純電動(dòng)專屬車身平臺(tái)架構(gòu)開發(fā)與應(yīng)用

楊宏 黃興 陳東 耿富榮 李永祥 吳純福

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院）

新能源汽車將成為我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向，到“十三五”規(guī)劃末期，國(guó)內(nèi)新能源汽車總產(chǎn)銷量有望突破500 萬(wàn)輛，產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模和質(zhì)量有望取得更大的進(jìn)步，其中純電動(dòng)汽車是重要的發(fā)展方向[1-3]。由于純電動(dòng)汽車具有高續(xù)航里程需求，要求動(dòng)力電池體積較大，并且對(duì)電池包碰撞要求更為嚴(yán)苛，文章介紹了一種鋼鋁混合車身平臺(tái)架構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)車型的大電池包布置空間需求和高輕量化水平，并且通過CAE分析和試驗(yàn)驗(yàn)證了該車身平臺(tái)架構(gòu)的高安全性。

1 純電動(dòng)專屬車身平臺(tái)架構(gòu)開發(fā)流程

車身平臺(tái)架構(gòu)開發(fā)依據(jù)整車EV 平臺(tái)對(duì)產(chǎn)品規(guī)劃及車型之間衍生關(guān)系進(jìn)行定義。某車企純電動(dòng)專屬平臺(tái)架構(gòu)在軸距2 700～3 100 mm 內(nèi)規(guī)劃了EV2 和EV3子平臺(tái)，包含了SUV，Cross，Sedan，MPV 不同車型的開發(fā)。首先，根據(jù)平臺(tái)架構(gòu)規(guī)劃的車型及軸距范圍、人機(jī)布置、目標(biāo)市場(chǎng)等信息，設(shè)定車身平臺(tái)的關(guān)鍵性能指標(biāo)、質(zhì)量指標(biāo)、成本指標(biāo)；然后，考慮目標(biāo)市場(chǎng)法規(guī)要求，進(jìn)行多目標(biāo)車身結(jié)構(gòu)分析，定義車身平臺(tái)概念框架數(shù)據(jù)和關(guān)鍵位置截面；根據(jù)布置輸入和車型拓展規(guī)劃，構(gòu)思車身平臺(tái)模塊化拓展策略、車身性能拓展策略；同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)線的工藝布置、夾具與運(yùn)具參數(shù)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)平臺(tái)車型的共線化生產(chǎn)；最后，利用CAE 分析驗(yàn)證純電平臺(tái)白車身是否達(dá)到剛度、模態(tài)和碰撞安全目標(biāo)并開展實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 純電動(dòng)專屬車身平臺(tái)拓展性能開發(fā)

由于下車體是動(dòng)力總成、底盤和空調(diào)電子等重要總成、系統(tǒng)模塊安裝的主要位置，同時(shí)也是碰撞能量分解和吸收的主要結(jié)構(gòu)，因此下車體是車身平臺(tái)的主要載體，也是車身平臺(tái)開發(fā)的重點(diǎn)[4-5]。另一方面，消費(fèi)者對(duì)汽車造型的個(gè)性化風(fēng)格需求越來(lái)越明顯，所以上車體結(jié)構(gòu)主要隨造型的變化進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。

2.1 車身平臺(tái)尺寸拓展

純電動(dòng)車身平臺(tái)下車體架構(gòu)縱向梁與橫向梁采用了鋁擠出件形式，通過改變擠出件長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)前后懸、軸距的變化；關(guān)鍵接頭采用鋁鑄件形式來(lái)解決連接和不同安裝點(diǎn)變化的需求。但是為了實(shí)現(xiàn)同平臺(tái)車型較高的零件共用率水平，對(duì)車身部分尺寸和拓展范圍需要做一定限定，相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如表1 所示。

表1 純電車身平臺(tái)尺寸與拓展范圍設(shè)定 mm

2.2 平臺(tái)車型的人機(jī)布置拓展開發(fā)

該純電動(dòng)專屬平臺(tái)構(gòu)架中EV2 子平臺(tái)覆蓋軸距2 700 ～2 900 mm，代表車型為A18；EV3 子平臺(tái)覆蓋軸距2 900～3 100 mm，代表車型為A12。2 個(gè)車型的參數(shù)和配置，如表2 所示。

表2 A12 與A18 車型開發(fā)參數(shù)配置對(duì)比表

除了上述電池包容量、前后懸架形式的不同外，2 款車型的副車架尺寸和安裝點(diǎn)以及人機(jī)布置空間需求也各不相同。為了保證車身結(jié)構(gòu)平臺(tái)架構(gòu)的一致性，同時(shí)兼容人機(jī)和布置上的差異性，利用了鑄件的設(shè)計(jì)靈活性和擠出件長(zhǎng)度可調(diào)特性來(lái)對(duì)應(yīng)。

2.2.1 人機(jī)布置差異對(duì)應(yīng)

A12 前圍板下橫梁采用了鋁擠出件，而A18 采用的是鋁鑄造件。這樣設(shè)計(jì)是因?yàn)锳18 車型前輪心到前踏點(diǎn)的距離（A 值）只有460 mm，A12 的A 值達(dá)到了530 mm，如果A18 同樣采用等截面的鋁擠出件方案，由于X 向布置空間不足將導(dǎo)致慢充線束及制動(dòng)管路徑與車身的間隙達(dá)不到要求值，因而底部采用鑄件結(jié)構(gòu)形式可以靈活設(shè)計(jì)一個(gè)避讓缺口，同時(shí)也能保證碰撞安全需求，如圖1 所示。

圖1 2 款車型尺寸差異與前圍下橫梁方案示意圖

2.2.2 機(jī)艙布置差異對(duì)應(yīng)

A12 和A18 的電機(jī)、差速器和減速器以及功率、電壓、控制系統(tǒng)的外輪廓尺寸和安裝點(diǎn)都不盡相同，對(duì)于機(jī)艙布置的差異主要通過調(diào)整安裝至前縱梁底面的組合支架的結(jié)構(gòu)形式來(lái)吸收。機(jī)艙布置差異的車身兼容對(duì)策，如圖2 所示。

圖2 機(jī)艙布置差異車身兼容對(duì)策示意圖

2.2.3 電池包容量差異對(duì)應(yīng)

目前電池包容量拓展主要通過增加電池模組數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以不同容量電池包的尺寸和質(zhì)量不同。對(duì)于電池包尺寸和質(zhì)量的差異，主要通過更改車身上鋁擠出件的長(zhǎng)度及對(duì)應(yīng)的電池包安裝點(diǎn)數(shù)量來(lái)對(duì)應(yīng)。電池包容量拓展的車身兼容對(duì)策，如圖3 所示。

圖3 電池包容量拓展車身兼容對(duì)策示意圖

2.2.4 底盤硬點(diǎn)差異對(duì)應(yīng)

對(duì)于各種底盤前后懸架形式和它們對(duì)應(yīng)的副車架尺寸和安裝點(diǎn)的不同，主要通過調(diào)節(jié)前后鋁合金鑄件接頭上對(duì)應(yīng)的安裝點(diǎn)和前縱梁上面的安裝支架位置來(lái)對(duì)應(yīng)。不同底盤懸架形式的車身兼容對(duì)策，如圖4 所示。

圖4 不同底盤懸架形式車身兼容對(duì)策示意圖

3 純電車身平臺(tái)性能開發(fā)

3.1 純電車身平臺(tái)框架開發(fā)

平臺(tái)車身框架決定著平臺(tái)車型碰撞安全和車身彎扭模態(tài)性能，因此車身平臺(tái)框架的搭建是平臺(tái)開發(fā)的關(guān)鍵。純電車身平臺(tái)的主框架搭建依據(jù)車身多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化方法，充分考慮平臺(tái)化車身架構(gòu)相同結(jié)構(gòu)共用和不同的工程約束，以三廂轎車模型為基本車型，采用含罰函數(shù)的材料密度（SIMP）拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，在承受扭轉(zhuǎn)、彎曲、碰撞載荷工況下，將平臺(tái)化車身共用結(jié)構(gòu)看作設(shè)計(jì)非預(yù)留空間，分析出同平臺(tái)下不同車型的最優(yōu)載荷傳遞路徑[6]。圖5 示出該平臺(tái)框架開發(fā)流程，在得到拓?fù)浣Y(jié)果的車身框架模型后，以框架車身橫梁的慣性矩Iy、Iz，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 和車身接頭的剛度k 為優(yōu)化參數(shù)，以車身質(zhì)量、模態(tài)以及扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度等性能為優(yōu)化目標(biāo)，通過多目標(biāo)優(yōu)化算法優(yōu)化車身橫梁和接頭，使得保證車身性能目標(biāo)的同時(shí)降低車身質(zhì)量。

圖5 純電車身平臺(tái)框架開發(fā)流程圖

3.2 純電車身平臺(tái)碰撞安全性能開發(fā)

3.2.1 純電平臺(tái)車身材料定義

由于6063 鋁合金擠出型材具有良好的潰縮吸能特性，因此前后防撞梁吸能盒、前縱梁都采用了6063鋁擠出型材，門檻采用6005A 擠出型材，門檻與前后縱梁的接頭采用鋁合金壓鑄件，乘員艙骨架為了抵抗碰撞變形侵入，采用高強(qiáng)鋼和熱成型技術(shù)。A12、A18 車身材料定義，如圖6 所示。

圖6 2 種車型車身材料定義示意圖

3.2.2 局部零件安全性能開發(fā)

為了使車身在側(cè)碰過程中門檻對(duì)電池包具有最優(yōu)的保護(hù)性能，對(duì)門檻內(nèi)加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)應(yīng)用了結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治龅姆椒?，如? 所示。首先根據(jù)門檻的周邊布置條件和搭接需求確定出設(shè)計(jì)邊界，如圖7 所示；然后進(jìn)行單一工況和復(fù)合工況的加載分析，得出各種情況下門檻加強(qiáng)筋材料的最優(yōu)分布；最后根據(jù)電池安裝包安裝需求和零件成型要求，確定出門檻的最終截面厚度和形式，如圖8 所示。在40%偏置碰時(shí)，由于A12 的整備質(zhì)量比較大，因而碰撞力和碰撞能量也非常大。巨大的碰撞力將造成非碰撞一端的吸能盒與防撞梁橫梁連接處在拉力的作用下完全撕開。為了防止A12 在偏置碰過程中發(fā)生這種失效，在吸能盒和與防撞梁橫梁之間增加了一個(gè)加強(qiáng)小件，確保了防撞梁碰撞過程中的穩(wěn)定性。A18 由于整備質(zhì)量較小，沒有增加該加強(qiáng)件。A12、A18 前防撞梁總成差異對(duì)比，如圖9 所示。

表3 A12 車型門檻加強(qiáng)筋拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

圖7 A12 車型門檻加強(qiáng)筋拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)邊界

圖8 A12 車型門檻加強(qiáng)筋拓?fù)鋬?yōu)化最終截面

圖9 2 種車型前防撞梁總成差異對(duì)比圖

前后縱梁接頭鑄件是保證車身剛度和安全性能的關(guān)鍵零部件，鑄件上加強(qiáng)筋的合理設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在鑄件設(shè)計(jì)開發(fā)過程中采用了結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治龅姆椒?，如圖10 所示。根據(jù)鑄件周邊布置條件確定初始設(shè)計(jì)邊界；然后根據(jù)所開發(fā)車型碰撞試驗(yàn)質(zhì)量，進(jìn)行多種單一加載工況和多種復(fù)合加載工況分析，按照總體積分?jǐn)?shù)小于0.3 以及應(yīng)變能最小的原則，得出各種情況下鑄件加強(qiáng)筋的材料分布情況；最后綜合考慮成型工藝的可行性以及與周邊件的合理搭接配合，確定最終的加強(qiáng)筋分布和形面厚度。

圖10 A12 車型后縱梁鑄件拓?fù)溟_發(fā)設(shè)計(jì)示意圖

3.3 純電車身平臺(tái)輕量化開發(fā)

輕量化指標(biāo)是該純電車身平臺(tái)開發(fā)過程中的重要考慮因素之一。因?yàn)樵谀壳半姵啬芰棵芏冗€不能大幅提升的前提下，通過減輕汽車質(zhì)量來(lái)延長(zhǎng)續(xù)航里程是一種有效對(duì)應(yīng)方案?；谶@樣的考慮，純電車身平臺(tái)開發(fā)過程中將整個(gè)下車體基本定義為鋁合金材料，上車體高強(qiáng)鋼和熱成型材料的應(yīng)用比例都比以往傳統(tǒng)車型大幅提高，并且在整個(gè)車身平臺(tái)框架搭建過程中應(yīng)用了車身多目標(biāo)優(yōu)化輔助設(shè)計(jì)方法，鑄件和重要擠出件的結(jié)構(gòu)形式也參考了結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果。這些工具和方法的應(yīng)用都是為了保證使用最優(yōu)的結(jié)構(gòu)、最少的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)純電車身平臺(tái)的安全、剛度性能目標(biāo)。A12、A18 車型鋼鋁混合下車體輕量化效果，如表4 所示。

表4 A12、A18 車型鋼鋁混合下車體輕量化效果

4 純電車身平臺(tái)共線生產(chǎn)開發(fā)

按照純電平臺(tái)架構(gòu)規(guī)劃，采用風(fēng)車定位，共線生產(chǎn)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)軸距2 500～3 100 mm 內(nèi)車型的兼容。在此目標(biāo)前提下，經(jīng)過仔細(xì)比對(duì)生產(chǎn)線各總成模塊的定位系統(tǒng)以及運(yùn)具的要求，將下車體12 個(gè)定位孔孔徑和中心坐標(biāo)進(jìn)行相關(guān)約束：1）定位孔3、4（車身主基準(zhǔn)孔）所有車型X/Y/Z 向坐標(biāo)必須一致；2）定位孔5、6（前地板定位孔及升降機(jī)叉臂定位孔）所有車型X/Y 向坐標(biāo)必須和中心坐標(biāo)一致；3） 對(duì)于鋁制下車體主線孔1，2，9，10，11，12，每組風(fēng)車定位可提供4 種固定坐標(biāo)，要求X/Y/Z 向坐標(biāo)控制在風(fēng)車切換方位范圍之內(nèi)，主車身線仍然采用NC 定位方式。

A12、A18 車型共線定位系統(tǒng)設(shè)定，如圖11 所示。

圖11 A12、A18 車型共線定位系統(tǒng)設(shè)定示意圖

5 碰撞仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 碰撞仿真分析

按照最新的C-NCAP 碰撞法規(guī)五星要求，主要進(jìn)行了50 km/h 全正碰、64 km/h 偏置碰和側(cè)面碰撞的仿真分析，以驗(yàn)證乘員艙和電池包等區(qū)域的碰撞安全性。5.1.1 50 km/h 全正碰仿真分析

A12 車型50 km/h 全正碰仿真分析的變形情況，如圖12 所示，加速度和速度曲線，如圖13 所示。

圖12 A12 車型50 km/h 全正碰仿真分析變形與侵入量結(jié)果

圖13 A12 車型50 km/h 全正碰仿真分析加速度與速度

從圖12 和圖13 中可以看出：乘員艙區(qū)域前圍板、A 柱及地板變形較小，B 柱、門檻、座椅橫梁等無(wú)明顯變形；吸能盒正常潰縮，縱梁前段沿軸向均勻壓潰，中后段變形較?。唤M合支架及電器系統(tǒng)與周邊無(wú)明顯擠壓；副車架吸能盒穩(wěn)定壓潰，擠壓鋁在開槽位置發(fā)生輕微折彎變形，鑄鋁件變形較??；左/右側(cè)加速度分別為35.7g 和40.4g，小于目標(biāo)值（43g），38g 以上脈寬分別為0 和4 ms，滿足不大于4 ms 的要求。

5.1.2 64 km/h 的40%偏置碰仿真分析

A12 車型64 km/h 偏置碰仿真分析的變形情況，如圖14 所示，加速度和速度曲線，如圖15 所示。

圖14 A12 車型64 km/h 偏置碰仿真分析變形和侵入量結(jié)果

圖15 A12 車型64 km/h 偏置碰仿真分析加速度與速度曲線

從圖14 和圖15 中可以看出: 乘員艙區(qū)域前圍板、中通道、地板碰撞變形較小，A 柱、B 柱、門檻及座椅橫梁等無(wú)明顯變形；吸能盒正常潰縮，左縱梁前段穩(wěn)定軸向壓潰，后段出現(xiàn)折彎；副車架吸能盒壓潰變形，擠壓鋁在開槽位置折彎變形（折彎時(shí)間為66 ms）。左/右側(cè)加速度分別為44.1g 和34.5g，小于目標(biāo)值（45g），40g 以上脈寬分別為3.8 ms 和0，小于目標(biāo)值（4 ms）。

5.1.3 50 km/h 側(cè)面碰仿真分析

A12 車型50 km/h 側(cè)面碰仿真分析變形和侵入量結(jié)果，如圖16 和表5 所示。

表5 A12 車型50 km/h 側(cè)面碰撞侵入量分析結(jié)果 mm

圖16 A12 車型50 km/h 側(cè)面碰撞車身及電池包變形仿真分析結(jié)果

從圖16 中可以看出：在50 km/h 側(cè)面碰中，門檻擠出件起到了很好的抵御侵入變形的作用，電池包在碰撞時(shí)沒有受到擠壓。從表5 中可以看出，監(jiān)控區(qū)域的碰撞侵入量都在要求范圍值以內(nèi)，乘員艙的生存空間表現(xiàn)優(yōu)異。

5.2 實(shí)車碰撞試驗(yàn)

A12 車型在ET 階段按照C-NCAP 法規(guī)的相關(guān)要求進(jìn)行了全正碰、偏置碰和側(cè)面碰撞的實(shí)車試驗(yàn)，如圖17 所示。

圖17 A12 實(shí)車碰撞試驗(yàn)

在各項(xiàng)試驗(yàn)中，前縱梁能夠發(fā)生穩(wěn)定潰縮，門檻和乘員艙變形侵入量小，電池未受到碰撞擠壓。經(jīng)過評(píng)估分析，全正碰得分為19.25 分，偏置碰得分為19.59 分，側(cè)面碰撞得分為20 分，能滿足A12 車型的碰撞開發(fā)需求。

6 結(jié)論

全新純電動(dòng)汽車專屬車身平臺(tái)架構(gòu)通過車身多目標(biāo)結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治龆x了全新的載荷傳遞路徑；在平臺(tái)關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)過程中，充分考慮布置兼容性、車型衍生拓展性、車身性能目標(biāo)差異性和生產(chǎn)共線性等因素，并結(jié)合零部件的結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治觯_定出最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式；合理地采用鋼鋁混合車身設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了較高的車身輕量化水平和平臺(tái)化沿用率，在減重的同時(shí)，通過多目標(biāo)優(yōu)化和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析開發(fā)的平臺(tái)框架滿足了電動(dòng)汽車嚴(yán)格的碰撞安全需求。該車身平臺(tái)架構(gòu)的應(yīng)用有效地提升了所開發(fā)的純電動(dòng)車型的先進(jìn)性和競(jìng)爭(zhēng)力。