純電動乘用車車身架構設計

張海華 王鏑

（泛亞汽車技術中心有限公司）

近年來，隨著各國政府環保意識的不斷增強，以純電驅動為代表的新能源車產業出現了顯著增長。各大傳統車企和大量新興車企都投入了巨資進行電動車的研究開發，電動車的總布置方案也已有較多研究[1]。電動車用電池、電機、電控組成的三電系統替代了燃油車中的發動機、排氣管和油箱，因此對整車布置造成了較大的沖擊。而車身作為整車上安裝所有部件的主要結構，受到的影響尤為明顯。文章將從布置和性能兩方面，對乘用車車身架構從內燃機驅動到純電驅動的結構變化進行闡述。

1 布置驅動的純電動車車身結構變化

1.1 前艙結構變化

前艙結構主要是指乘客艙之前的所有部分，包括水箱框架、前縱梁、前輪罩、防火墻隔板和流水槽等系統。對于燃油發動機來說，在前艙需要占用較大的空間以保證安裝以及其在工作過程中的振動空間。圖1 示出一款典型的緊湊型乘用車左前縱梁結構。從圖1 可以看出，由于采用了橫置發動機布置，在縱梁結構上需要專門設計避讓空間，才能滿足動力總成的空間需求。這樣的設計一方面不利于正面碰撞，需要額外的加強結構進行局部增強，另一方面也限制了諸如擠壓鋁等新型材料和工藝的使用。因此在傳統能源驅動的車型中，只有輪距較大且采用縱置發動機布置的高檔車型，才能保證前縱梁截面完整。

圖1 典型的緊湊型燃油車前縱梁動力總成避讓結構

電動車所用的電動機體積大為減小，如果是輪轂電機，則在前艙完全不占用空間。因此電動車的動力總成在前艙區域對于車身結構空間的侵占現象獲得極大改善，大部分情況下可以保持完整的前縱梁截面，如圖2所示。這個優點對于汽車滿足正面碰撞性能需求有明顯的好處，同時使得即便是輪距較小的車型，也可以實現擠壓鋁合金在整條前縱梁上的應用。

圖2 典型的電動車前縱梁結構

1.2 中部乘客艙結構變化

中部乘客艙是乘用車中布置乘客的主要空間。在傳統能源乘用車的布置中，這部分主要考慮前排乘客的全部空間需求以及后排乘客的腳部空間需求，同時由于排氣管以及部分后驅或四驅的傳動軸布置需求，在前地板會有一個中央通道的結構設計，如圖3所示。這樣的結構斷開了前地板上的橫梁結構，并不利于滿足汽車的側面碰撞性能，往往需要額外的加強結構來保證足夠的強度，如圖4所示。

圖3 帶有中通道的典型乘用車下車體結構

圖4 連接地板橫梁的額外加強結構

由于純電動車并不需要排氣系統和縱向布置的傳動軸系統，因此省去了中央通道結構，地板上的橫梁從左到右可以保持完整，如圖5所示。

圖5 擁有完整地板橫梁的典型電動車下車體

由于當前對電動車續航里程的需求越來越高（400～500 km），按目前電池的能量密度，電池包需要的體積遠大于內燃機車所用的油箱，因此最佳的位置是布置在乘客艙的地板下面，如圖6所示。目前幾乎所有市場上的電動車都采用了這樣的方案。大部分燃油車在乘客艙下方有從前縱梁延伸過來的縱梁結構，如圖7所示，該結構在電動車上和電池包空間產生了沖突。通常的做法是為前縱梁在前排乘客腳部位置設計過渡結構，使之和門檻梁結構實現連接，如圖8所示。

圖6 常見的電動車電池布置方案

圖7 常見的燃油車車身底視圖

圖8 前縱梁連接到門檻結構的電動車車身底視圖

此外，電池包的這種布置方式導致了在人腳和地面之間增加了一段電池高度的距離。由于作為乘用車，車輛的通過性和乘客頭部空間需求都不能降低，因此電動車的離地間隙和頭部間隙相對于燃油車來說并不能減少多少，其結果就是電池推動乘員布置抬高，進而驅動整車高度上升。而整車高度抬高一方面會增加汽車的迎風面積，另一方面會導致外觀效果不流暢。為解決這些不利因素，目前工程上有3 種應對手段：1）開發目標車型選SUV 類的高頂車型，該類車型由于H 點較高，乘客艙結構以下可以容納足夠的電池高度；2）采用全景天窗（全玻璃頂蓋）等新技術，盡量減少車頂到頭部的距離；3）增加汽車軸距，以便調整人體坐姿，降低人體所需要的整體高度，同時更大的軸距也能容納更大的電池以確保續航。例如特斯拉的一系列產品就充分運用了上述3 種手段，即便是最小的Model 3 系列，其軸距也達到了2 845 mm，比奧迪A4 還要長近50 mm。

1.3 后部艙室結構變化

一般乘用車以第2 排乘員大腿中部為界，在該邊界之后的均屬于后部艙室。對于內燃機車型來說，后部艙室包含第2 排乘員軀干部的空間和行李箱空間兩部分。車外則布置了油箱和后懸架等底盤零件。出于對現有生產線的利用或和燃油車產品共線生產的考慮，當前各大汽車生產商對于電動車車身的設計都會考慮和其他現有產品的制造兼容[2]，然而由于電池體積較大，往往會向后延伸到常規的主定位孔區域。而電動車在乘客艙區域高度方向空間緊張，電池包和地板鈑金之間沒有足夠的間隙設計定位銷插入結構，因此車身主定位孔無法布置在乘客艙的地板下方，需要完全避讓開電池包才有合適的空間。在當前電池技術和續航里程要求的情況下，配有較大電池的電動車往往需要全新設計的主定位孔系統，而不能沿用燃油車的主定位孔系統，圖9 示出電動車主定位孔結構布置位置。

圖9 電動車主定位孔結構布置位置

另一方面，由于電動車沒有縱向布置的傳動軸，且所用的電機體積遠小于內燃機，因此對于有后驅或四驅需求的車型，很容易在后艙室下面直接布置一個電機，用以驅動后輪。這樣就會造成行李艙區域的地板拱起，影響到備胎的布置并且減小行李艙空間，如圖10所示。這一部分的損失可以通過在前艙設置第2 個行李艙進行一定程度的彌補。

圖10 后驅動電機對后艙地板鈑金的影響

2 性能驅動的純電驅動車車身結構變化

2.1 正面碰撞

由于電池是易燃易爆品，目前各國法規對于電動車在碰撞過程中電池的受損程度均有限制。正面碰撞工況分為正面剛性墻碰撞、正面40%重疊偏置碰撞和正面25%重疊偏置碰撞3 種。對于前2 種工況，電動車和燃油車在設計和要求方面均沒有太大的差別，兩者都是圍繞減少乘員傷害進行結構設計。相對而言，由于電動車的動力總成體積比內燃機車小很多，因此正面碰撞性能設計更為容易。然而在最近越來越多的國家所實行的正面25%重疊偏置碰撞工況下，電動車會經常遇到的一個問題就是在乘員所受到的傷害超標之前，電池包受到的結構入侵已經超過了法規許可，如圖11所示。

圖11 25%重疊偏置碰撞工況下電池包結構入侵示意圖（底視圖）

根據SAE 定義的電池機械沖擊要求，鋰電池在高級別的沖擊作用下不能發生爆炸或起火的極端工況。這就意味著，在該工況下，電動車對于電池的保護需求超過了對于乘員的保護需求。針對容易變形而損害電池的區域，需要額外增加加強零件進行結構增強，如圖12所示。

圖12 電池前方保護加強結構

2.2 側面碰撞

側面碰撞工況包含壁障臺車碰撞和側面柱撞（如圖13所示）2 種。

圖13 電動車側面柱撞工況

對于壁障臺車碰撞工況，由于壁障較大，碰撞載荷分散，門檻梁可以實現對電動車電池的有效保護，因而電動車的設計和要求都和內燃機車接近，即圍繞減少乘員傷害進行結構設計。然而對于側面柱撞工況，由于碰撞載荷集中，門檻結構受到的破壞和入侵較為嚴重，于是類似25%重疊偏置碰撞工況中遇到的情況，在乘員受到傷害之前，電池受到的結構入侵已經超過了法規許可。因此電動車針對側面柱撞的設計就主要圍繞如何保護電池而進行。為此電動車對于門檻區域往往采用各種額外加強手段。如果電池體積許可，會在門檻和電池包之間再設計1 根梁結構，如圖14所示。如果缺乏足夠空間，則會在門檻結構內部設計特殊的加強板，如圖15所示。

圖14 雙側梁結構布局的電動車架構

圖15 電動車門檻加強板總成結構

3 結論

一款乘用車的車身結構設計歸根到底服務于2 個方面的需求：對內是滿足人機布置的需求，對外是滿足底盤、造型和動力總成的需求。電動車在動力總成形式上相對于燃油車有了徹底的變化，而在人機的需求、行駛系的需求和造型的需求方面和燃油車依然是相近甚至是一致的。此外，由于當前電池技術水平發展的限制，電池包的尺寸往往都是盡可能地做大以滿足較長行駛里程的設計要求，以至于可以接近燃油車續航里程水平的純電動乘用車在尺寸上都達到了傳統意義的豪華車水準。這些特點使得電動車的車身結構既可以借鑒燃油車車身的部分思路，又需要針對電池包進行專門的保護或承載結構設計。未來隨著電池密度的增加以及電池包體積的縮小，電動車車身會回到燃油車車身的最大化緊湊狀態，甚至更進一步出現其他新形式的演化。