張子峰 付宏勛 李亞龍

摘 要：汽車架構(gòu)作為生產(chǎn)汽車的基礎(chǔ)，一個(gè)好的電動(dòng)汽車架構(gòu)，具有良好的拓展性與模塊化設(shè)計(jì)，柔性化電動(dòng)汽車架構(gòu)開發(fā)能有效地降低企業(yè)后續(xù)研發(fā)費(fèi)用及整車成本，對(duì)產(chǎn)品的開發(fā)具有重要意義。通過分析現(xiàn)有電動(dòng)汽車的架構(gòu)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為電動(dòng)汽車架構(gòu)規(guī)劃提供參考建議。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;設(shè)計(jì)架構(gòu);擴(kuò)展性;模塊化設(shè)計(jì);發(fā)展趨勢

中圖分類號(hào)：F426.471 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.01.005

Abstract： Automobile platform is the basis of automobile production. A good electric vehicle platform has good extensible form and building block design. The development of flexible electric vehicle platform can effectively reduce the cost of subsequent research and development of enterprises and the cost of the whole vehicle. It is of great significance to the development of products. This paper analyzes the current situation and development trend of electric vehicle platform， and provides some reference suggestions for electric vehicle platform planning.

Keywords： electric vehicle; design platform; extensible form; building block design; trend in development

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，市場需求不斷轉(zhuǎn)變。新能源汽車尤其是純電動(dòng)汽車作為新起之秀，正在逐步吸引大眾的眼球，又因兼顧環(huán)保、節(jié)能與強(qiáng)勁的動(dòng)力優(yōu)勢，在汽車領(lǐng)域?qū)?huì)取代傳統(tǒng)的燃油型汽車成為今后最理想的交通工具[1]。目前，雖然市場銷售的一些純電動(dòng)汽車小有翹楚，但此類純電動(dòng)汽車多是在傳統(tǒng)燃油汽車基礎(chǔ)之上變型而來，存在劣勢。隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，新能源汽車不斷推陳出新，不再僅僅局限于交通工具，而且還應(yīng)具備靚麗的外觀、時(shí)尚的氣息，還應(yīng)配置豐富的人性化設(shè)計(jì)以滿足大眾各種需求。而由傳統(tǒng)汽車改造而來的純電動(dòng)汽車由于各種因素的限制，難以滿足大眾多樣化的要求。

近幾年來，在國家相關(guān)部門和政策的大力扶持下，我國純電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展舉世矚目，年銷量突破50萬輛，在全球穩(wěn)居第一位[2]。2017年9月，國家頒布了《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》，簡稱雙積分政策，此雙積分政策提出2019年乘用車企業(yè)新能源積分占比需達(dá)到10%。為緊跟國家雙積分政策要求，車企紛紛大力投入研發(fā)電動(dòng)汽車架構(gòu)資金，計(jì)劃在2020年以后上市的新能源電動(dòng)汽車均基于專用架構(gòu)開發(fā)。因此，電動(dòng)汽車可擴(kuò)展式架構(gòu)的研究對(duì)于支撐車企產(chǎn)品投放全球具有關(guān)鍵性作用與意義。筆者根據(jù)現(xiàn)今國內(nèi)外電動(dòng)汽車架構(gòu)的發(fā)展提供策略，對(duì)今后的電動(dòng)汽車可擴(kuò)展式架構(gòu)提出觀點(diǎn)。

1 概述

1.1 基本定義

電動(dòng)汽車可擴(kuò)展式架構(gòu)由車企研發(fā)部門設(shè)計(jì)以適用于生產(chǎn)不同款型汽車的產(chǎn)品，由同一架構(gòu)生產(chǎn)的不同款型汽車具有基本相同的結(jié)構(gòu)要素，車企從研發(fā)到生產(chǎn)制造過程中的研發(fā)方案、配置基礎(chǔ)、制造工藝、生產(chǎn)流程與汽車關(guān)鍵零部件及其質(zhì)量控制成為一套完整的體系。簡而言之，可擴(kuò)展式[3]架構(gòu)可以同時(shí)承載多種款型汽車的研發(fā)和生產(chǎn)制造，其生產(chǎn)的產(chǎn)品在外觀和使用性能上都具有各自特色。由同一架構(gòu)生產(chǎn)的多款汽車共用一種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將汽車模塊化組合，模塊化組合的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)生產(chǎn)，車企根據(jù)不同樣式的車型將子系統(tǒng)進(jìn)行模塊化組合，從而生產(chǎn)不同樣式的汽車產(chǎn)品。

1.2 電動(dòng)汽車可擴(kuò)展式架構(gòu)的組成

電動(dòng)汽車可擴(kuò)展式架構(gòu)由底盤、低壓系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)組成。底盤是由懸架系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、地板構(gòu)成，是傳統(tǒng)意義上的電動(dòng)汽車可擴(kuò)展式架構(gòu)，如圖1所示。低壓系統(tǒng)是由點(diǎn)火開關(guān)與搭鐵、燈光系統(tǒng)、車身用電器控制單元、空調(diào)管制系統(tǒng)構(gòu)成。高壓系統(tǒng)由三大電、三小電及高壓線束組成[4]。其中三大電是指電池包、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器，是電動(dòng)汽車架構(gòu)高壓系統(tǒng)的重點(diǎn)及核心技術(shù)，三小電是指電助力、電剎車、電空調(diào)。高壓線束是指連接三大電、三小電之間的高壓線。架構(gòu)的開發(fā)初期重點(diǎn)考慮柱碰與側(cè)碰工況，此兩種工況涉及車身上部結(jié)構(gòu)，顧此處不予考慮[5]。

1.2.1 電動(dòng)汽車可擴(kuò)展式架構(gòu)策略

現(xiàn)今市場的電動(dòng)汽車底盤分為兩大策略：第一類是傳統(tǒng)改造型策略，即在傳統(tǒng)型新能源汽車上進(jìn)行改造;第二類是全新設(shè)計(jì)型策略，使電池包融于底盤的總體全新開發(fā)。

第一大類由傳統(tǒng)新能源汽車改造的電動(dòng)車底盤最大的變動(dòng)點(diǎn)則是地板，其特點(diǎn)是一方面表現(xiàn)在車身局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化，主要體現(xiàn)在汽車安全性，另一方面表現(xiàn)在對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的局部改造、調(diào)校、注定等，主要體現(xiàn)在汽車零部件的通用性。但此類改造存在弊端如下：①汽車地板與汽車底盤限制電池包的尺寸大小;②由于電池包尺寸與位置的限制，在一定的能量密度條件下，總的電池包電量將會(huì)受到限制，則進(jìn)一步影響電動(dòng)汽車的實(shí)際續(xù)航里程;③共享性與輕量化特性差，汽車軸距與輪距的變化將導(dǎo)致電池包不能共享同系車型;④內(nèi)部空間和舒適性受限。

第二大類做成全新專用的電動(dòng)汽車底盤則具有如下優(yōu)勢：①極強(qiáng)的可擴(kuò)展性;②不需反復(fù)研發(fā)新的模組以適應(yīng)因汽車軸距與輪距的變化導(dǎo)致電池包的長短變化;③輕量化的設(shè)計(jì)，重心低，汽車操縱穩(wěn)定性能好;④利于傳動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換。其弊端則是全新的設(shè)計(jì)投入研發(fā)資金過大。

電動(dòng)汽車架構(gòu)有新架構(gòu)與舊架構(gòu)兩種存在形式，兩種存在形式與兩大策略進(jìn)行組合便形成電動(dòng)車可擴(kuò)展式架構(gòu)全新的研發(fā)方案，如圖2所示。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球各大車企都在積極研發(fā)可擴(kuò)展式架構(gòu)，并且很多優(yōu)秀車企對(duì)可擴(kuò)展式架構(gòu)的研發(fā)取得了一定的成就。如表1介紹全球各地區(qū)典型四家車企的可擴(kuò)展式架構(gòu)。

2.1 大眾MEB架構(gòu)

2018年大眾集團(tuán)推出MEB模塊化電驅(qū)動(dòng)可擴(kuò)展式架構(gòu)，如圖3所示，表2為MEB架構(gòu)概念車參數(shù)。MEB可擴(kuò)展式架構(gòu)主要有以下特點(diǎn)：①M(fèi)EB架構(gòu)搭載的模塊化電池組可擴(kuò)展，能夠增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程;②MEB架構(gòu)前部無需預(yù)留內(nèi)燃機(jī)位置，前后車軸可大幅向遠(yuǎn)端移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更長的軸距和更短的前后懸掛，方便設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)更具動(dòng)感的車身比例;③可擴(kuò)展的架構(gòu)也支持開發(fā)多種車型的車身，從車型種類來說，覆蓋從轎車、SUV到MPV等多種車型，車輛的驅(qū)動(dòng)形式則包括后驅(qū)和四驅(qū);④MEB架構(gòu)車型還將擴(kuò)展搭載更多車載設(shè)備，如輔助駕駛系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)和控制與顯示系統(tǒng)等。

2.2 奔馳EVA架構(gòu)

奔馳這款全新電動(dòng)模塊化可擴(kuò)展式架構(gòu)被稱為EVA （Electric Vehicle Architecture）可擴(kuò)展式架構(gòu)，如圖4所示。

奔馳EVA可擴(kuò)展式架構(gòu)有以下特點(diǎn)：①動(dòng)力方面，架構(gòu)可支持后驅(qū)和四驅(qū)布局，其中后驅(qū)布局將采用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪，最大功率將達(dá)到408 馬力，而四驅(qū)布局則采用雙電機(jī)，前后軸各布置一臺(tái)，可以產(chǎn)生122～204 馬力的最大功率;②架構(gòu)支持?jǐn)U展懸架的適應(yīng)性，自適應(yīng)懸架的作用是通過手動(dòng)或車輛自動(dòng)改變懸架的高低、軟硬以適應(yīng)不同路面的行駛需求;③架構(gòu)支持?jǐn)U展動(dòng)能回收系統(tǒng)，其通過技術(shù)手段將車身制動(dòng)能量存儲(chǔ)起來，并在賽車加速過程中將其作為輔助動(dòng)力釋放利用。

2.3 沃爾沃SPA架構(gòu)

2011年沃爾沃公司推出的SPA（Scalable Platform Architecture）可擴(kuò)展式架構(gòu)，如圖5所示，表3為SPA架構(gòu)參數(shù)。

SPA可擴(kuò)展式架構(gòu)主要有以下特點(diǎn)：①概念上，SPA可擴(kuò)展式架構(gòu)意味著除了前軸到乘員艙之間的尺寸不可更改，其他任何一個(gè)部分，包括長度、寬度和高度都是可變化的，增大自由度，整車架構(gòu)尺寸可以按照不同車型的需求進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)（例如沃爾沃V60和S60及XC60）;②共享基本相同特征的底盤結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng);③動(dòng)力系統(tǒng)總質(zhì)量減少90 kg;④電氣設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)具有強(qiáng)擴(kuò)展性;⑤減少零部件的數(shù)量;⑥部件具有可擴(kuò)展性，關(guān)鍵位置材料可增加強(qiáng)度與剛度。

2.4 豐田TNGA架構(gòu)

2012年豐田公司推出的TNGA（Toyota New Global Architecture）可擴(kuò)展式架構(gòu)，如圖6所示，表4為TNGA架構(gòu)參數(shù)。豐田提出的TNGA架構(gòu)概念涵蓋車輛設(shè)計(jì)、汽車制造以及車輛組裝在內(nèi)的造車?yán)砟詈头椒ㄕ摰榷喾矫?，包含一整套造車流程?/p>

在具體造車方面表現(xiàn)為：①將復(fù)雜零散的生產(chǎn)單元?dú)w類整合;②TNGA可擴(kuò)展式架構(gòu)的零部件通用性提升至70%～80%;③TNGA可擴(kuò)展式架構(gòu)動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性的提升表現(xiàn)突出;④TNGA可擴(kuò)展式架構(gòu)的個(gè)性化內(nèi)外飾設(shè)計(jì)和車身結(jié)構(gòu);⑤在TNGA可擴(kuò)展式架構(gòu)框架下，豐田將開發(fā)三個(gè)細(xì)分底盤架構(gòu)：B（小型車）、C（中型車）和K（發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)中大型車）。

3 總結(jié)與展望

搭建模塊化架構(gòu)能夠幫助新能源車企快速降低生產(chǎn)成本，縮短開發(fā)周期，同時(shí)加快產(chǎn)品的更新速度，滿足用戶定制化要求。車型之間的通用性增強(qiáng)，在各個(gè)模塊單獨(dú)開發(fā)完成后，車企只需專注模塊間的組合，無需操心模塊內(nèi)部的問題，這使整車開發(fā)和后期驗(yàn)證的效率得以提高。因?yàn)椴捎眉軜?gòu)化生產(chǎn)后，可以在生產(chǎn)過程中根據(jù)市場需求不斷進(jìn)行改造，單次改造時(shí)間較短，從而加速新能源汽車的推陳出新。并且，架構(gòu)具有可擴(kuò)展式柔性改造特性[6]，柔性包含機(jī)械系統(tǒng)柔性和電氣系統(tǒng)柔性，設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)與功能上至少（但不限于）支持以下功能擴(kuò)展與升級(jí)：其一，機(jī)械轉(zhuǎn)向與線控轉(zhuǎn)向的切換;其二，被動(dòng)懸架升級(jí)為主動(dòng)懸架;其三，前輪轉(zhuǎn)向升級(jí)為四輪轉(zhuǎn)向。但是，將越來越多的車型放在同一架構(gòu)上，一旦產(chǎn)生設(shè)計(jì)缺陷，影響就可能波及到這個(gè)架構(gòu)所涵蓋的所有車型。

現(xiàn)階段也應(yīng)該適當(dāng)投入研發(fā)電動(dòng)汽車專用架構(gòu)，底盤直接考慮利用全鋁材料，把電池包與下地板融合在一起設(shè)計(jì)，為未來系列化開發(fā)及快速適應(yīng)市場做好鋪墊的同時(shí)，新的底盤架構(gòu)演變車型的軸距變化要結(jié)合電池包模組的尺寸，軸距變化的尺寸盡量適應(yīng)模組的寬度倍數(shù)變化，能夠有效地降低開發(fā)成本。首先，這種模式采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊確保生產(chǎn)統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并為廣泛適應(yīng)本企業(yè)旗下車型打下基礎(chǔ)，模塊化概念也可以快速響應(yīng)客戶的需求，其次，電池包外殼的尺寸、形狀及所用的模組數(shù)量可以按需適配于本企業(yè)的各款車型，最后，這種模式也有利于車輛輕量化開發(fā)。

一款新車型在總裝車間導(dǎo)入時(shí)，需要考慮多個(gè)方面的適用性，歸納起來可以分為三個(gè)方面：①總裝通過性，它是總裝制造可行性的先決條件;②總裝工藝排布的合理性，其決定了新技術(shù)和新方案在總裝生產(chǎn)制造的可行性;③工裝設(shè)備的適用性，它是達(dá)成生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)目標(biāo)的重要保證。這3個(gè)方面基本涵蓋了總裝車間在導(dǎo)入新車型時(shí)所要面對(duì)的所有問題。而對(duì)于一個(gè)全新架構(gòu)來說，除了要對(duì)導(dǎo)入的第一款車型綜合考慮以上三個(gè)方面外，還要預(yù)留新架構(gòu)作為后續(xù)車型導(dǎo)入的優(yōu)化空間，尤其是對(duì)于當(dāng)前新能源車型尚處于起步階段，在資源有限的情況下，總裝工藝的開發(fā)更要兼具柔性化[7]。

一個(gè)架構(gòu)不可能兼顧到所有級(jí)別車型，在做電動(dòng)車架構(gòu)規(guī)劃之前，需要先確定企業(yè)產(chǎn)品的布局、基本參數(shù)及動(dòng)力性需求。底盤需做好短期規(guī)劃及中長期規(guī)劃，短期規(guī)劃是作為一個(gè)過渡時(shí)期使用，一般是3～5年，部分總成部件考慮通用到中長期規(guī)劃的架構(gòu)中。中長期規(guī)劃是結(jié)合市場的趨勢，從戰(zhàn)略的角度從發(fā)，做好未來5～10年的規(guī)劃。目前，電動(dòng)車處于發(fā)展期，配套設(shè)施未完善，產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展未成熟，從市場角度，未來一段時(shí)間將仍然以燃油車為主，為保證企業(yè)正常銷量不受影響，規(guī)劃底盤時(shí)要考慮與現(xiàn)有車型共用性，短期內(nèi)以現(xiàn)有車型改制為主，在換代的車型上底盤盡量兼顧燃油車與電動(dòng)車共用。但是，由于電動(dòng)汽車開發(fā)周期較長，發(fā)展電動(dòng)汽車已經(jīng)提升到國家的戰(zhàn)略高度，汽車電動(dòng)化已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)，新能源汽車將成為未來[8]。

可擴(kuò)展式架構(gòu)和新能源汽車車型同步開發(fā)，并結(jié)合新工藝與新材料及車身輕量化的優(yōu)勢對(duì)未來車企發(fā)展具有重要意義[9]。

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