純電動汽車車身設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)綜述

李仲奎 李都 李熾

（東風汽車集團有限公司技術(shù)中心，武漢 430058）

主題詞：純電動汽車 車身設(shè)計 耐撞設(shè)計 防水設(shè)計

1 前言

隨著世界各地對碳排放要求日益嚴苛，各國政府和各大車企均制定了應(yīng)對戰(zhàn)略，并投入巨資進行電動汽車研發(fā)，各種以純電驅(qū)動的新能源汽車在國內(nèi)出現(xiàn)了爆發(fā)式增長[1]。純電驅(qū)動汽車的結(jié)構(gòu)主要由電力驅(qū)動系統(tǒng)、底盤、車身以及各種輔助裝置等部分組成，在傳統(tǒng)燃油汽車基礎(chǔ)上，用電力驅(qū)動控制系統(tǒng)替代了發(fā)動機[2]。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，由于其能量儲存方式與汽車驅(qū)動形式不同，導致純電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車在整車布置和車身結(jié)構(gòu)方面存在著較大的差異。

目前，在電機技術(shù)、電池技術(shù)和能量控制策略日益完善的情況下，如何設(shè)計出滿足純電動汽車功能、性能要求的精致化純電動汽車車身結(jié)構(gòu)是車身設(shè)計領(lǐng)域的重點和難點[3]。本文梳理出純電動汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點及其對應(yīng)的解決方案，旨在為電動汽車車身開發(fā)提供參考。

2 純電動汽車與燃油汽車的區(qū)別

對于傳統(tǒng)燃油汽車，一般前艙布置發(fā)動機、變速箱，中通道下方布置排氣管，中地板下方布置燃油箱，后地板下方布置排氣管消聲器。對于純電動汽車，通常采用的布置方式是前艙布置電機、變速箱、控制器，前地板和中地板下方布置動力電池（圖1）。

圖1 純電動汽車重要零部件布置

部分高級別的純電動汽車采用的是前后雙電機四驅(qū)方式，即前、后橋都布置有電機和變速箱。此外輪轂電機技術(shù)在純電動汽車上也有所應(yīng)用，其電機集成于輪轂內(nèi)部[4]，對車身影響較小。從目前純電動汽車重要零部件的布置來看，純電動汽車的動力電池系統(tǒng)因體積大、質(zhì)量重，影響車身地板結(jié)構(gòu)布置，是純電動汽車與燃油汽車的最大區(qū)別。

3 純電動汽車車身設(shè)計難點分析

3.1 車身底板梁系構(gòu)架設(shè)計

純電動汽車的動力電池箱若直接遷移到傳統(tǒng)燃油汽車車身下方，其干涉狀況見圖2，動力電池箱體與車身前地板有大面積干涉，與車身中地板有小面積干涉。

圖2 動力電池箱與傳統(tǒng)燃油車車身的關(guān)系

除了明顯的動力電池箱與地板面的干涉，影響更大的是動力電池箱與車身底板上梁系結(jié)構(gòu)的干涉，見圖3。

圖3 動力電池箱與地板梁系干涉情況

當動力電池系統(tǒng)布置對原有的地板梁系方案造成嚴重影響時，如何構(gòu)建車身底板梁系，實現(xiàn)載荷傳遞路徑的連續(xù)性就成為車身設(shè)計的難點。此外，對于純電動汽車車身專屬平臺，就需要綜合考慮設(shè)置電池系統(tǒng)布置區(qū)域與設(shè)計車身底板梁系。

3.2 車身結(jié)構(gòu)耐撞性提升設(shè)計

純電動汽車在碰撞安全保護方面不同于傳統(tǒng)燃油車的是，純電動汽車在碰撞發(fā)生時不僅要保護駕乘人員，還需要保護動力電池系統(tǒng)[5-6]。尤其是2021版的C-NCAP 對碰撞要求更嚴格，增加對新能源汽車側(cè)面柱碰撞試驗的考核。對于傳統(tǒng)燃油汽車來說，研究車身結(jié)構(gòu)耐撞性本來就是一個難度很高的課題，故此提升純電動汽車車身的結(jié)構(gòu)耐撞性是車身設(shè)計的難點。

3.3 車身上前后懸架安裝點加強設(shè)計

純電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車比，其增加的動力電池系統(tǒng)是個大質(zhì)量模塊，質(zhì)量約為400 kg。綜合電機和控制器等部件與傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機、燃油箱、排氣管的質(zhì)量相比，純電動汽車的整備質(zhì)量要比同級別的燃油車質(zhì)量高出約300 kg。故此，從傳統(tǒng)燃油車改款的電動汽車，其前后懸架或副車架在車身上的安裝點需要做加強設(shè)計，以提升車身關(guān)鍵接附點動剛度[7]，否則前后懸架或副車架在車身上安裝點處容易出現(xiàn)耐久開裂問題（圖4）。對于現(xiàn)有的燃油車車身結(jié)構(gòu)，其懸架、副車架在車身上安裝點的加強設(shè)計本身難度就高。此外，因部分高級別純電動汽車布置有后驅(qū)電機，以及輪轂電機版電動汽車，其相應(yīng)的副車架、懸架在車身上安裝點也需要額外的加強設(shè)計。

圖4 耐久開裂后的車身后懸架安裝點

對于前后雙電機四驅(qū)車型，其車身結(jié)構(gòu)設(shè)計難點主要體現(xiàn)在懸架、副車架的安裝點上。除此之外，在該車型上增加后驅(qū)動系統(tǒng)主要影響行李箱空間，或者影響第3 排人機工程設(shè)計，對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響算不上難點。同樣，對于輪轂電機版車型，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計困難之處也主要體現(xiàn)在懸架、副車架的安裝點上。即使前艙取消原有的電機、變速箱等零部件，讓出一定量的空間，可以在前艙布局行李艙，也不是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點。

3.4 車身防水設(shè)計

純電動汽車因配置有較多的電器件，包括控制器、線束、接頭等，對密封防水有更高的要求。針對電動汽車防水，除了國標中做了較嚴格的規(guī)定外，一些地方也給出了更為嚴格的電動車涉水標準（如北京，上海），見表1。

表1 純電動汽車涉水相關(guān)標準

從北京、上海地方標準來看，純電動汽車防水都給出了深30 cm 涉水的試驗要求，這對于車身密封性能是個嚴峻的考驗。故此，就車身防水設(shè)計而言，純電動汽車車身設(shè)計明顯難于燃油汽車。

3.5 鋁合金車身結(jié)構(gòu)設(shè)計

純電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車比，其續(xù)駛里程較短，即使裝載400 kg 的動力電池系統(tǒng)，續(xù)駛里程也只能達到500 km左右。因此，輕量化對于純電動汽車來說更為迫切[11]，鋁合金車身應(yīng)用到電動汽車上比率也更高些[12]。但是，鋁合金車身受工藝和成本的限制在設(shè)計上有較多束縛[13]，如何結(jié)合鋁合金工藝水平和成本控制設(shè)計出較優(yōu)的純鋁車身，部分零部件采用鋁制件是面臨的難題。

3.6 整車換電方案設(shè)計

純電動汽車現(xiàn)階段的一個弊端就是續(xù)駛里程短，充電時間長。將電池箱快速更換，以充滿電的電池箱替換電量耗盡的電池箱，實現(xiàn)車輛繼續(xù)行駛，稱之為換電技術(shù)。這樣一種用車方式近年來也受到汽車行業(yè)的推崇。此外，換電電池箱單獨充電有利于提升充電效率、節(jié)約充電成本和提高電池使用壽命[14]。但是企業(yè)要想研發(fā)出自身特有的能規(guī)避專利保護的快換鎖止機構(gòu)也是一項難題。

3.7 動力總成懸置方案設(shè)計

不同于燃油汽車的動力總成主要由發(fā)動機、變速箱構(gòu)成，電動汽車的動力總成除了電機、變速箱之外，還有車載充電機、DC/DC、PTC加熱器等輔助零部件。除了考慮自身的NVH性能[15]，不同的零部件對振動的抵抗力不同。對于電動汽車來說，動力總成的各系統(tǒng)零部件采用什么樣的懸置方式固定來滿足功能、性能要求，以及達到一定的輕量化和低成本目標也是一項難題。

4 純電動汽車車身設(shè)計難點解決方案

4.1 車身底板梁系構(gòu)架解決方案

純電動汽車車身的底板梁系設(shè)計，首先要考慮的是能夠避開電池箱，并能形成完整連續(xù)的載荷傳遞路徑，也能夠自身成環(huán)形閉合結(jié)構(gòu)；然后要考慮關(guān)鍵接頭的連接和工藝；其次是電池箱固定點的布置和具體安裝點的結(jié)構(gòu)設(shè)計[16]。據(jù)此構(gòu)建出一種純電動汽車車身底板梁系方案，見圖5。

圖5 電動汽車車身底板梁系方案

該種車身底板梁系的優(yōu)點是，借助圖6 所示的三角架型結(jié)構(gòu)布置于前地板前部，利用三角形具有穩(wěn)定性功能在X向極短的路徑范圍內(nèi)改變載荷傳遞路徑，增加車身結(jié)構(gòu)耐撞性，保護電池箱。此外，該梁系構(gòu)架也極易實現(xiàn)車身“油改電”。

圖6 應(yīng)用于地板梁系的三角架型結(jié)構(gòu)

按上述方案思路搭建的某純電動汽車車身底板梁系方案見圖7，該方案基于某燃油汽車改款而成，不僅可實現(xiàn)大電池箱安裝固定，而且擁有良好的車身性能。在車身質(zhì)量不增加的前提下，車身扭轉(zhuǎn)剛度由燃油車的17 079 N·m/(°)提升到電動車的17 553 N·m/(°)，車身彎曲剛度由燃油車的20 876 N/mm提升到電動車的21 356 N/mm。

圖7 某電動車型車身底板梁系方案

對于純電動汽車車身專屬平臺，若是鋼制車身，車身底板梁系可按圖8所示的方案搭建；若是鋁制車身，車身底板梁系可按圖9所示的方案搭建，采用鋁鑄件作為車身前縱梁與前地板梁、前地板梁與后地板梁之間連接的過渡件。

圖8 某純電動專屬平臺車身底板梁系方案

圖9 某純電動純鋁車身底板梁系方案

4.2 車身結(jié)構(gòu)耐撞性提升解決方案

關(guān)于純電動汽車的車身結(jié)構(gòu)耐撞性，除了關(guān)注正面碰撞、側(cè)面碰撞和后碰撞，更要關(guān)注側(cè)面柱碰撞的車身結(jié)構(gòu)耐撞性。純電動汽車車身底板下方裝載質(zhì)量為300～400 kg 的動力電池，其整車重心相對于燃油汽車下移；當電動車輛發(fā)生正面碰撞或側(cè)面碰撞過程中，其車身變形模式與燃油汽車略有不同，并且需考慮對動力電池系統(tǒng)的保護，這是電動汽車與燃油車不同的地方。但是對此按常規(guī)的思路通過加強車身關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)設(shè)計是可以解決的。

對于純電動汽車，車身結(jié)構(gòu)耐撞性的困難點是其側(cè)面柱碰撞的車身結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計。側(cè)面柱碰撞試驗如圖10所示，撞擊接觸區(qū)域非常小，極易造成車身局部塌陷，傷害到駕駛員和擠壓到動力電池系統(tǒng)。

圖10 側(cè)面柱碰撞試驗

由于車身側(cè)面從底部到頂部呈弧形內(nèi)收趨勢，側(cè)面柱碰撞試驗時剛性柱首先撞擊到的是車身前車門，其次是門檻梁和中支柱，最后才有可能接觸到頂蓋邊部[17]，再加上前車門是安裝到車身前支柱和中支柱上，車身前支柱、中支柱的底端和門檻梁相連，故此提升側(cè)面柱碰撞耐撞性需優(yōu)先加強門檻梁的耐撞性設(shè)計。根據(jù)側(cè)面柱碰撞試驗規(guī)則，剛性柱撞擊的區(qū)域?qū)?yīng)于駕駛員座椅前、后橫梁之間，位于后橫梁與門檻梁搭接區(qū)域稍前方的位置，見圖11。

圖11 剛性柱撞擊的門檻梁區(qū)域

加強門檻梁的結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計可以從門檻梁斷面、門檻梁內(nèi)腔加強件和車身底板梁系3個方面入手，其中改變車身底板梁系方案是最行之有效的手段。具體方案主要有以下3種：

（1）向前方加寬駕駛員座椅后橫梁，實現(xiàn)剛性柱撞擊到駕駛員座椅后橫梁與門檻梁連接的區(qū)域；

（2）將駕駛員座椅后橫梁前移到剛性柱撞擊對應(yīng)的位置，額外增加駕駛員座椅后安裝點支架；

（3）增加斜撐梁連接門檻梁和駕駛員座椅后橫梁，形成三角形結(jié)構(gòu)，斜撐梁與門檻梁連接的位置正是剛性柱撞擊的位置。

按照第2種方案對某純電動汽車駕駛員座椅后橫梁位置進行調(diào)整，見圖12，并在梁內(nèi)部進行加強，調(diào)整后門檻梁的最大侵入量由327 mm 降低到228 mm，滿足了對電芯的保護要求。

圖12 某純電動汽車車身底板梁系前后對比

4.3 車身上前后懸架安裝點加強解決方案

針對純電動汽車整車整備質(zhì)量比同級別的燃油汽車質(zhì)量高出約300 kg 的現(xiàn)狀，加強前后懸架、副車架在車身上安裝點設(shè)計，主要是從安裝點局部結(jié)構(gòu)著手，避免安裝點位置局部應(yīng)力集中。傳統(tǒng)燃油車的后懸架安裝點采用圖13（a）示意的普通螺母即可固定，然而純電動車的后懸架安裝點通常需要改用圖13（b）示意的套管螺母才能達到要求。對比之下，普通螺母僅焊接在鋼板一側(cè)，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中；而套管螺母可以連接在并行的，有間距的2層板之前，形成工字型結(jié)構(gòu)，不容易形成應(yīng)力集中，故此強度更高。

圖13 后懸架安裝點結(jié)構(gòu)

除了整車整備質(zhì)量增加造成前后懸架、副車架在車身上安裝點需強化設(shè)計之外，對于后驅(qū)車型、輪轂電機版車型其在對應(yīng)的前后懸架、副車架安裝點處也需要做強化設(shè)計處理，故此套管螺母就發(fā)揮出應(yīng)有的效能。此外，在非承載式車身與車架連接點處，因承擔重要安裝點的固定功能，也推薦采用套管螺母。

4.4 車身防水解決措施

純電動汽車防水主要是解決車身的密封問題，實現(xiàn)車身乘客艙、行李箱皆成為干區(qū)。車身密封途徑主要分為以下7種類型[18]：

（1）車身密封面上通過孔的密封，包括：轉(zhuǎn)向軸過孔、制動器過孔、空調(diào)管路孔、線束過孔、電纜過孔、動力電池箱檢修口等，這些通過孔只要采取措施都可以解決密封問題；

（2）密封面上線束、護板、管路卡扣孔的密封，密封面上的卡扣固定點若不帶有密封結(jié)構(gòu)，很容易透過卡扣孔進水；

（3）密封面上防轉(zhuǎn)限位孔的密封，防轉(zhuǎn)限位孔若設(shè)置在密封面上，極易成為進水的通道，見圖14，故此禁止在密封面上設(shè)置防轉(zhuǎn)限位孔；

圖14 搭鐵點防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

（4）密封面上螺母孔、螺栓孔的密封，螺母孔、螺栓孔也有一定的進水量，因此密封面上也盡量減少螺母孔、螺栓孔的設(shè)計。若不可避免，需要評估進水量是否可以接受，根據(jù)需要加強密封膠的應(yīng)用；

（5）密封面上工藝孔的密封，密封面上的工藝孔在制造后期都需要用堵蓋或堵片封堵，結(jié)合密封效果及成本選用對應(yīng)的堵蓋或堵片；

（6）密封面上焊縫孔的密封，都需要涂抹焊縫密封膠或點焊密封膠封堵，對于車門止口處的密封，則需要通過鈑金搭接結(jié)構(gòu)進行改進[19]；

（7）車身腔體的阻斷，尤其是加強車身A、B、C 柱底端膨脹片的密封，實現(xiàn)膨脹片的布置能完全達到腔體阻斷的效果。

4.5 鋁合金車身設(shè)計解決方案

鋁合金車身設(shè)計考慮的關(guān)鍵因素在于鋁材的選用、車身性能、制造工藝和成本。鋁制車身的鋁材種類一般有鋁板、鋁型材和鋁鑄件。鋁型材多用于門檻梁、車身前縱梁、后縱梁、地板橫梁及防撞梁上，見圖15。鋁型材因截面形狀較為自由，可為“日、田、目”形狀[20]，較易滿足使用要求。鋁鑄件多用于前后懸架安裝點處，即前減振塔、后支柱，以及車身前縱梁與門檻梁連接過渡區(qū)、車身后縱梁與門檻梁連接過渡區(qū)，見圖16。此外，近2年大型一體式壓鑄件越來越受到行業(yè)重視，將后地板總成、前艙總成設(shè)計成一體式壓鑄件的車型逐漸增多。

圖15 鋁型材的應(yīng)用實例

圖16 鋁鑄件的應(yīng)用實例

在性能設(shè)計上鋁制車身與鋼制車身相同，都需考慮正面碰撞、側(cè)面碰撞、后碰撞及側(cè)面柱碰撞時的車身結(jié)構(gòu)耐撞性，前后懸架安裝點強度，碰撞過程中對駕乘人員和動力電池系統(tǒng)的保護。

在制造工藝上需考慮鋁板的拉延工藝性、鋁型材的拉彎工藝性，以及零部件之間連接工藝性。由于鋁板的拉延性能偏低，僅能用在結(jié)構(gòu)變化比較平緩的地方，否則需要考慮分件。由于鋁型材的拉彎工藝精度比較難控制，必要的地方可采用二維拉彎，需盡量避免三維拉彎。在鋁件之間的連接技術(shù)上，目前鋁點焊技術(shù)尚未普及，多數(shù)情況下還是采用鉚接、焊接和螺栓連接方式，也是設(shè)計時必須考慮的因素。此外，焊接無論是熔化極惰性氣體保護焊（Melt Inert Gas welding, MIG）[21]，還是非熔化極惰性氣體保護電弧焊（Tungsten Inert Gas welding,TIG），都容易造成尺寸偏差，也是需要考慮的因素。

在成本控制上，由于鋁鑄件模具費用較高，能采用鋁型材代替的地方，盡量減少鋁鑄件的使用率，除非提前預(yù)知開發(fā)車型有較大的產(chǎn)量可以分攤模具費用。

4.6 整車換電鎖止設(shè)計解決方案

市場上電動汽車的換電方案已出現(xiàn)多種，雖然換電方式差別較大，但是綜合情況都相近，都有各自的優(yōu)缺點。故此，換電技術(shù)發(fā)展尚未成熟，仍需改進和突破。

換電技術(shù)主要包括2部分：

（1）動力電池的固定點鎖止技術(shù)；

（2）電池系統(tǒng)與電機、電控之間的連接器技術(shù)。

目前動力電池的固定方式多采用吊掛式（圖17），也有采用抽屜式，2 種方式都存在位置精度控制的問題。在連接器的設(shè)計上，通常都采用可浮動式，但是車輛在行駛過程中出現(xiàn)顛簸抖動時經(jīng)常發(fā)生電路中斷，也是目前換電技術(shù)不能回避的難題。因此，電池箱固定點鎖止技術(shù)和連接器技術(shù)都需要進一步提升，亟待開發(fā)更好的換電鎖止技術(shù)。

圖17 換電車型的吊掛式電池箱方案

4.7 動力總成懸置設(shè)計解決方案

電動汽車動力總成懸置技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展大體上出現(xiàn)了3種常見的懸置方式（圖18～圖20）。圖18示意的動力總成懸置方式是將動力總成各系統(tǒng)零部件捆綁到一起，然后采用類似于發(fā)動機總成的3點式懸置方案。其弊端是捆綁在一起的各系統(tǒng)零部件都會隨著發(fā)動機、變速箱一起振動，容易出現(xiàn)耐久損壞問題。

圖18 動力總成一體式懸置結(jié)構(gòu)

圖19 示意的動力總成懸置方式是在車身的左右前縱梁之間架起一個類似于橋梁的大型橫梁，電機、變速箱采用3點式懸置吊掛在橫梁下方，充電機、DC/DC、PTC等零部件固定在橫梁上方。其弊端是橫跨在車身左右前縱梁之間的橫梁尺寸較大，成本較高；其次，電機、變速箱振動帶動橫梁微振動，也直接影響到橫梁固定零部件的可靠性。

圖19 動力總成吊橋式懸置結(jié)構(gòu)

圖20所示的動力總成懸置方式是電機、變速箱總成，仍像發(fā)動機那樣采用3點式懸置吊掛在左右懸置支架上，在左右懸置支架上架起一個相對小些的橫梁，實現(xiàn)對充電機、DC/DC、PTC的固定。相比之下，該方案橫梁上方固定的零部件受電機、變速箱的振動影響最小，成本也最低。

圖20 動力總成分體式懸置結(jié)構(gòu)

綜上所述，圖18示意的懸置方案算是第一代懸置方案，不建議再應(yīng)用。圖19示意的懸置方案算是第2代懸置方案，略差些。圖20示意的動力總成懸置方案作為第3代懸置方案，綜合最優(yōu)。

5 結(jié)束語

由于電動汽車搭載的重要零部件不同于燃油汽車，其車身結(jié)構(gòu)設(shè)計也不完全等同于燃油汽車，有著自身的難點和相應(yīng)的解決措施。其歸納如下：

（1）純電動汽車的車身底板梁系架構(gòu)需要結(jié)合動力電池系統(tǒng)的布置做到載荷傳遞完整、連續(xù)。

（2）可以從門檻梁斷面、門檻梁內(nèi)腔加強件和座椅橫梁的布置、斷面結(jié)構(gòu)及加強方案方面提升純電動汽車抗側(cè)面柱碰撞的結(jié)構(gòu)耐撞性。

（3）可以通過運用工字型加強件提升車身前后懸架安裝點結(jié)構(gòu)強度，避免使用開裂。

（4）可以通過加強車身密封面上通過孔的密封等7種密封形式，提升電動汽車的車身防水能力。

（5）可以通過應(yīng)用鋁合金材料提升電動車的輕量化水平，增加電動汽車的續(xù)駛里程。

（6）可以通過換電鎖止技術(shù)，為解決電動汽車用戶續(xù)駛里程焦慮，提供另外一種解決方案。

（7）可以通過合理的懸置方式，減輕動力總成及附件的振動，提升耐久性能和節(jié)約成本。

掌握以上這些純電動汽車車身設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)能大大提升純電動汽車車身設(shè)計水平，同時也能大大促進傳統(tǒng)燃油汽車車身設(shè)計能力的進步。

目前，制約純電動汽車發(fā)展的瓶頸在于動力電池。如果電池技術(shù)有了重大突破，電池能量密度能提升3～4倍，那么純電動汽車的電池箱就能做到和燃油汽車燃油箱一樣的尺寸，未來純電動汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計和燃油汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的區(qū)別會越來越小。