòng)力總成的需求。電動(dòng)車在動(dòng)力總成形式上相對(duì)于燃油車有了徹底的變化，而在人機(jī)的需求、行駛系的需求和造型的需求方面和燃油車依然是相近甚至是一致的。此外，由于當(dāng)前電池技術(shù)水平發(fā)展的限制，電池包的尺寸往往都是盡可能地做大以滿足較長(zhǎng)行駛里程的設(shè)計(jì)要求，以至于可以接近燃油車?yán)m(xù)航里程水平的純電動(dòng)乘用車在尺寸上都達(dá)到了傳統(tǒng)意義的豪華車水準(zhǔn)。這些特點(diǎn)使得電動(dòng)車的車身結(jié)構(gòu)既可以借鑒燃油車車身的部分思路，又需要針對(duì)電池包進(jìn)行專門的保護(hù)或承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。未來(lái)隨著電池密度的增加以及電池包體積的縮小，電動(dòng)車車身會(huì)回到燃油車車身的最大化緊湊狀態(tài)，甚至更進(jìn)一步出現(xiàn)其他新形式的演化。