于忠娟，劉寶新，陸恒

淺談新能源純電動(dòng)車(chē)白車(chē)身結(jié)構(gòu)的分類(lèi)與發(fā)展

于忠娟1，劉寶新2，陸恒1

（1.安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心車(chē)身設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230601；2.安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司，安徽 合肥 230088）

文章首先著重論述了新能源純電動(dòng)車(chē)在車(chē)體結(jié)構(gòu)方面的分類(lèi)，接著闡述了續(xù)駛里程的增加和輕量化需求，最后論述車(chē)體結(jié)構(gòu)的發(fā)展里程及純電動(dòng)車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。

純電動(dòng)車(chē)；白車(chē)身

前言

新能源汽車(chē)作為汽車(chē)工業(yè)新時(shí)代發(fā)展的“至高點(diǎn)”，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展將帶來(lái)交通能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、城市空氣污染減少等方面的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的直接推動(dòng)力就是國(guó)家的相關(guān)政策扶植，近幾年國(guó)家也明顯加大了電動(dòng)汽車(chē)的推廣力度。電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程也由100 km向600 km的趨勢(shì)發(fā)展。2010－2013年基本為國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)發(fā)展的起步期，電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程僅為100～150 km；2013－2014年電池的容量與種類(lèi)有一定的發(fā)展，續(xù)駛里程提升到150～200 km；2015－2017年車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了革新，提供更多的空間給予電池模組進(jìn)行布置，續(xù)駛里程達(dá)到了200～300 km；2018年隨著電池的升級(jí)換代及車(chē)體采用平臺(tái)化設(shè)計(jì)，續(xù)駛里程已達(dá)到400～600 km以上。如下圖1所示：

圖1 純電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程的發(fā)展

根據(jù)電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛歷程的變化，電池有不同的類(lèi)型，這也產(chǎn)生了不同的車(chē)體結(jié)構(gòu)。再是輕量化是電動(dòng)車(chē)減排效益最大化的重要手段之一，在白車(chē)身設(shè)計(jì)時(shí)其具有重要的意義。所以根據(jù)材料輕量化方面考慮又分為不同的車(chē)體結(jié)構(gòu)。下面進(jìn)行說(shuō)明介紹。

1 根據(jù)電池形式車(chē)體結(jié)構(gòu)分類(lèi)

前期設(shè)計(jì)的電動(dòng)車(chē)基本在燃油車(chē)基礎(chǔ)上進(jìn)行的改造設(shè)計(jì)，上車(chē)體借用燃油車(chē)，下車(chē)體結(jié)合電動(dòng)車(chē)底盤(pán)自身特點(diǎn)進(jìn)行匹配性改造。目前多采用兩種電池結(jié)構(gòu)形式：分離式電池和一體式電池。所以白車(chē)身的結(jié)構(gòu)分類(lèi)以電池的結(jié)構(gòu)為劃分的依據(jù)下，與之匹配車(chē)體結(jié)構(gòu)就有匹配分離式電池的與匹配一體式電池的兩種類(lèi)型白車(chē)身。

分離式電池也存在不同的布置形式，第一種是一代電動(dòng)車(chē)，由于設(shè)計(jì)的電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程較短，電池的分塊設(shè)計(jì)尺寸也較?。ê蟮匕逑虏颗c后備箱兩部分）。再加上處于純電動(dòng)車(chē)的初步發(fā)展階段。電動(dòng)車(chē)是在某款基本型基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝的。以同悅電動(dòng)車(chē)型為例，共安裝兩塊梯形的電池結(jié)構(gòu)，一塊在后排座椅下面，一塊在后備箱（將備胎池改裝而成），使得電池重量沒(méi)有完全集中于后備箱，亦給后備箱留下了足夠的空間，如圖2所示。

圖2 匹配分離式電池的白車(chē)身結(jié)構(gòu)形式一

第二種由于電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程的需要與基礎(chǔ)車(chē)型尺寸的限制，電池分為兩個(gè)部分（整個(gè)地板下部與后備箱部分）。此種車(chē)型雖然在續(xù)駛里程上有較大提升，但在電池布置上，其中一塊放置在后備箱內(nèi)，如此在尾碰時(shí)有較大風(fēng)險(xiǎn)。為保證電池免受碰撞損傷，在車(chē)體結(jié)構(gòu)上需設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)，車(chē)體的成本及重量大大增加。

圖3為匹配分離式電池相應(yīng)的車(chē)體結(jié)構(gòu)，但分離式電池在行業(yè)內(nèi)用的較少，較多采用一體式電池。匹配一體式電池的車(chē)型由電池框架和車(chē)身框架兩方面組成，有效地提升牢固性和可靠性；通過(guò)連接部件，對(duì)電池從前到后外輪廓設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)。此雙向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，對(duì)車(chē)身的整體性能更有利。地板結(jié)構(gòu)改變主要集中在前地板和中地板處，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量考慮與傳統(tǒng)車(chē)共平臺(tái)，降低成本。

從圖4可以看出，傳統(tǒng)車(chē)為單一加強(qiáng)，電動(dòng)車(chē)為雙向加強(qiáng)，對(duì)車(chē)身的整體性能更有利。

圖4 匹配一體式電池的白車(chē)身結(jié)構(gòu)形式

2 根據(jù)材料車(chē)體結(jié)構(gòu)分類(lèi)

整車(chē)質(zhì)量與續(xù)駛里程成反比例關(guān)系，重量越大續(xù)駛里程越短。為了提升電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程，輕量化便顯得尤為重要。輕量化的手段分為結(jié)構(gòu)輕量化、材料輕量化和工藝輕量化。材料輕量化是利用輕質(zhì)材料替代原來(lái)的鈑金材料。如此便產(chǎn)生了不同材料的車(chē)體結(jié)構(gòu)。所以電動(dòng)車(chē)車(chē)體分為全鋁白車(chē)身、鋼制白車(chē)身、鋼鋁混合白車(chē)身、鋼鋁碳混合白車(chē)身。

第一種全鋁白車(chē)身，此類(lèi)車(chē)型代表款有Model S。全鋁車(chē)身顧名思義白車(chē)身的主要材料使用的鋁合金。鋁合金能夠?qū)崿F(xiàn)30%的減重，但是在一些影響碰撞性能的部件上還是采用的高強(qiáng)度鋼或超高強(qiáng)度鋼，也就是全鋁沖壓車(chē)身只是鋁合金的占比較高，很難達(dá)到100%的純鋁車(chē)身。一般定義鋁合金比例60%以上便為全鋁白車(chē)身[1]。

圖5 Model S

第二種全鋼沖壓白車(chē)身，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)諸多車(chē)型采用的此種結(jié)構(gòu)形式。車(chē)型投入成本低，在輕量化方面主要從結(jié)構(gòu)、板材厚度、配置精簡(jiǎn)等方面實(shí)現(xiàn)減重。此類(lèi)車(chē)型較多，在此以江淮iC5為代表。

圖6 江淮iC5

第三種鋼鋁混合白車(chē)身，此類(lèi)車(chē)為鋼板與鋁合金搭接而成的白車(chē)身[2]。鋁合金比例20%～60%，鋁合金區(qū)域連接上主要以鉚接+膠接為主。它具有安全、重量輕、強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、高拓展性等諸多特點(diǎn)，此類(lèi)車(chē)型代表款有Model 3。

圖7 Model 3

第四種鋼鋁碳混合白車(chē)身，以鋼為主要材料，融合鋁、碳纖維進(jìn)行多材料混合設(shè)計(jì)。對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，已逐漸由中高端車(chē)向平價(jià)車(chē)延伸、由概念展示向量產(chǎn)應(yīng)用轉(zhuǎn)化、由覆蓋件/裝飾件向結(jié)構(gòu)件/功能件轉(zhuǎn)變[3]。目前寶馬i3、i8將碳纖維作為主要材料，打造替代車(chē)身的模塊，減重效果顯著，多廠家碳纖維覆蓋件已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。此類(lèi)車(chē)型代表款寶馬i3。

圖8 寶馬i3

3 純電動(dòng)車(chē)白車(chē)身結(jié)構(gòu)的發(fā)展

在國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)發(fā)展初期，已量產(chǎn)的主流純電動(dòng)轎車(chē)以傳統(tǒng)燃油車(chē)改制為主，這樣開(kāi)發(fā)車(chē)型投入的成本較低，在電動(dòng)車(chē)發(fā)展的起步期是非常適用的。但也存在限制電池布置空間的缺點(diǎn)。為了保證電池在碰撞過(guò)程中沒(méi)有受力變形，在框架結(jié)構(gòu)上做的也較為復(fù)雜，可稱(chēng)之為第一代電動(dòng)車(chē)白車(chē)身。

隨著對(duì)續(xù)駛里程提升需求，進(jìn)一步對(duì)原下車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在前縱梁后部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，傳遞路徑由“人”字型向后傳遞改為直接傳遞到門(mén)檻上。簡(jiǎn)化了骨架結(jié)構(gòu)。同時(shí)給電池提供了更多的空間進(jìn)行布置，從而提升續(xù)駛里程。這便產(chǎn)生了第二代電動(dòng)車(chē)白車(chē)身。

圖9 第一代電動(dòng)車(chē)白車(chē)身

圖10 第二代電動(dòng)車(chē)白車(chē)身

由于油改電平臺(tái)上設(shè)計(jì)的電動(dòng)車(chē)，下車(chē)身的框架設(shè)計(jì)受到傳統(tǒng)車(chē)結(jié)構(gòu)、電池框架、成本及輕量化限制等多重約束。隨著電動(dòng)車(chē)行業(yè)發(fā)展，對(duì)于電動(dòng)車(chē)的白車(chē)身要求越來(lái)越趨于專(zhuān)用化設(shè)計(jì)，而不是簡(jiǎn)單地在燃油車(chē)基礎(chǔ)上進(jìn)行改制?？紤]到客戶(hù)對(duì)電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程有不同的需要，兼顧考慮開(kāi)發(fā)成本最低化，在后期的電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)時(shí)便以全新的平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。如圖11所示。

圖11 第三代電動(dòng)車(chē)白車(chē)身

圖12 電動(dòng)車(chē)模塊化平臺(tái)

第三代電動(dòng)車(chē)白車(chē)身具備兩個(gè)特點(diǎn)，其一是白車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化，鉸接點(diǎn)處具有較高的剛度；其二是為電動(dòng)車(chē)專(zhuān)屬平臺(tái)化設(shè)計(jì)，圍繞電池組進(jìn)行布局，電池組、電機(jī)等核心組件均設(shè)定固定的位置打造不同車(chē)身軸距，不同續(xù)駛里程的車(chē)體結(jié)構(gòu)。在平臺(tái)化設(shè)計(jì)，目前大眾汽車(chē)走在前列，他們把這種結(jié)構(gòu)叫MEB平臺(tái)[4]（MEB全稱(chēng)“電動(dòng)車(chē)模塊化平臺(tái)”，以電池布置為核心，底盤(pán)部件要實(shí)現(xiàn)通用化，打造不同車(chē)身軸距，不同續(xù)駛里程，車(chē)輛具有較長(zhǎng)的軸距和較短的前后懸，帶來(lái)更大的駕駛艙空間和更舒適的坐姿，同時(shí)智能化水平支持全自動(dòng)駕駛）。

平臺(tái)化的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了純電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)新征程。電池組布置是此平臺(tái)設(shè)計(jì)的核心，最大化通用底盤(pán)核心組件，如圖13所示。白車(chē)身適應(yīng)電池及軸距、前后懸尺寸的需要，進(jìn)行模塊化、通用化設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)不同尺寸、低成本、高適應(yīng)性的白車(chē)身。ID3 為大眾MEB平臺(tái)的開(kāi)山之作，其圍繞電池組、電機(jī)等核心零部件進(jìn)行的MEB平臺(tái)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車(chē)車(chē)身長(zhǎng)軸距和短前后懸的布置特點(diǎn)。對(duì)ID3的車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，來(lái)研究MEB平臺(tái)作為大眾電動(dòng)車(chē)特有平臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

圖13 底盤(pán)核心部件圖

從表1中可以看出，iD3與iD.4X在長(zhǎng)、寬、高尺寸上均有差別。要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化設(shè)計(jì)理念，完成尺寸變化時(shí)，在長(zhǎng)度上是通過(guò)前防撞梁吸能盒的長(zhǎng)短、前地板的長(zhǎng)短、后地板與后縱梁的長(zhǎng)短幾個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)；寬度上通過(guò)前地板寬度變化、門(mén)檻內(nèi)外板及側(cè)圍外板寬度變動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中側(cè)圍外板的造型變化實(shí)現(xiàn)寬度變化較為常用；高度方向通過(guò)不同尺寸輪胎、塔包安裝懸置高度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)以上尺寸變化滿(mǎn)足于匹配不同大小的電池，開(kāi)發(fā)多款車(chē)型的目的。這種設(shè)計(jì)理念，將使開(kāi)發(fā)部件通用化率高，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本。這種白車(chē)身設(shè)計(jì)模式，將在汽車(chē)行業(yè)中廣泛推廣，不但能夠提高產(chǎn)品換代速度，更能大大節(jié)省資本投入。

表1 ID3與iD.4X基本信息對(duì)比表

序號(hào)iD3iD.4X 長(zhǎng)度/mm4 2614 612 寬度/mm1 8091 852 高度/mm1 5221 640 軸距/mm2 7652 765 續(xù)航里程/km330/420/550555 驅(qū)動(dòng)方式后置后驅(qū)/四驅(qū)后置后驅(qū)/四驅(qū)

4 總結(jié)

目前的電動(dòng)車(chē)下車(chē)身骨架具有兩個(gè)特點(diǎn)：一是骨架更加簡(jiǎn)化；二是由傳統(tǒng)車(chē)改制電動(dòng)車(chē)向平臺(tái)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換。隨著汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展及人們生活水平的提高，電動(dòng)車(chē)發(fā)展市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，電動(dòng)車(chē)的轉(zhuǎn)型升級(jí)勢(shì)在必行，智能化、電動(dòng)化將是主流。以白車(chē)身平臺(tái)化設(shè)計(jì)電動(dòng)車(chē)將是各大車(chē)企主導(dǎo)開(kāi)發(fā)方向，將推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入高速發(fā)展階段。

[1] 于忠娟.純電動(dòng)車(chē)輕量化的白車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2021.

[2] 董全省.純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身輕量化的設(shè)計(jì)與研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2013.

[3] 曾土偉.新型材料在汽車(chē)輕量化中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué), 2019.

[4] 趙文博.電動(dòng)專(zhuān)屬平臺(tái):未來(lái)汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)利器[N].新能源汽車(chē)報(bào), 2019-03-25.

Development of New Energy Pure Electric Vehicle Body Structure

YU Zhongjuan1, LIU Baoxin2, LU Heng3

（1. Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Technical Center Body Research Insititute, Anhui Hefei 230601;2.Anhui Jiyuan Software Co., Ltd., Anhui Hefei 230088）

The article first focuses on the different classification of new energy pure electric vehicle structure, then expounds the increase of continued driving mileage and lightweight demand, and finally discusses the development mileage of car vehicle structure and the development trend of pure electric vehicle vehicle structure.

A

1671-7988(2021)22-08-04

U469.7

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1671-7988(2021)22-08-04

CLC NO.: U469.7

于忠娟（1980—），女，高級(jí)工程師，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心車(chē)身設(shè)計(jì)研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.003