具有輕型車身結構的微型電動車

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1 起因和開發目標

目前，全球已有54%的人口居住在城市，而按照聯合國的預測，至2050年城市居民的比重將占到66%[1]。隨著城市化的快速發展，將加劇交通擁堵、城市噪聲和環境污染等現象。為了降低CO2排放，歐盟于2009年通過了1項法規，至2020年汽車的平均CO2排放量必須降低到95 g/km[2]。除了降低廢氣排放之外，在開發新車型時還必須考慮到用戶的需求[3-4]。

由于僅有10%的城市居民的日平均行駛里程超過90 km[5]，因此考慮到各種不同的氣候條件，可設計城市微型電動車的蓄電池容量。車輛不僅要兼顧高性能和低成本，還必須考慮到安全性與可靠性[3]，并且在發生交通事故時必須確保乘客及駕駛員的人身安全[6]。為此歐洲新車鑒定程序協會(NCAP)于2014和2016年對輕型電動車(L7e)的被動安全性進行了試驗。試驗結果表明了其關鍵性的結構弱點,以及安全帶回拉系統不足以起到保護作用，因而存在使乘客受傷的較高風險[7-8]。德國工程師協會(VDI)根據測試得出的安全性水平，與常規M1級車輛相比較，于2013年建議對質量在400～800 kg之間的車輛實施M0級車輛進行等級劃分[6]。這也促進了更安全可靠和高效的城市微型電動車的開發積極性。因此設計了一種新款微型電動乘用車Epsilon兼具很高的安全性和輕型車結構，在設計之初按照M0級設計，以填補L7e與M1車輛之間車型段的空缺。并在項目開始時確定了下列規范：

(1)單位里程電耗小于80 Wh/km；

(2)汽車質量小于600 kg；

(3)0～100 km/h加速時間小于10 s；

(4)電動車行駛里程大于150 km；

(5)在按NCAP為規范的碰撞試驗中評為四星級。

2 車輛方案的開發

開發過程中，Fiat技術中心(CRF)進行了市場分析和用戶調研，確定了用戶對微型電動車主要用于上班及閑暇之余使用，要求行駛安全性及舒適性，特別是要考慮到充電時間短，并具有足夠的行駛里程，以及適用于城市的運載能力。同時在詳細的用戶調查中，已確認了運載4人的運輸容量及可變的行李艙裝載空間等設計參數。根據城市交通運輸中的用戶需求，考慮較低的實際購置成本和維護保養成本，以此推斷出最小輕型車方案的設計要求。

首先，根據設計要求開發車輛外形。圖1示出了2個適合于95%體形的男性和5%體形的女性的裝載容量方案。該車輛外形方案呈現出較小的基本尺寸、較低的車輛重心和后橋上緊湊的動力總成，其特點是駕駛員與副駕駛員座位在車輛長度方向上錯位15 cm，高效利用了車內空間，有效減小了車輛寬度，而且駕駛員后方的第三個人能有充分放置腿部的空間。在設計開始時就調整好車輛外形方案，在后續的設計過程中為整車開發預留了結構空間，這樣就能進行動力裝置、底盤和白車身(BiW)等總成的平行設計，并被整合在1個整車虛擬模型中。這種車輛方案的重要技術數據匯總于表1。

圖1 車輛裝載容量方案

3 結構設計和被動可靠性

為了滿足具有挑戰性的輕量化和安全性的開發目標，為車身開發選擇了1種整體輕量化的結構型式，兼顧了布局優化、功能集成的設計理念，并從幾何學角度發揮材料潛力來減輕質量。在布局優化方面，針對碰撞情況和靜態負荷狀況分析了基于車輛外形方案的結構空間，以便查明車身主要負載路徑上的最佳材料分配，其優化結果用作BiW設計的結構基礎。圖2示出了碳素纖維增強塑料(CFK)和鋁混合結構型式空間框架車身的詳細設計方案，又稱為CFK-Al空間框架。

表1 epsilon微型電動車方案技術數據

圖2 CFK-Al空間框架

前車、側檻變形件和后緩沖裝置都用鋁擠壓型材制成，而CFK多腔型材則是采用Axon Automotive公司專利制造工藝方法制成的，其中各個腔室都由碳素纖維編織層包裹的泡沫塑料芯構成。這種CFK空間框架結構設計采用尺寸為60 mm×60 mm或60 mm×120 mm的標準化型材橫斷面。通過使用標準化型材橫斷面的沖壓模具降低了成本。這種CFK空間框架結構用蒙板密封，同時與CFK型材粘合，形成了結構接合件。外部蒙板塑造出車輛外形，但是在設計時并未考慮到其對車身機械性能的影響。

圖3 碰撞試驗動態負荷

圖4 碰撞前后和變形過程期間試驗車輛和模擬模型

車身開發是本身質量達到600 kg，滿足歐洲NCAP和美國聯邦機動車標準(FMVSS)安全性規定的關鍵因素。對于BiW設計，包括BiW、車門和門鎖零件、外部蒙板及車窗玻璃和裝配件在內的極限質量為210 kg。為了達到該目標，借助于有限元模擬針對扭轉和彎曲應力及圖3所示的動態負荷狀況來設計BiW。從最大侵入程度和加速度方面來評定這些試驗結果。Autoliv公司根據計算的加速度曲線設計了乘客安全帶回拉系統，而且還由Graz理工大學汽車安全性研究所分析了行人保護。在這些試驗研究結果的基礎上，按照歐洲NCAP進行評定，期望能達到四星級要求。為了保證模擬計算結果的正確性，Graz理工大學汽車安全性研究所，按照歐洲NCAP進行50 km/h速度和100%覆蓋堅硬障礙物真實整車碰撞試驗。碰撞試驗車輛包括CFK-Al空間框架結構、底盤以及動力總成模擬系統和牽引蓄電池及重要封裝部件，使得該試驗車輛總質量為600 kg，并附加設置了75 kg重的H3假人(代表平均體重條件下的男性駕駛員)。圖4示出了碰撞前后和變形過程期間試驗車輛和模擬模型的狀況。通過模擬和真實試驗之間的幾何學比較，表明了鋁前車結構變形特性具有良好的一致性。CFK空間框架結構形成了1個可靠的安全盒，在試驗和模擬中僅呈現出最小的侵入程度。因此這些物理試驗結果證實了模擬計算結果，并表明未來的M0級微型車具有可靠安全的車輛結構，為行人保護提供了良好的理論基礎。

4 示范車輛

在虛擬車輛開發的基礎上建造了1輛可供行駛的樣車(圖5)。車輛外形在緊湊的尺寸條件下顯示出一種獨特設計。為了建造樣車，首先開發了動力總成系統，并進行穩態運行試驗，同時建造車身，并完成車體裝飾和內飾，此外還使用了量產車的零部件，例如底盤部件、動力總成部件以及暖通空調(HVAC)系統。另外，還為樣車開發了容量為15.6 kW·h的空氣冷卻蓄電池系統，該系統配備了Panasonic公司生產的1 530個18650PF型蓄電池單元(102組串聯，15組并聯)，運行電壓為367 V。100 mm厚的地板下蓄電池裝置與較小的車體寬度相結合能達到較小的1.8 m2正面面積。為了盡可能縮短充電時間，除了交流電接頭之外還考慮了直流電接頭，這樣就能在25 min內使800 V和24 kW的蓄電池電量從15%快速充電到80%。

圖5 可供行駛的樣車

5 結論和展望

Epsilon車輛方案顯示了輕型、安全、高效的微型電動車專門用于城市交通具備的潛力，并填補了L7e與M1級車型之間的空缺。特別是通過輕量化和安全性具佳的CFK-Al空間框架結構，不僅在理論上，而且通過樣車碰撞試驗已證實了這種車型的安全性。在虛擬設計方案的基礎上，還制造了可供行駛的樣車。在后續工作過程中，將進行行駛試驗和效率測試。此外，還將公開展示該車輛的道路試驗情況，并進行詳細的用戶使用研究，促使市場接受從而投產這類車型。

[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 europ?ischen parlaments und des rates[R]. Europ?ische 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 mobilit?t 2020 - die automobilindustrie im umbruch?[R]. Arthur D. Little，2009.

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

[6] N N. Elektromobilit?t und sicherheit[R]. Positionspapier，VDI，2013.

[7] N N. Sicherheit von vierr?drige 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.