纯电动汽车车身结构特点分析与研究

2019-04-08李仲奎夏卫群樊树军徐泽彬林建阳

汽车工程学报 2019年5期

李仲奎，夏卫群，樊树军，袁亮，徐泽彬，林建阳

（东风汽车公司技术中心，武汉 430058）

随着能源紧缺和环境污染问题日趋加剧，节能和环保成为世界各国面临的重要问题，大力发展新能源汽车，实现交通能源转型，成为全世界汽车行业实现可持续发展的重要途径[1]。新能源汽车越来越受到人们的重视，特别是纯电动汽车因其安全、绿色、节能、环保而获得了消费者的青睐和国家的大力支持[2]。与传统燃油汽车相比，由于能量储存方式与汽车驱动形式的不同，导致电动汽车与传统燃油汽车在整车结构方面存在着较大的差异。

在目前电机技术、电池技术和能量控制策略日益完善的情况下，如何设计出符合电动汽车特点、充分发挥其节能优势、改善其能量利用率的电动汽车车身结构是汽车领域的重点和难点。从汽车设计的源头入手，探索出适合纯电动汽车车身开发的方法体系，形成其特有的车身结构方案，是解决问题的关键[3]。本文基于此，梳理出电动汽车的车身结构特点，为电动汽车车身开发提供参考依据。

1 电动汽车与传统汽车的对比

1.1 传统燃油汽车重要零部件布置

传统燃油汽车，一般前舱布置发动机、减速器，中通道下方布置排气管，中地板下方布置燃油箱，后地板下方布置排气管消声器，后翼子板上方布置加油口（图1）。

图1 传统燃油汽车重要零部件布置示意图

此外，市场上还存在部分车型采用前置后驱、中置后驱、后置后驱或前置四驱的形式，与上述布置的车身结构有一定的区别，但其主要是用在中高级车、跑车或越野车上。

1.2 电动汽车重要零部件布置

目前市场上的电动汽车大多数采用的布置方式是前舱布置电机、减速器、控制器，前地板和中地板下方布置动力电池，而充电口布置在前格栅、前翼子板或后翼子板处（图2）。

从电动汽车重要零部件的布置和结构来看，目前动力电池系统因体积大而影响车身地板结构，是电动汽车与传统燃油汽车的最大区别。此外，充电口因采用电缆与电池、电机相连，在布置上更偏向于车身前部。

当然，随着新技术的层出不穷，如轮毂电机技术[4]和石墨烯电池技术的出现，势必还会对未来的电动汽车车身结构造成影响，但是目前主流电动汽车主要用的还是永磁同步电机、三元锂电池技术等。

图2 电动汽车重要零部件布置示意图

2 电动汽车车身结构特点

2.1 乘客舱高度尺寸高于传统燃油汽车

传统燃油汽车，三厢车型乘客舱z向尺寸L一般约1.3 m左右，基于三厢车开发的sUV车型乘客舱z向尺寸一般约1.4 m左右（图3），两款车型乘客舱的高度差∆L在100 mm左右。相比之下，sUV车型的头部空间较为宽敞，而三厢轿车的头部空间较为紧张。

图3 三厢车型与sUV车型乘客舱z向尺寸对比

当车身地板下方布置动力电池时，三厢轿车的座椅下方即使有空间也会因头部空间不宽裕而不能上移座椅R点，而sUV车型因有较大的z向空间，不仅可以少许上移座椅R点，且座椅下方空间原本就比较宽裕。

为了满足三厢轿车能装载更大的电池箱并具备较好的人机舒适性，往往需要增大三厢轿车乘客舱的z向尺寸，直到近似sUV乘客舱z向尺寸的水平。

当受限于造型和空气动力学，不能增加三厢轿车乘客舱的z向尺寸时，可考虑将座椅R点前移，同时将驾驶员脚踵点向前移和上移，如图4中的①和②所示，形成类似于运动车型座椅的躺卧姿势。

图4 人机工程分析示意图

2.2 车身前、后悬架长度尺寸小于传统燃油汽车

电动汽车的前舱布置电机、减速器、控制器，与传统燃油汽车的发动机、减速器、控制器相比，占有更小的空间。当车辆发生正面碰撞时，电动汽车的前围挡板侵入量相对会小些，所以电动汽车的前舱x向尺寸可以设计得比传统燃油汽车小一些，也就是车身前悬架尺寸可以更小些。

传统燃油汽车动力总成x向尺寸和电动汽车动力总成x向尺寸如图5和图6所示，比较这两类车的动力总成的x向尺寸数值可知，后者比前者小200 mm左右。因此，对于同样的前舱装载两种不同的动力总成，当发生正面碰撞时，电动汽车动力总成对前舱的侵入程度会小很多。

图5 传统燃油汽车动力总成x向尺寸

图6 电动汽车动力总成x向尺寸

综上所述，当开发电动汽车时，可以将前舱的x向尺寸设计得小一些，即电动汽车的前悬架尺寸可以相对小些。对于同级别的车型，电动汽车前悬架尺寸可以比传统燃油汽车的前悬架尺寸小150 mm左右。

此外，传统燃油汽车因追求较大的行李箱空间，往往设计有较长的后悬架，而目前电动汽车的续驶里程通常在300 km左右，很少跑长途，也不需要太大的行李箱，所以行李箱可以设计得较小些，相应地，后悬架尺寸也就可以短一些。

在保证电动汽车碰撞安全性的前提下，将整车前、后悬架尺寸设计得短些，可有效起到轻量化和降低能耗的作用。

2.3 车身前纵梁位置高度低于传统燃油汽车

传统燃油汽车动力总成拥有较大的体积，采用3点悬置结构，两侧两个吊耳可以正好悬置于车身左右前纵梁上，如图7中实线所示。而电动汽车动力总成体积较小，并且电机在下方，控制器在上方，相对比较独立，若也采用3点悬置固定结构，其电机、减速器相对于车身前纵梁位置就低很多。为减少两侧悬置支架的z向高度，车身前纵梁的z向位置就可以设计得低一些，如图7中虚线所示。

图7 燃油汽车和电动汽车动力总成横断面

对于电动汽车，车身前纵梁的位置降低，不仅有利于电机、减速器的悬置，也有利于载荷传递路径的顺畅性和正面碰撞时的行人保护。如图8所示，①是前纵梁原位置，②是前纵梁下移后的位置。将前纵梁下移后，不但载荷传递路径更趋近于平直，而且前防撞梁也同时下移，即使身高偏矮的行人，防撞梁也能撞到膝盖处，有利于行人倒在机罩上，避免被碾压。

图8 车身前纵梁z向位置变化

2.4 车身底板骨架梁结构不同于传统燃油汽车

传统燃油汽车车身的底板骨架结构如图9所示，车身前纵梁向后延伸到前地板下纵梁a和b，同时在中通道两侧有加强纵向梁c和d。其它车型车身的底板骨架梁与此大同小异。

图9 传统燃油汽车车身底板骨架结构

对于电动汽车，当动力电池布置在车身前地板和中地板下方时，原有的车身底板骨架结构就会受到影响，因此需对底板骨架结构做较大的变更。可采用的方式是取消图9中的c和d，同时外移a和b，形成图10中的e和f。此外，为达到载荷传递路径的通畅，在车身前纵梁和前地板内纵梁之间增加g和h，满足电动汽车底板骨架的合理性。

图10 电动汽车车身底板骨架结构（Ⅰ）

另外一种电动汽车底板骨架结构形式如图11所示，多应用在全新开发的电动汽车底板骨架上。在保证前纵梁和前地板内纵梁各自位置的前提下，尽量实现其连接区域的顺畅，如图中j段和k段，达到平滑过渡的效果。

图11 电动汽车车身底板骨架结构（Ⅱ）

2.5 碰撞安全策略不同于传统燃油汽车

电动汽车因车身底板下方装载300～400 kg重的动力电池，其整车重心相对于燃油汽车下移，如图12所示。当电动汽车发生正面碰撞或侧面碰撞时，其车身变形模式与燃油汽车略有不同。对于正面碰撞，由于动力电池位置偏低，将车身前纵梁下移既有利于载荷路径传递，又有利于对动力电池的保护。对于侧面碰撞，若既要保护驾乘人员又要保护动力电池，在车身设计时就需考虑设计成车身底板横向强度高，B柱中上段强度高，B柱下段强度偏低，这样可达到门槛梁少变形以保护动力电池，B柱中上段少变形以保护驾驶员，B柱下段多变形以达到吸能的效果。

根据法规，燃油汽车的碰撞考核主要是对驾乘人员的保护，车门能否开启，燃油是否泄漏。而电动汽车的碰撞考核内容需增加对动力电池的保护，避免碰撞过程中电池发生爆炸或起火燃烧[5]。目前，通常以碰撞过程中电芯不脱离自己的位置和不受到挤压作为判定条件。

图12 电动汽车整车重心下移示意图

2.6 车身前后悬架固定点强度高于传统燃油汽车

对于同级别的电动汽车和燃油汽车，一般电动汽车整车质量要高于燃油汽车至少200 kg以上。通常可以满足燃油汽车前后悬架固定点强度的局部车身结构，用到电动汽车上，可能出现前、后悬架固定点强度不足的情况。因此，在电动汽车的车身设计方面，前后悬架固定点强度是重点关注内容之一，除了仿真分析，实车耐久试验必不可少。如果前期未能有效防止，后期进行设计变更，势必造成模具费用的增加和开发周期的延长。

目前少数车身前、后悬架安装点处采用铸件结构，是旨在提升强度的同时兼顾轻量化所采用的新技术（图13），采用铸件更容易提升前、后悬架的固定点强度。常用的铸件有铸铝、镁铝合金等[6]。

2.7 充电插口的布置多选取在前格栅处

电动汽车充电插口包括快充和慢充两种。如果充电插口布置在车身后翼子板上原加油口处，那么位于前舱的电机就需要很长的电缆线在充电插口、电池、电机之间相互连接，此外，在后地板两侧由于存在后悬架安装支架和后轮罩前下端尖锐的钣金结构，所以很难设置电缆通道。当充电插口布置在车身前部，电缆的长度问题和通道问题就相对容易解决。因此，目前多数电动汽车将充电插口布置在车身前部，尤其是在前格栅处。多数车型是将快、慢充电插口集中布置（图14），少数采用分离布置在前格栅的两侧。

图13 某车型车身铸铝件应用区域

图14 某电动汽车充电插口布置方式

此外，还有少数车型将充电插口布置在前翼子板上，存在的问题是电缆较难按预定走向弯转。

3 电动汽车车身的实例化结构

3.1 电动汽车的整体轮廓

根据前文所述，为满足动力电池布置和人机工程，电动汽车的乘客舱高度需高于传统燃油汽车。前舱因布置电机占用x向空间尺寸较小，在正面碰撞过程中对前围板侵入量小，可以将车身前悬架尺寸适当减小一些。行李箱空间因电动汽车续驶里程较短，对行李的装载需求没有燃油汽车高，可以将车身后悬架尺寸减小。电动汽车的整车尺寸如图15所示。

图15 电动汽车整车断面

然而，按照图15设计出的汽车，其外观的总体造型并不太符合人们普遍的审美观，既要达到电动汽车的尺寸要求，又要符合审美要求，电动汽车更适合设计成高度偏高的两厢车和sUV车型，如图16所示。

图16 某电动汽车整车外观图

3.2 电动汽车的底板结构

如前文所述，电动汽车车身底板骨架结构不同于传统燃油汽车，参照图10的构想设计的电动汽车底板实物结构如图17所示。实车经过仿真分析和试验验证，都证明拥有较优的性能。装载在该地板中的动力电池结构如图18所示。

图17 某电动汽车底板实物结构

图18 某电动汽车动力电池结构

3.3 电动汽车的B柱结构

电动汽车的B柱结构总体设计目标是中、上段强度偏高，底段强度偏低。如图19所示，B柱由侧围外板、里板、加强板、中间加强板四层板构成，其中B柱中间加强板仅在B柱中上部设置一段，用来加强B柱的中上段，且B柱里板底段因设计有安全带卷收器过孔，进一步弱化了B柱底段强度。总之，达到了侧面碰撞过程中B柱中上段少变形，B柱底段多变形进行吸能的目的。