电动汽车可扩展式架构研究综述

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　　摘 要：汽车架构作为生产汽车的基础，一个好的电动汽车架构，具有良好的拓展性与模块化设计，柔性化电动汽车架构开发能有效地降低企业后续研发费用及整车成本，对产品的开发具有重要意义。通过分析现有电动汽车的架构现状及发展趋势，为电动汽车架构规划提供参考建议。
　　关键词：电动汽车;设计架构;扩展性;模块化设计;发展趋势
　　中图分类号：F426.471        文献标识码：A
　　doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.01.005
　　Abstract： Automobile platform is the basis of automobile production. A good electric vehicle platform has good extensible form and building block design. The development of flexible electric vehicle platform can effectively reduce the cost of subsequent research and development of enterprises and the cost of the whole vehicle. It is of great significance to the development of products. This paper analyzes the current situation and development trend of electric vehicle platform， and provides some reference suggestions for electric vehicle platform planning.
　　Keywords： electric vehicle; design platform; extensible form; building block design; trend in development
　　0 引言
　　随着世界经济的快速发展，市场需求不断转变。新能源汽车尤其是纯电动汽车作为新起之秀，正在逐步吸引大众的眼球，又因兼顾环保、节能与强劲的动力优势，在汽车领域将会取代传统的燃油型汽车成为今后最理想的交通工具[1]。目前，虽然市场销售的一些纯电动汽车小有翘楚，但此类纯电动汽车多是在传统燃油汽车基础之上变型而来，存在劣势。随着汽车行业的快速发展，新能源汽车不断推陈出新，不再仅仅局限于交通工具，而且还应具备靓丽的外观、时尚的气息，还应配置丰富的人性化设计以满足大众各种需求。而由传统汽车改造而来的纯电动汽车由于各种因素的限制，难以满足大众多样化的要求。
　　近几年来，在国家相关部门和政策的大力扶持下，我国纯电动汽车行业的发展举世瞩目，年销量突破50万辆，在全球稳居第一位[2]。2017年9月，国家颁布了《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》，简称双积分政策，此双积分政策提出2019年乘用车企业新能源积分占比需达到10%。为紧跟国家双积分政策要求，车企纷纷大力投入研发电动汽车架构资金，计划在2020年以后上市的新能源电动汽车均基于专用架构开发。因此，电动汽车可扩展式架构的研究对于支撑车企产品投放全球具有关键性作用与意义。笔者根据现今国内外电动汽车架构的发展提供策略，对今后的电动汽车可扩展式架构提出观点。
　　1 概述
　　1.1 基本定义
　　电动汽车可扩展式架构由车企研发部门设计以适用于生产不同款型汽车的产品，由同一架构生产的不同款型汽车具有基本相同的结构要素，车企从研发到生产制造过程中的研发方案、配置基础、制造工艺、生产流程与汽车关键零部件及其质量控制成为一套完整的体系。简而言之，可扩展式[3]架构可以同时承载多种款型汽车的研发和生产制造，其生产的产品在外观和使用性能上都具有各自特色。由同一架构生产的多款汽车共用一种设计标准，将汽车模块化组合，模块化组合的各个子系统进行标准化研发生产，车企根据不同样式的车型将子系统进行模块化组合，从而生产不同样式的汽车产品。
　　1.2 电动汽车可扩展式架构的组成
　　电动汽车可扩展式架构由底盘、低压系统、高压系统组成。底盘是由悬架系统、制动系统、转向系统、传动系统、地板构成，是传统意义上的电动汽车可扩展式架构，如图1所示。低压系统是由点火开关与搭铁、灯光系统、车身用电器控制单元、空调管制系统构成。高压系统由三大电、三小电及高压线束组成[4]。其中三大电是指电池包、驱动电机、电机控制器，是电动汽车架构高压系统的重点及核心技术，三小电是指电助力、电刹车、电空调。高压线束是指连接三大电、三小电之间的高压线。架构的开发初期重点考虑柱碰与侧碰工况，此两种工况涉及车身上部结构，顾此处不予考虑[5]。
　　1.2.1 电动汽车可扩展式架构策略
　　现今市场的电动汽车底盘分为两大策略：第一类是传统改造型策略，即在传统型新能源汽车上进行改造;第二类是全新设计型策略，使电池包融于底盘的总体全新开发。
　　第一大类由传统新能源汽车改造的电动车底盘最大的变动点则是地板，其特點是一方面表现在车身局部结构的强化，主要体现在汽车安全性，另一方面表现在对其驱动系统、制动系统、悬架系统、转向系统的局部改造、调校、注定等，主要体现在汽车零部件的通用性。但此类改造存在弊端如下：①汽车地板与汽车底盘限制电池包的尺寸大小;②由于电池包尺寸与位置的限制，在一定的能量密度条件下，总的电池包电量将会受到限制，则进一步影响电动汽车的实际续航里程;③共享性与轻量化特性差，汽车轴距与轮距的变化将导致电池包不能共享同系车型;④内部空间和舒适性受限。 　　第二大类做成全新专用的电动汽车底盘则具有如下优势：①极强的可扩展性;②不需反复研发新的模组以适应因汽车轴距与轮距的变化导致电池包的长短变化;③轻量化的设计，重心低，汽车操纵稳定性能好;④利于传动形式的转换。其弊端则是全新的设计投入研发资金过大。
　　电动汽车架构有新架构与旧架构两种存在形式，两种存在形式与两大策略进行组合便形成电动车可扩展式架构全新的研发方案，如图2所示。
　　2 发展现状
　　目前，全球各大车企都在积极研发可扩展式架构，并且很多优秀车企对可扩展式架构的研发取得了一定的成就。如表1介绍全球各地区典型四家车企的可扩展式架构。
　　2.1 大众MEB架构
　　2018年大众集团推出MEB模块化电驱动可扩展式架构，如图3所示，表2为MEB架构概念车参数。MEB可扩展式架构主要有以下特点：①MEB架构搭载的模块化电池组可扩展，能够增加电动汽车的续航里程;②MEB架构前部无需预留内燃机位置，前后车轴可大幅向远端移动，实现更长的轴距和更短的前后悬挂，方便设计师设计更具动感的车身比例;③可扩展的架构也支持开发多种车型的车身，从车型种类来说，覆盖从轿车、SUV到MPV等多种车型，车辆的驱动形式则包括后驱和四驱;④MEB架构车型还将扩展搭载更多车载设备，如辅助驾驶系统、信息娱乐系统和控制与显示系统等。
　　2.2 奔驰EVA架构
　　奔驰这款全新电动模块化可扩展式架构被称为EVA （Electric Vehicle Architecture）可扩展式架构，如图4所示。
　　奔驰EVA可扩展式架构有以下特点：①动力方面，架构可支持后驱和四驱布局，其中后驱布局将采用一台电动机驱动后轮，最大功率将达到408 马力，而四驱布局则采用双电机，前后轴各布置一台，可以产生122～204 马力的最大功率;②架构支持扩展悬架的适应性，自适应悬架的作用是通过手动或车辆自动改变悬架的高低、软硬以适应不同路面的行驶需求;③架构支持扩展动能回收系统，其通过技术手段将车身制动能量存储起来，并在赛车加速过程中将其作为辅助动力释放利用。
　　2.3 沃尔沃SPA架构
　　2011年沃尔沃公司推出的SPA（Scalable Platform Architecture）可扩展式架构，如图5所示，表3为SPA架构参数。
　　 SPA可扩展式架构主要有以下特点：①概念上，SPA可扩展式架构意味着除了前轴到乘员舱之间的尺寸不可更改，其他任何一个部分，包括长度、宽度和高度都是可变化的，增大自由度，整车架构尺寸可以按照不同车型的需求进行灵活调节（例如沃尔沃V60和S60及XC60）;②共享基本相同特征的底盘结构、电气系统、悬架系统、传动系统;③动力系统总质量减少90 kg;④电气设备模块化设计具有强扩展性;⑤减少零部件的数量;⑥部件具有可扩展性，关键位置材料可增加强度与刚度。
　　2.4 丰田TNGA架构
　　2012年丰田公司推出的TNGA（Toyota New Global Architecture）可扩展式架构，如图6所示，表4为TNGA架构参数。丰田提出的TNGA架构概念涵盖车辆设计、汽车制造以及车辆组装在内的造车理念和方法论等多方面，包含一整套造车流程。
　　在具体造车方面表现为：①将复杂零散的生产单元归类整合;②TNGA可扩展式架构的零部件通用性提升至70%～80%;③TNGA可扩展式架构动力性能和燃油经济性的提升表现突出;④TNGA可扩展式架构的个性化内外饰设计和车身结构;⑤在TNGA可扩展式架构框架下，丰田将开发三个细分底盘架构：B（小型车）、C（中型车）和K（发动机前置前轮驱动中大型车）。
　　3 总结与展望
　　搭建模块化架构能够帮助新能源车企快速降低生产成本，缩短开发周期，同时加快产品的更新速度，满足用户定制化要求。车型之间的通用性增强，在各个模块单独开发完成后，车企只需专注模块间的组合，无需操心模块内部的问题，这使整车开发和后期验证的效率得以提高。因为采用架构化生产后，可以在生产过程中根据市场需求不断进行改造，单次改造时间较短，从而加速新能源汽车的推陈出新。并且，架构具有可扩展式柔性改造特性[6]，柔性包含机械系统柔性和电气系统柔性，设计在结构与功能上至少（但不限于）支持以下功能扩展与升级：其一，机械转向与线控转向的切换;其二，被动悬架升级为主动悬架;其三，前轮转向升级为四轮转向。但是，将越来越多的车型放在同一架构上，一旦产生设计缺陷，影响就可能波及到这个架构所涵盖的所有车型。
　　现阶段也应该适当投入研发电动汽车专用架构，底盘直接考虑利用全铝材料，把电池包与下地板融合在一起设计，为未来系列化开发及快速适应市场做好铺垫的同时，新的底盘架构演变车型的轴距变化要结合电池包模组的尺寸，轴距变化的尺寸尽量适应模组的宽度倍数变化，能够有效地降低开发成本。首先，这种模式采用标准化模块确保生产统一的质量标准，并为广泛适应本企业旗下车型打下基础，模块化概念也可以快速响应客户的需求，其次，电池包外壳的尺寸、形状及所用的模组数量可以按需适配于本企业的各款车型，最后，这种模式也有利于车辆轻量化开发。
　　一款新车型在总装车间导入时，需要考虑多个方面的适用性，归纳起来可以分为三个方面：①总装通过性，它是总装制造可行性的先决条件;②总装工艺排布的合理性，其决定了新技术和新方案在总装生产制造的可行性;③工装设备的适用性，它是达成生产质量和生产目标的重要保证。这3个方面基本涵盖了总装车间在导入新车型时所要面对的所有问题。而对于一个全新架构来说，除了要对导入的第一款车型综合考虑以上三个方面外，还要预留新架构作为后续车型导入的优化空间，尤其是对于当前新能源车型尚处于起步阶段，在资源有限的情况下，总装工艺的开发更要兼具柔性化[7]。
　　一个架构不可能兼顾到所有级别车型，在做电动车架构规划之前，需要先确定企业产品的布局、基本参数及动力性需求。底盘需做好短期规划及中长期规划，短期规划是作为一个过渡时期使用，一般是3～5年，部分总成部件考虑通用到中长期规划的架构中。中长期规划是结合市场的趋势，从战略的角度从发，做好未来5～10年的规划。目前，电动车处于发展期，配套设施未完善，产业链的发展未成熟，从市场角度，未来一段时间将仍然以燃油车为主，为保证企业正常销量不受影响，规划底盘时要考慮与现有车型共用性，短期内以现有车型改制为主，在换代的车型上底盘尽量兼顾燃油车与电动车共用。但是，由于电动汽车开发周期较长，发展电动汽车已经提升到国家的战略高度，汽车电动化已经不可逆转，新能源汽车将成为未来[8]。
　　可扩展式架构和新能源汽车车型同步开发，并结合新工艺与新材料及车身轻量化的优势对未来车企发展具有重要意义[9]。
　　参考文献：
　　[1]殷国栋，金贤建，张云.分布式驱动电动汽车底盘动力学控制研究综述[J].重庆理工大学学报，2016（8）：13-19.
　　[2]焦庆丰.电动汽车前景广阔[J].大众用电，2001（3）：16.
　　[3]何永汉.电动汽车平台规划探讨[J].时代汽车，2018（3）.
　　[4]徐林勋，纯电动大客车整车控制及高压电安全管理研究[D].淄博：山东理工大学，2015.
　　[5]Euro NCAP.Euro NCAP assessment protocol for adult occupant protection V8.0[S/OL].（2014-6-12） [2018-05-01]. http： //euroncap.Blob.Core.Windows.net/media/1436/euro-ncap-assessment-protocol-AOP-v80-june-2014.pdf.
　　[6]罗剑，罗禹贡，张书玮，等.智能分布式电动车辆柔性化系统平台[J].中国机械工程，2015（8）：1035-1039.
　　[7]黄青斌，韩培培，乐慧杰，等.基于某纯电动车平台的总装工艺设计[J].汽车工业研究：Auto Industry Research，2017（8）：26-33.
　　[8]李涛.电动汽车产业现状与未来发展趋势[J].农机使用与维修，2018（1）：17-18.
　　[9]Word Auto Steel. FSV-EDAG phase 2：engineering report[Z]. Germany：EDAG，2014： 66-68.
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