具有轻型车身结构的微型电动车

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1 起因和开发目标

目前，全球已有54%的人口居住在城市，而按照联合国的预测，至2050年城市居民的比重将占到66%[1]。随着城市化的快速发展，将加剧交通拥堵、城市噪声和环境污染等现象。为了降低CO2排放，欧盟于2009年通过了1项法规，至2020年汽车的平均CO2排放量必须降低到95 g/km[2]。除了降低废气排放之外，在开发新车型时还必须考虑到用户的需求[3-4]。

由于仅有10%的城市居民的日平均行驶里程超过90 km[5]，因此考虑到各种不同的气候条件，可设计城市微型电动车的蓄电池容量。车辆不仅要兼顾高性能和低成本，还必须考虑到安全性与可靠性[3]，并且在发生交通事故时必须确保乘客及驾驶员的人身安全[6]。为此欧洲新车鉴定程序协会(NCAP)于2014和2016年对轻型电动车(L7e)的被动安全性进行了试验。试验结果表明了其关键性的结构弱点,以及安全带回拉系统不足以起到保护作用，因而存在使乘客受伤的较高风险[7-8]。德国工程师协会(VDI)根据测试得出的安全性水平，与常规M1级车辆相比较，于2013年建议对质量在400～800 kg之间的车辆实施M0级车辆进行等级划分[6]。这也促进了更安全可靠和高效的城市微型电动车的开发积极性。因此设计了一种新款微型电动乘用车Epsilon兼具很高的安全性和轻型车结构，在设计之初按照M0级设计，以填补L7e与M1车辆之间车型段的空缺。并在项目开始时确定了下列规范：

(1)单位里程电耗小于80 Wh/km；

(2)汽车质量小于600 kg；

(3)0～100 km/h加速时间小于10 s；

(4)电动车行驶里程大于150 km；

(5)在按NCAP为规范的碰撞试验中评为四星级。

2 车辆方案的开发

开发过程中，Fiat技术中心(CRF)进行了市场分析和用户调研，确定了用户对微型电动车主要用于上班及闲暇之余使用，要求行驶安全性及舒适性，特别是要考虑到充电时间短，并具有足够的行驶里程，以及适用于城市的运载能力。同时在详细的用户调查中，已确认了运载4人的运输容量及可变的行李舱装载空间等设计参数。根据城市交通运输中的用户需求，考虑较低的实际购置成本和维护保养成本，以此推断出最小轻型车方案的设计要求。

首先，根据设计要求开发车辆外形。图1示出了2个适合于95%体形的男性和5%体形的女性的装载容量方案。该车辆外形方案呈现出较小的基本尺寸、较低的车辆重心和后桥上紧凑的动力总成，其特点是驾驶员与副驾驶员座位在车辆长度方向上错位15 cm，高效利用了车内空间，有效减小了车辆宽度，而且驾驶员后方的第三个人能有充分放置腿部的空间。在设计开始时就调整好车辆外形方案，在后续的设计过程中为整车开发预留了结构空间，这样就能进行动力装置、底盘和白车身(BiW)等总成的平行设计，并被整合在1个整车虚拟模型中。这种车辆方案的重要技术数据汇总于表1。

图1 车辆装载容量方案

3 结构设计和被动可靠性

为了满足具有挑战性的轻量化和安全性的开发目标，为车身开发选择了1种整体轻量化的结构型式，兼顾了布局优化、功能集成的设计理念，并从几何学角度发挥材料潜力来减轻质量。在布局优化方面，针对碰撞情况和静态负荷状况分析了基于车辆外形方案的结构空间，以便查明车身主要负载路径上的最佳材料分配，其优化结果用作BiW设计的结构基础。图2示出了碳素纤维增强塑料(CFK)和铝混合结构型式空间框架车身的详细设计方案，又称为CFK-Al空间框架。

表1 epsilon微型电动车方案技术数据

图2 CFK-Al空间框架

前车、侧槛变形件和后缓冲装置都用铝挤压型材制成，而CFK多腔型材则是采用Axon Automotive公司专利制造工艺方法制成的，其中各个腔室都由碳素纤维编织层包裹的泡沫塑料芯构成。这种CFK空间框架结构设计采用尺寸为60 mm×60 mm或60 mm×120 mm的标准化型材横断面。通过使用标准化型材横断面的冲压模具降低了成本。这种CFK空间框架结构用蒙板密封，同时与CFK型材粘合，形成了结构接合件。外部蒙板塑造出车辆外形，但是在设计时并未考虑到其对车身机械性能的影响。

图3 碰撞试验动态负荷

图4 碰撞前后和变形过程期间试验车辆和模拟模型

车身开发是本身质量达到600 kg，满足欧洲NCAP和美国联邦机动车标准(FMVSS)安全性规定的关键因素。对于BiW设计，包括BiW、车门和门锁零件、外部蒙板及车窗玻璃和装配件在内的极限质量为210 kg。为了达到该目标，借助于有限元模拟针对扭转和弯曲应力及图3所示的动态负荷状况来设计BiW。从最大侵入程度和加速度方面来评定这些试验结果。Autoliv公司根据计算的加速度曲线设计了乘客安全带回拉系统，而且还由Graz理工大学汽车安全性研究所分析了行人保护。在这些试验研究结果的基础上，按照欧洲NCAP进行评定，期望能达到四星级要求。为了保证模拟计算结果的正确性，Graz理工大学汽车安全性研究所，按照欧洲NCAP进行50 km/h速度和100%覆盖坚硬障碍物真实整车碰撞试验。碰撞试验车辆包括CFK-Al空间框架结构、底盘以及动力总成模拟系统和牵引蓄电池及重要封装部件，使得该试验车辆总质量为600 kg，并附加设置了75 kg重的H3假人(代表平均体重条件下的男性驾驶员)。图4示出了碰撞前后和变形过程期间试验车辆和模拟模型的状况。通过模拟和真实试验之间的几何学比较，表明了铝前车结构变形特性具有良好的一致性。CFK空间框架结构形成了1个可靠的安全盒，在试验和模拟中仅呈现出最小的侵入程度。因此这些物理试验结果证实了模拟计算结果，并表明未来的M0级微型车具有可靠安全的车辆结构，为行人保护提供了良好的理论基础。

4 示范车辆

在虚拟车辆开发的基础上建造了1辆可供行驶的样车(图5)。车辆外形在紧凑的尺寸条件下显示出一种独特设计。为了建造样车，首先开发了动力总成系统，并进行稳态运行试验，同时建造车身，并完成车体装饰和内饰，此外还使用了量产车的零部件，例如底盘部件、动力总成部件以及暖通空调(HVAC)系统。另外，还为样车开发了容量为15.6 kW·h的空气冷却蓄电池系统，该系统配备了Panasonic公司生产的1 530个18650PF型蓄电池单元(102组串联，15组并联)，运行电压为367 V。100 mm厚的地板下蓄电池装置与较小的车体宽度相结合能达到较小的1.8 m2正面面积。为了尽可能缩短充电时间，除了交流电接头之外还考虑了直流电接头，这样就能在25 min内使800 V和24 kW的蓄电池电量从15%快速充电到80%。

图5 可供行驶的样车

5 结论和展望

Epsilon车辆方案显示了轻型、安全、高效的微型电动车专门用于城市交通具备的潜力，并填补了L7e与M1级车型之间的空缺。特别是通过轻量化和安全性具佳的CFK-Al空间框架结构，不仅在理论上，而且通过样车碰撞试验已证实了这种车型的安全性。在虚拟设计方案的基础上，还制造了可供行驶的样车。在后续工作过程中，将进行行驶试验和效率测试。此外，还将公开展示该车辆的道路试验情况，并进行详细的用户使用研究，促使市场接受从而投产这类车型。

[1] N N. World urbanization prospects[R]. United Nations：Department of Economic and Social Affairs，2014.

[2] N N. Verordnung (EG) Nr. 443/2009 des europäischen parlaments und des rates[R]. Europäische Union，2009.

[3] N N. A new era, accelerating toward 2020 - an automotive industry transformed[R]. Deloitte Touche Tohmatsu Ltd，2009.

[4] Winterhoff M. Zukunft der mobilität 2020 - die automobilindustrie im umbruch?[R]. Arthur D. Little，2009.

[5] Johänning K. Infrastruktur elektrofahrzeuge - nutzungspotentiale für den elektro-pkw[C]. Internationales Verkehrswesen，2011，7.

[6] N N. Elektromobilität und sicherheit[R]. Positionspapier，VDI，2013.

[7] N N. Sicherheit von vierrädrige leicht- kraftfahrzeugen[OL]. http://www.euroncap.com/de/.fahrzeugsicherheit/sicherheitskampagnen/2014-sicherheit-von-vierraedrige-leichtkraftfahrzeuge/Euro NCAP，2014.

[8] N N.Sicherheit von leichtkraftfahrzeugen[OL]. http://www.euroncap.com/de/fahrzeugsicherheit/ sicherheitskampagnen/2016-sicherheit-von-leicht-kraftfahrzeugen/Euro NCAP，2016.