王軍雷 王亮亮 王靜

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：車身電池包一體化 線控底盤 熱管理 專利布局

1 前言

汽車底盤包含懸架、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等子系統(tǒng)，對(duì)整車的舒適性、安全性和操縱穩(wěn)定性具有重要影響。伴隨著電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)的不斷發(fā)展，為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的一體化底盤架構(gòu)——滑板底盤技術(shù)得到長足發(fā)展，其具有高集成度、高通用率、高拓展性的優(yōu)勢(shì)，在縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低研發(fā)成本、適配多樣化車型需求方面具有顯著競爭優(yōu)勢(shì)[1]。

滑板底盤主要有三大技術(shù)特征[2-3]：一是平臺(tái)化開發(fā)，車身與底盤分體式研發(fā)，使研發(fā)更加高效；二是全線控系統(tǒng)和集成控制，制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸架等底盤部件操作均通過線控方式實(shí)現(xiàn)，高度集成的電子電氣架構(gòu)及解耦控制還存在一定技術(shù)難點(diǎn)；三是底盤高度集成化，集電池、電機(jī)、電控和熱管理等多模塊于一體，為上部座艙保留了更多空間。

本文從專利分析的角度出發(fā)，以滑板底盤系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，明晰滑板底盤技術(shù)整體發(fā)展情況，以及行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)的專利布局情況和重點(diǎn)研發(fā)方向，梳理關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的技術(shù)發(fā)展路線。

2 滑板底盤技術(shù)宏觀專利分析

2.1 數(shù)據(jù)采集范圍及相關(guān)說明

本文使用的專利檢索數(shù)據(jù)庫為中國汽車技術(shù)研究中心自主研發(fā)的全球汽車專利數(shù)據(jù)庫，收錄了全球160個(gè)國家1.6億余條汽車及相關(guān)領(lǐng)域的專利，對(duì)全球汽車領(lǐng)域重要企業(yè)的專利按照技術(shù)領(lǐng)域、技術(shù)效果、技術(shù)手段3個(gè)維度進(jìn)行了人工標(biāo)引。在數(shù)據(jù)庫的技術(shù)領(lǐng)域模塊選取制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸架、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、新能源汽車等節(jié)點(diǎn)，并用一體化、解耦、線控、電子電氣架構(gòu)、熱管理、滑板底盤等關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，檢索截止日期為2023年6月30日。

共檢索得到24 571件專利（含發(fā)明及實(shí)用新型），由于專利公開時(shí)間存在滯后性，2022～2023 年的數(shù)據(jù)僅供參考。

2.2 全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)分析

全球及我國滑板底盤技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)如圖1 所示，其中全球?qū)＠暾?qǐng)量一直保持平穩(wěn)增長態(tài)勢(shì)，年平均增長率在15%左右。國內(nèi)滑板底盤專利申請(qǐng)趨勢(shì)可劃分為2 個(gè)階段，第一階段為滑板底盤技術(shù)儲(chǔ)備期（2010～2015年），相關(guān)底層技術(shù)還不成熟；第二階段，滑板底盤技術(shù)迎來新的發(fā)展機(jī)遇（2016 年至今），相關(guān)專利申請(qǐng)量增長迅速。結(jié)合相關(guān)專利數(shù)量的增長態(tài)勢(shì)與技術(shù)研發(fā)情況可以推測(cè)，滑板底盤技術(shù)仍具有布局潛力，后期知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度還將不斷增強(qiáng)。

圖1 全球及我國滑板底盤技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)

2.3 專利技術(shù)構(gòu)成及發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

從專利分析及滑板底盤系統(tǒng)架構(gòu)兩個(gè)維度綜合考慮，將滑板底盤技術(shù)分為線控底盤和三電系統(tǒng)兩個(gè)方面，如表1 所示。其中，線控底盤技術(shù)作為滑板底盤實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，專利數(shù)量最多，三電系統(tǒng)技術(shù)主要涉及高度集成的電驅(qū)、電池系統(tǒng)及相關(guān)散熱技術(shù)。

表1 全球滑板底盤專利技術(shù)構(gòu)成

線控底盤技術(shù)發(fā)展較早，如圖2所示，線控懸架、線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)技術(shù)從2010 年開始一直處于較穩(wěn)定的增長階段；上裝底盤解耦技術(shù)包括機(jī)械解耦、軟硬件解耦，專利數(shù)量從2015年起一直維持在較高水平；2017年起，以電機(jī)及電控集成、熱管理系統(tǒng)為代表的三電技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，近幾年技術(shù)成熟度逐漸提高；車身電池包一體化技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)量在2019年才開始進(jìn)入快速增長階段，此類技術(shù)專利布局還存在較大空間。

圖2 全球滑板底盤技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.4 專利申請(qǐng)人研發(fā)點(diǎn)布局

在全球?qū)＠暾?qǐng)人方面，如圖3 所示，前10 位申請(qǐng)人以國內(nèi)外整車企業(yè)、零部件供應(yīng)商為主。國內(nèi)企業(yè)雖有上榜，但與國外頭部企業(yè)相比還存在一定差距。國外方面：博世作為知名的零部件供應(yīng)商，在制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等底盤領(lǐng)域積累深厚，近年來不斷加大在線控底盤、集成電機(jī)領(lǐng)域的專利布局；豐田、本田、現(xiàn)代等國外整車企業(yè)在研發(fā)方面積累了數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，在三電、線控底盤、車身領(lǐng)域均有所布局。國內(nèi)方面：比亞迪以新能源汽車為核心，打造垂直產(chǎn)業(yè)鏈，在電池?zé)峁芾怼㈦姍C(jī)及電控集成等領(lǐng)域布局力度較大；寧德時(shí)代主要從電池關(guān)鍵零部件出發(fā)，拓展至整車底盤核心，進(jìn)一步加快整車熱管理和車身電池包一體化的專利布局；中國一汽依靠在底盤系統(tǒng)部件方面積累的經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)在線控懸架、線控制動(dòng)等領(lǐng)域進(jìn)行布局。

圖3 全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量前10位申請(qǐng)人排名

3 滑板底盤關(guān)鍵技術(shù)專利分析

目前，滑板底盤開發(fā)遇到的挑戰(zhàn)主要集中于集成和架構(gòu)創(chuàng)新方面，因此本文重點(diǎn)研究線控制動(dòng)、線控轉(zhuǎn)向、車身電池包一體化、熱管理系統(tǒng)方面的相關(guān)專利，通過分析專利文獻(xiàn)，梳理各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展路線。

3.1 線控制動(dòng)

行車制動(dòng)系統(tǒng)直接關(guān)系到車輛運(yùn)行安全性，技術(shù)要求高，在從機(jī)械控制向線控演進(jìn)的過程中，制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)速度、制動(dòng)能量回收及駕駛體驗(yàn)等方面的提升?，F(xiàn)階段，電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)和電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)策略制定及制動(dòng)冗余設(shè)計(jì)方面的技術(shù)成熟度均有待提高。

3.1.1 簡化冗余備份結(jié)構(gòu)以提高系統(tǒng)安全性

針對(duì)現(xiàn)有機(jī)械式制動(dòng)冗余備份方案機(jī)構(gòu)復(fù)雜、可擴(kuò)展性差的問題，采埃孚在專利US18079051[4]中提出一種優(yōu)化的線控制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過制動(dòng)踏板上的力傳感器檢測(cè)駕駛員的制動(dòng)意圖，制動(dòng)單元未失效時(shí)，可正常通過踩制動(dòng)踏板實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能，制動(dòng)單元失效時(shí)，駕駛員可通過踩踏加速踏板啟動(dòng)制動(dòng)操作。此功能的實(shí)現(xiàn)主要基于控制單元內(nèi)設(shè)定的閾值，當(dāng)制動(dòng)單元發(fā)生故障后，加速踏板上位置傳感器和角度傳感器將低于閾值的偏轉(zhuǎn)信號(hào)檢測(cè)為制動(dòng)信號(hào)，直接作用于車輪制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)。

3.1.2 優(yōu)化域控架構(gòu)通信策略以提高制動(dòng)效率

針對(duì)新型域控架構(gòu)下緊急制動(dòng)時(shí)，底盤域、駕駛輔助域（ADAS域）協(xié)同調(diào)度效率及穩(wěn)定性不高的問題，北京理工大學(xué)在專利CN202110579340.4[5]中提出一種聯(lián)接中央網(wǎng)關(guān)和各域控制器的調(diào)度模塊，如圖4 所示，該模塊基于分?jǐn)?shù)型基本周期調(diào)度算法，可優(yōu)化域架構(gòu)下的車輛通信策略，避免網(wǎng)絡(luò)延遲對(duì)緊急制動(dòng)信號(hào)的影響。底盤域、ADAS 域下各回路調(diào)度模塊協(xié)同互聯(lián)，共同處理多種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議下的傳輸信號(hào)以確保緊急制動(dòng)回路的優(yōu)先級(jí)最高。

圖4 域架構(gòu)緊急制動(dòng)控制系統(tǒng)原理

3.2 線控轉(zhuǎn)向

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提高了整車安全性、舒適性及智能化水平，但還存在可靠性低、設(shè)計(jì)難度大、成本高等缺點(diǎn)，技術(shù)落地應(yīng)用進(jìn)程不及預(yù)期。目前，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向電機(jī)數(shù)量及控制方式的不同可分為單電機(jī)、雙電機(jī)及四電機(jī)三類。其中，雙電機(jī)由于冗余性較好且對(duì)電機(jī)功率要求不高，是技術(shù)發(fā)展的主流，四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向等分布式轉(zhuǎn)向控制最為靈活，技術(shù)發(fā)展前景較好，具體技術(shù)發(fā)展情況如圖5所示。

圖5 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)路線

3.3 車身電池包一體化

為使電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，結(jié)構(gòu)化電池的概念被提出，使電池成為車身的一部分，即車身電池包一體化技術(shù)。該技術(shù)可極大提高電池包的空間利用率，使續(xù)駛能力提升15%～25%。但由于電芯作為結(jié)構(gòu)件的一部分承受載荷，需要對(duì)電芯與上、下結(jié)構(gòu)件的固定方式及工藝方法進(jìn)行創(chuàng)新?，F(xiàn)階段主流技術(shù)方案有3種：電池包上蓋作為地板、地板作為電池包上蓋以及利用車身縱梁、橫梁形成的密封結(jié)構(gòu)作為電池包。地板作為電池包上蓋的技術(shù)方案發(fā)展較為迅速，是目前專利布局的重點(diǎn)，如圖6 所示，但碰撞力傳遞、電池包密封、電池散熱等仍是制約車身電池包一體化技術(shù)普及的難點(diǎn)。

圖6 車身電池包一體化技術(shù)研發(fā)趨勢(shì)

3.3.1 優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)，形成多條傳力路徑

電動(dòng)汽車開發(fā)初期，電池包不直接參與碰撞力的傳遞與緩沖過程，設(shè)計(jì)理念是盡可能保護(hù)電池不受擠壓或變形，從而保證電池的絕對(duì)安全。隨著電芯/電池模組技術(shù)的進(jìn)步，尤其是滑板底盤技術(shù)的應(yīng)用，電池箱內(nèi)的縱梁參與碰撞力的傳遞已成為整車制造企業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)。零跑在專利CN202110638163.2[11]中提出了一種電動(dòng)車車身與電池包的集成結(jié)構(gòu)：以地板為電池包上蓋，作為電池包下蓋的內(nèi)部橫梁、外部縱梁均采用U 型截面，且內(nèi)外縱橫交叉連接；側(cè)邊梁設(shè)有側(cè)面碰撞吸能結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包括2 個(gè)導(dǎo)力梁和形變吸能板，當(dāng)車輛受到較大側(cè)面撞擊時(shí)，導(dǎo)力梁在三角導(dǎo)向塊的作用下向前、后移動(dòng)，將側(cè)向力轉(zhuǎn)化為車輛前、后方向的力，傳遞到前、后結(jié)構(gòu)梁，減小內(nèi)支撐梁的受力，從而保護(hù)電芯模組，撞擊力過大時(shí)，還可以通過形變吸能板吸能，如圖7a所示。比亞迪在專利CN202210346551.8[12]中提出一種將電池包上蓋作為地板的結(jié)構(gòu)，兩側(cè)門檻梁和后橫梁作為電池包的安裝梁，后橫梁兩端與門檻梁連接，前端與后縱梁的前端連接，正向碰撞時(shí)，后縱梁受到的力均可通過后橫梁傳遞至門檻梁上，從而形成多條傳力路徑，而且利用電池包增大了傳力結(jié)構(gòu)的面積，進(jìn)而可有效降低碰撞損壞程度，如圖7b 所示。Canoo 在專利EP20809867[13]中提出了一種以車身框架作為電池安裝腔體的結(jié)構(gòu)，將電芯均勻安裝在由車身縱梁和橫梁隔絕的內(nèi)部空間中且使用上、下板密封，門檻梁可設(shè)置壓潰罐模塊，壓潰罐整體作為能量吸收單元增強(qiáng)電池艙的結(jié)構(gòu)支撐，還可減輕電池艙外邊緣結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，如圖7c所示。

圖7 車身電池包碰撞吸能結(jié)構(gòu)示意

3.3.2 創(chuàng)新密封方式，保證電池包密封性能

用電池包上蓋代替地板，由于保留了獨(dú)立的電池包，原有電池密封方案可以延續(xù)，但使用地板作為電池包上蓋后，電池包整體性被破壞，需對(duì)密封介質(zhì)及密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新定義。小鵬汽車在專利CN202111214718.7[14]中提出一種車輛的動(dòng)力電池包與車身集成的結(jié)構(gòu)，電池箱體的突緣與車身縱梁通過緊固件連接，連接后設(shè)置密封層，由于電池包采用規(guī)則的形狀，故密封面布置在車身門檻側(cè)上方與地板配合處，并采用密封墊或密封環(huán)進(jìn)行密封，密封層厚度在3～25 mm范圍內(nèi)，如圖8a 所示。的盧技術(shù)有限公司在專利CN202011558601.6[15]中提出一種電池托盤與車身的連接密封結(jié)構(gòu)，其電池托盤嵌設(shè)于車身門檻梁內(nèi)，電池托盤上端的安裝耳板通過螺栓與車身地板固定連接，電池托盤前、后密封面存在高度差，為保證密封面的連續(xù)性，電池托盤安裝面上均設(shè)有密封槽，密封槽內(nèi)放置密封塊，如圖8b所示。

圖8 密封結(jié)構(gòu)示意

3.4 熱管理系統(tǒng)

滑板底盤的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)熱管理系統(tǒng)的集成化提出了更高的要求，現(xiàn)階段較為熱點(diǎn)的技術(shù)方案均圍繞“座艙-電池-電機(jī)”三者之間的管路復(fù)用、熱量傳導(dǎo)以及液冷、風(fēng)冷替換布局，從技術(shù)發(fā)展前景來看，通過直冷板與電池接觸降溫，并與換熱器、熱泵等結(jié)構(gòu)連接于整車溫控回路中，內(nèi)部通過管路傳輸導(dǎo)熱介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電池的直冷直熱溫控方案是未來發(fā)展的趨勢(shì)。長城在專利CN202110189465.6[16]中提出一種直冷技術(shù)方案，通過電池直冷板進(jìn)行電池?fù)Q熱，并在直冷板換熱器的出口設(shè)置壓力溫度傳感器，利用壓力、溫度和制冷劑的特性參數(shù)進(jìn)行直冷板換熱器出口的過熱度計(jì)算，從而調(diào)節(jié)換熱器的換熱量。寧德時(shí)代在專利CN202310910256.5[17]中提出了一種直冷冷媒分流不均勻問題的解決方案，其冷卻系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，且加熱系統(tǒng)為膜狀結(jié)構(gòu)件，體積和質(zhì)量較小，設(shè)置在電池單體的側(cè)面；車輛運(yùn)行或充電過程中，通過獲取多個(gè)電池單體的溫度，判斷溫差是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，若第1塊電池溫度較低、第2塊電池溫度較高，則可在對(duì)第2 塊電池進(jìn)行冷卻時(shí)開啟對(duì)第1塊電池的加熱模式。

4 滑板底盤技術(shù)發(fā)展展望

滑板底盤作為標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)，提升了純電動(dòng)新車型的開發(fā)效率，降低了整車制造成本，且線控底盤等技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)高級(jí)別自動(dòng)駕駛的重要技術(shù)儲(chǔ)備，以比亞迪為代表的整車制造商和以寧德時(shí)代為代表的電池供應(yīng)商均有滑板底盤相關(guān)專利的布局，其他頭部企業(yè)也在紛紛跟進(jìn)。但其前置關(guān)鍵技術(shù)仍有待發(fā)展成熟，相關(guān)法律法規(guī)也有待進(jìn)一步健全。

本文從專利公開態(tài)勢(shì)、專利技術(shù)構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)等方面剖析了滑板底盤技術(shù)的專利布局和技術(shù)發(fā)展路線。近幾年，隨著智能化技術(shù)的日趨成熟，滑板底盤技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期，專利申請(qǐng)量持續(xù)增長，但研究多集中在線控制動(dòng)、線控轉(zhuǎn)向等前置技術(shù)方面，上下車體解耦控制、集成熱管理系統(tǒng)等方面的技術(shù)研發(fā)還不成熟。未來的研究應(yīng)著力突破集成化電子電氣架構(gòu)下軟硬件融合技術(shù)及熱管理系統(tǒng)的智能化精準(zhǔn)控制技術(shù)，以建立平臺(tái)和架構(gòu)一體化的開發(fā)邏輯，滿足未來多車型、多品牌、多動(dòng)力的快速研發(fā)迭代。