黃乃勇

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)車輛工程專業(yè)，碩士研究生。現(xiàn)就職于東風(fēng)商用車技術(shù)中心，任高級工程師，主要從事新能源整車開發(fā)，已發(fā)表論文有《混動總成平臺化設(shè)計方法》，曾獲東風(fēng)科協(xié)一等獎;《平衡懸架上軸的輸入輸出點計算》曾獲東風(fēng)科協(xié)三等獎;《載貨車軸荷計算方法》曾獲東風(fēng)科協(xié)三等獎;《某車型轉(zhuǎn)向盤力矩波動問題改進》曾獲東風(fēng)科協(xié)二等獎。

摘" 要： 本文針對新能源商用車，從整車特性目標設(shè)定到分解，整車方案設(shè)計，接口定義及參數(shù)化，模塊設(shè)計，功能、特性與模塊映射，試驗驗證等方面闡述一種新能源整車平臺化模塊化正向設(shè)計方法，以開發(fā)具備強競爭力的新能源平臺產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞： 平臺化;模塊化;接口;功能;特性

中圖分類號：U469.72" " " 文獻標志碼：A" " " "文章編號：1005-2550（2022）04-0002-06

Platform-based Design Method of A New Energy Commercial Vehicle

HUANG Nai-yong， JIANG Guang-hui， ZHOU Rui， YANG Qian-zhi， HU Teng

（DongFeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430058， China）

Abstract： The aritcle is for the new energy commercial vehicle， from vehicle characteristics target setting to decomposition， vehicle scheme design， interface definition and parameterization， module design， function， characteristics and module mapping， test verification. In order to develop new energy platform products with strong competitiveness， a forward design method of new energy product platform modularization is expounded from the aspects of these and so on.

Key" Words： Platformization; Modularization; Interface; Function; Characteristic

從新能源商用車近幾年產(chǎn)品看，純電動占比較大，混動、氫燃料商用車剛起步。同時，電池能量密度、循環(huán)壽命及快充技術(shù)，固態(tài)電池研發(fā)及應(yīng)用，電驅(qū)動系統(tǒng)深度集成等關(guān)鍵總成技術(shù)還有很大提升空間。

根據(jù)國家戰(zhàn)略部署，為完善未來新能源商用車產(chǎn)品體系并打造更具競爭力產(chǎn)品，開發(fā)初期就需引入平臺化模塊化開發(fā)理念[1]，結(jié)合企業(yè)自身特點和經(jīng)驗，前瞻規(guī)劃，循序漸進，積極行動。

本文正是基于平臺化開發(fā)思路，為新能源商用車提供一種新的開發(fā)方法。

1" " 平臺化模塊化概念

1.1" "平臺化、模塊化

平臺化是基于平臺理念進行產(chǎn)品開發(fā)的方法，模塊化是基于模塊理念進行產(chǎn)品開發(fā)的方法，產(chǎn)品架構(gòu)則是連接平臺與模塊的紐帶[2]，其核心是用有限模塊組合更多產(chǎn)品，盡可能實現(xiàn)模塊通用。

明確整車開發(fā)目標后，構(gòu)建平臺產(chǎn)品及模塊與變量關(guān)系，形成兼容、互斥的唯一組合關(guān)系，再通過模塊化數(shù)據(jù)發(fā)放實現(xiàn)整車平臺化模塊化開發(fā)。本文基于該思路重點從以下幾方面對新能源商用車產(chǎn)品的平臺化模塊化開發(fā)進行探討，具體包含市場分析、目標設(shè)定及分解、整車方案、接口、模塊設(shè)計及驗證、模塊庫、整車生產(chǎn)銷售等內(nèi)容。

1.2" "新能源商用車平臺架構(gòu)

本文所述開發(fā)流程正是基于同平臺架構(gòu)下的純電、混動、氫燃料三種車型，具體如下：

1）純電動車，兩種平臺架構(gòu)思路，一中置或側(cè)掛動力電池，為解決重心高及上裝空間小的痛點;二是后背動力電池，實現(xiàn)快速換電以解決市場對作業(yè)時效性需求。

另外，驅(qū)動總成實現(xiàn)標準化安裝接口，滿足電驅(qū)橋和電機-變速箱方案的模塊化互換。駕駛室體現(xiàn)新能源特征外，與底盤接口在同平臺產(chǎn)品系列中通用。

2）混動車，在傳統(tǒng)燃油車基礎(chǔ)上增加電機、動力電池及散熱系統(tǒng)。考慮到整體架構(gòu)通用，采用模塊變動少、電機成本低、且能實現(xiàn)電機與發(fā)動機完全解耦的P2并聯(lián)結(jié)構(gòu)。底盤、駕駛室接口同燃油車，僅增加動力電池布置，電機位于發(fā)動機與變速箱之間且同軸，考慮電機、電池散熱與發(fā)動機、空調(diào)散熱模塊集成。

3）氫燃料車，一種電堆與電機混動車型，區(qū)別傳統(tǒng)混動車在于發(fā)動機及其附件系統(tǒng)變成燃料電池發(fā)動機，油箱變成氫瓶，不同電堆產(chǎn)品保持相同的連接接口，沒有排放處理，有較高的散熱需求;區(qū)別純電動車的地方是沒有大電量動力電池，換成氫瓶，后背或者底盤側(cè)掛，氫瓶后背方案與純電動力電池、天燃氣車氣瓶后背方案接口統(tǒng)一。駕駛室體現(xiàn)綠色環(huán)保，與底盤接口在同平臺產(chǎn)品系列中通用。

2" "平臺化模塊化正向開發(fā)

2.1" "目標設(shè)定及分解

2.1.1 目標設(shè)定

整車目標是將公司戰(zhàn)略規(guī)劃、客戶需求、競品水平、法規(guī)、性能提升、工藝等輸入信息通過一定方法轉(zhuǎn)化成目標參數(shù)，這里應(yīng)用的是質(zhì)量屋（QFD）方法[4]，通過對車輛關(guān)鍵特性進行重要度排序，如表（1）所示。按照QFD方法對每項特性進行提案分解打分，得到具體目標值，如表（2）所示。

這些指標是基于市場需求，承接公司戰(zhàn)略，基于客觀實際總結(jié)出來的在未來一段時間內(nèi)具有強競爭力。

2.1.2 目標分解

整車一級指標由特性負責(zé)人分解到二、三、四級，分解后的指標達成（仿真、臺架、試驗）落實到相應(yīng)技術(shù)方案，每個方案映射到具體模塊。各模塊能否在相應(yīng)技術(shù)方案下達標是反復(fù)的過程，需要不斷優(yōu)化論證確定。

下面以純電動車經(jīng)濟性指標為例說明分解及驗證過程，如表（3）。

以上各、指標分解到具體模塊后，即作為模塊開發(fā)的重要輸入條件之一。

2.2" "整車方案設(shè)計

基于平臺架構(gòu)設(shè)想，整車方案設(shè)計需設(shè)定原則，以確保更多模塊在各平臺系列間通用。一方面考慮用戶使用需求，以及車輛在各工況下的適應(yīng)性，滿足法規(guī)要求;

另一方面體現(xiàn)平臺化模塊化開發(fā)思路，在設(shè)計初期就需全面考慮各平臺間的差異性和通用性，各模塊在不同平臺間的變型。

為實現(xiàn)接口標準化，需全平臺范圍內(nèi)考慮產(chǎn)品布置方案，這完全不同于傳統(tǒng)單車開發(fā)思路。

2.2.1 混合動力車型

對于混動車型，兼顧與傳統(tǒng)燃油車方案一致性，遵循原則：

1）動力總成僅在發(fā)動機和變速箱之間增加同軸電機占位空間，其他接口不變;

2）新增電機與發(fā)動機散熱模塊集成，電池共用空調(diào)散熱模塊，不燃油車散熱模塊接口不變;

3）牽引車動力電池替代副油箱位置，載貨及工程車在原方案上獨立增加動力電池及溫控模塊，其他接口保持一致;

以上混動平臺方案無論在可變、不變部分均最大程度確保與燃油車平臺一致性，布置簡化圖如圖1，圖中陰影部分表示混動車的變化。

2.2.2 純電動車型

受電池能量密度限制，純電動車一般應(yīng)用在中短途運輸。底盤重心要求低考慮將動力電池布置在車架內(nèi)外側(cè)，同時增加上裝空間;工作時效性要求高考慮電池后背，實現(xiàn)快速換電。兩種方案遵循原則：

1）動力電池在車架內(nèi)外側(cè)，則：①各平臺間內(nèi)、外側(cè)動力電池與車架連接接口不變;②電動附件高度集成，各平臺間接口不變;③上裝接口不變;④電驅(qū)橋和電機-變速箱方案相同位置接口統(tǒng)一，可切換;⑤底盤與駕駛室接口在同平臺內(nèi)一致。

2）動力電池后背，電池占位及與車架接口考慮與后背氫瓶（氫燃料車型）或天然氣氣瓶（天燃氣車型）方案保持一致，其他與1）中②③④⑤同原則。

布置簡化圖如圖2，陰影部分表示兩種動力總成的整體切換。

2.2.3 氫燃料車型

氫燃料車環(huán)保又滿足中長途運輸需求，且加氫效率遠高于純電車。目前，氫燃料車型處于起步階段，單電堆功率低于150kW，結(jié)構(gòu)、接口各廠家均有差異，目前主要在中、輕型商用車上推廣，重型車待單堆功率提升。在這關(guān)鍵時期，由主機廠主導(dǎo)，協(xié)同供應(yīng)商統(tǒng)一電堆接口，這對未來縮短開發(fā)周期，提升競爭力有很大幫助。

具體包括：

1）在駕駛室下方，明確未來需求電堆系統(tǒng)與整車接口保持一致;

2）后背氫瓶接口與其他車型后背方案保持一致，實現(xiàn)多平臺間接口統(tǒng)一;

3）其他附件及動力電池的接口與混動、純電動車型保持一致，新增零件接口不改變原有電動附件接口。

布置簡化圖如圖3，不同陰影部分表示電堆、后背氣瓶、驅(qū)動總成可實現(xiàn)整體模塊切換。

2.3" "模塊規(guī)劃及設(shè)計

根據(jù)型譜對各細分市場車輛進行總體方案設(shè)計，界定架構(gòu)范圍及規(guī)則，進行模塊規(guī)劃和設(shè)計，完成模塊劃分和模塊變型。

模塊劃分是對平臺內(nèi)車輛模塊進行層級劃分;模塊變型是基礎(chǔ)模塊在一定驅(qū)動因子下衍生出滿足需求變形模塊，模塊規(guī)劃和設(shè)計考慮以最少模塊實現(xiàn)更多組合;變型驅(qū)動因子主要包括接口定義及參數(shù)化、功能特性、成本、配置、工藝、法規(guī)等。

2.3.1 模塊劃分

模塊劃分是模塊化開發(fā)的一個重要環(huán)節(jié)，如圖（4）所示將商用車模塊分為三級：車輛模塊、模塊、子模塊，采用樹狀結(jié)構(gòu)進行分級，形成模塊數(shù)據(jù)層級結(jié)構(gòu)，車輛結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來源于模塊結(jié)構(gòu)各層級數(shù)據(jù)。

劃分形式如表4。

2.3.2.1 接口定義及參數(shù)化

整車總布置方案確定后，可對關(guān)鍵接口定義，包括：1）模塊間物理邊界;2）空間包絡(luò);3）尺寸、坐標;4）數(shù)據(jù)通信;5）裝配連接點。

根據(jù)重要度不同劃分，模塊內(nèi)部接口為C級，模塊間的接口為B級，接口變動有重大影響的B、C級接口升為A級，具體考慮：1）復(fù)雜性，影響面廣;2）成本有重大變化;3）平臺架構(gòu)變動;4）關(guān)鍵車輛尺寸、總線通信;5）法規(guī)等。詳細定義方法參照表（5）。

根據(jù)整車方案及接口定義即可開展模塊參數(shù)化設(shè)計，明確接口具體參數(shù)。

2.3.2.2 功能amp;特性

功能開發(fā)主要有軟、硬件兩方面，軟件功能開發(fā)是將不同功能模塊劃分到不同控制器由軟件工程師開發(fā)完成;硬件映射到具體系統(tǒng)模塊，且功能實現(xiàn)可能涉及多系統(tǒng)多模塊[6]。如制動能量回收，涉及電機、動力電池、變速箱等模塊。混動車較統(tǒng)燃油車，同架構(gòu)下實現(xiàn)換擋調(diào)速，變速箱中間軸制動器就存在有和無兩種狀態(tài)，從而增加變速箱模塊變型。

不同細分市場整車加速性能差異，發(fā)動機和電機總功率或總速比不同，增加模塊變型。

平臺系列內(nèi)所有功能、特性指標細化后成為模塊的輸入邊界，結(jié)合其他接口、成本、配置、法規(guī)等邊界要求，最終完善模塊規(guī)劃及其變型。

2.3.3 模塊設(shè)計及驗證

當模塊開發(fā)邊界明確后，即可開展詳細設(shè)計，確保以最少的接口、最優(yōu)的結(jié)構(gòu)適用于多平臺產(chǎn)品。

在全新的電子電氣架構(gòu)下，控制器及線束模塊，及各控制器里的功能軟件模塊同步開展詳細設(shè)計。

完成模塊設(shè)計后，進行獨立試驗驗證（包括臺架和整車），縮短整車開發(fā)周期，快速實現(xiàn)整車批量化生產(chǎn)銷售。

2.4" "模塊數(shù)據(jù)維護及發(fā)布

模塊庫維護，工程人員在BOM數(shù)據(jù)庫里建立模塊字典，設(shè)計師按數(shù)據(jù)層級結(jié)構(gòu)維護各級模塊，構(gòu)建實例化變型數(shù)據(jù)，通過變量將模塊與零件、接口、功能特性等要素進行關(guān)聯(lián)，并顯示關(guān)聯(lián)關(guān)系。其特點：

1）模塊數(shù)據(jù)獨立車型進行設(shè)計變更、發(fā)布;

2）模塊開發(fā)獨立進行，根據(jù)功能特性及接口進行整體規(guī)劃和開發(fā)，實現(xiàn)多樣化組合;

3）模塊編碼由字典編號加流水碼生成實例化;

4）模型變型關(guān)聯(lián)車型變量，可篩選。

模塊數(shù)據(jù)組合及應(yīng)用，車型平臺系列和模塊變型分別與變量關(guān)聯(lián)，根據(jù)變量規(guī)則兼容互斥關(guān)系，建立EBOM數(shù)據(jù)。銷售根據(jù)客戶需求在SBOM車型系列中選擇唯一化變量，生成單一示例化可生產(chǎn)車輛變量組合，制造根據(jù)MBOM解算出該實例化生產(chǎn)車輛唯一化模塊變型數(shù)據(jù)，用于工順、工藝、采購及裝配[5]。 當模塊開發(fā)及數(shù)據(jù)建立完成后，從客戶點單到組織生產(chǎn)的全過程可實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)組合及生產(chǎn)銷售，有效提升工作效率。

3" " 總結(jié)

本文針對新能源商用車，應(yīng)用平臺化開發(fā)思路，從目標設(shè)定、分解，整車構(gòu)架及方案設(shè)計，接口定義，模塊設(shè)計，功能、特性與模塊的映射，試驗等方面介紹產(chǎn)品正向設(shè)計方法，該方法大量工作集中在前期。綜合企劃、現(xiàn)生產(chǎn)、技術(shù)發(fā)展、生產(chǎn)工藝、成本等因素，對整車方案、接口、模塊進行優(yōu)化，最終確定最優(yōu)平臺解決方案，實現(xiàn)最少模塊組合更多符合市場需求且具強競爭力產(chǎn)品。

參考文獻：

[1]宋易.模塊化成就百年輝煌-解讀斯堪尼亞的模塊化思想.交通世界（運輸車輛），2007（3）.

[2]趙福全，劉宗巍，李贊.汽車產(chǎn)品平臺化模塊化開發(fā)模式與實施策略[J].汽車技術(shù)，2017（6）：1～5.

[3]鄭傳筆.淺談新能源商用車發(fā)展趨勢[J].重型汽車.2002.

[4]江擒虎.淺析質(zhì)量屋方法在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用[J].安徽科技.2000.

[5]曹丹領(lǐng)，李端午，李青春，魯輝.商用車基于模塊化的開發(fā)方法簡述[J].重型汽車.2020.10.

[6]張金一.功能定義在整車產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用介紹[J].中國汽車.2018.10.

專家推薦語

吳杰余

東風(fēng)汽車集團有限公司技術(shù)中心

新能源汽車總師" 研究員級高級工程師

本文基于該思路重點從幾方面對新能源商用車產(chǎn)品的平臺化模塊化開發(fā)進行深入探討，模塊化的研究方向很好，有一定的借鑒意義。