纯电动汽车架构设计(一) :电动车架构设计核心与前悬架选择

纯电动汽车架构设计(一) :电动车架构设计核心与前悬架选择

平台与架构的定义

汽车平台,简单来说,就是指汽车设计中可以采用的所有技术的总成。包括各种形式的悬架、车身、内饰、电器零件,也包括车辆可以采用的工艺方法。

平台通常表现为相同或相似的系统,子系统及零部件,也就是说,平台由一些共用件组成。利用同一个平台,通过针对市场的个性化设计,可拓展出多个车型产品。图1展示了著名的大众MQB平台,其踵点到前轮芯的距离固定,但轴距和轮距可变;动力悬置位置固定但动力系统本身可变;悬架与车身接口固定但悬架形式可变。

实际上平台不仅指零件共用,还包括共用的总装、焊接和冲压工艺,也包括共用的车身主断面结构和内外饰断面结构。同一平台的两个车型,可能ABC柱的走向都不同,但是内部的断面结构很多是一致的。


图1 大众MQB平台一些技术选择

平台开发几乎能够决定企业未来10年的技术路线和产品风格,必然是企业的战略性决策,需要在足够高的层面进行充分调研和预研。平台的确定不仅仅关乎产品技术方案和供应商选择,甚至会影响生产线规划、售后以及品牌调性。但过份依赖某个平台也有问题,会导致企业产品升级面临更大惯性,进而拖慢反应时间。从大众MQB平台的发展也能看出,近几年出现的小偏置碰撞性能、混合动力系统、纯电动化等方面,大众车系反应是偏慢的,与平台化带来的设计惯性不无关系。

图2 大众MQB平台未加强前指梁,不利于小偏置碰撞

那什么是车辆架构设计呢?车辆架构是某款车型上所应用的技术组合方式,这些方式可以基于平台设计,也可以不基于平台设计。架构设计不同于平台设计,平台指的是零件物理上的相同或相似,架构指的是设计理念和思路上的相同或相似。架构设计是汽车顶层设计的一部分,在架构设计层面我们需要权衡技术、市场与消费者期望和物料、研发成本,而引入的技术也可以反哺平台或服务后续车型。


图3 架构设计要合理组合汽车所有关键部件和人体

因此平台是稳定、普适的,而架构是灵活、专一的。特定车型的架构设计在大框架上应该存在最优解。例如前横置前驱+麦弗逊悬架组合,以及机舱纵梁+车身纵梁、门槛梁、中央通道的传力路径组合,已经成为传统燃油车型的标准架构。

3现阶段电动车的平台架构设计的追求

中国的纯电动车行业,细节设计如NVH、强度分析、台架试验等能力已经逐渐形成,但是对平台架构和整体设计研究依然进展寥寥,随着汽车电动化浪潮的推进,顶层设计能力薄弱的问题愈发凸显。

合理的电动车平台规划有利于充分利用电动车的零部件特点和整车总体优势,例如成员舱空间、车身碰撞性能、更好的整车尺寸等,此外对于零部件选型和设计也有很强指导意义。开发一个平台就可以拓展出很多车型,看上去非常美好。但是只有设计生产过多个车型后才有可能提炼出一个有效的平台。国内电动车企业起步很晚,产品的迭代次数不足,缺乏足够积累,这种现状下,开发一个有足够竞争力可多次拓展使用的整车平台难度极大。

所以现阶段国内的电动车开发,首要任务是确定一个通用的整车架构而不是开发整车平台。应该在前期充分论证调研,跳出传统燃油车思维的束缚,对于不适合电动车特征或者不会成为未来电动车主流方案的技术组合要大胆摒弃,以减少试错次数。确定了一个合理的电动车整车架构,就意味着各车型有了共用的工程解决方案,这决定了该架构所有车型具有一定的性能共性,从而减少了车型开发的周期和风险。

但从最近国内纯电动车开发的情况来看,现状依旧令人失望,绝大多数车厂还在用传统车的架构进行电动车开发。国家电动车扶植政策实施了好多年,国内依然没有出现真正意义上纯电动逻辑架构的车型,只有蔚来ES8的架构尚可一看,如图4。而国外在没有政策支持下,出现了特斯拉、大众MEB、捷豹I-pace、法拉第未来FF91等设计合理的纯电动架构,国内电动车企业应进行反思。

图4 蔚来ES8的前部架构设计,

包括:平衡车轮许用转角、纵向截面积和动力总成宽度、悬置搭载形式、电机控制器挂载形式与组合方式等

图5展示了一些沿袭了燃油车架构的纯电动汽车。对于传统汽车厂而言,这些油改电的产品是政策催化产物,都是以自产的燃油车为基础,底盘基本沿用,车身做适应性改进来放置电池和电机,这样只能保证电动车的基本功能,性能则乏善可陈。对于那些新兴的电动汽车厂来说,没有过往包袱的情况下,竟然也选择了传统车燃油车架构,实在令人费解。

图5 一些基于传统燃油车架构的电动车产品

4纯电动汽车关键特征

纯电动汽车和传统汽车的任务是相同的,就是快速、安全的把人和物从A点运送到B点,二者在人机工程、碰撞安全强度、底盘KC等方面的要求上也是一致的。但因为纯电动车的动力系统有本质的变化,其他系统也有跟随性变化,导致纯电动车需采用不同于传统车的架构设计。


图6 纯电动车动力传动系统

图6展示了纯电动汽车部件与燃油车的差异。其中最主要的差异,是增加了电池系统,内燃机和变速器总成变成了电机和减速器总成。这两个变化导致了整车架构设计上的巨大变化。例如:

1) 燃油汽车总布置时主要围绕乘员和动力总成进行设计,电动车总布置时除了关注乘员和动力总成,还需要考虑电池,悬架和车身的布置等需要适应这几个部分的空间。

2) 为保护电池和其它高压电气件,电动车的车体结构应比燃油车更刚硬。刚硬车体结构导致正面碰撞时加速度大于燃油车,对约束系统提出了更高的要求。

3) 电动汽车在传统车基础上增加了电池包的重量,且质心位置向下向后移动,所以后悬架负荷增大,需采用承载力更强的悬架形式和零件结构。

4) 由于电机工作静谧特性,电子机械噪声更易被用户感知,所以电子真空泵、空调压缩机等部件必须布置在合适位置,且需要控制振动噪声的传递路径。

5) 动力总成相比传统燃油车更为紧凑,所以悬置系统抵抗扭矩的要求更高,传统的动力总成悬置扭矩轴布置方式应切换为三点或四点质心布置方式,并采用更高刚度的悬置软垫。

6) 动力电池应考虑为电动汽车车身的关键加强结构,充分利用电池包壳体和框架来提升车身的刚强度和模态,但同时要避免在碰撞工况下动力电池承受过大的载荷。

一般来说,由于动力总成尺寸减少,电动车的前悬架的设计灵活性会更大,而电动车的车身拓扑结构和后悬架设计则会面临非常严峻的问题。

5驱动形式选择

燃油车型的主流驱动形式为前置前驱。电动车动力总成尺寸小,从布置上来说采用前驱或者后驱都可以。荣威Marvel X、特斯拉Model 3、大众MEB平台等正向开发产品偏向于后驱形式,而前驱车型更多则是传统燃油汽车改装项目。

图7 大众MEB平台采用后轮驱动形式

由于电动车电池重量较重,而电机质量较小,且一些车辆会利用后排座椅下的空间布置更多电池,导致整车质心相对传统车辆偏后。因此前后轴荷比例会更平均,一般会在45%:55%左右,而前驱车辆前轴荷应在60%以上,否则会对爬坡、操控等能力造成不良影响。因此理论上电动车采用后驱或以后驱为主的驱动方式更为合理

为提升续驶里程,大部分纯电动汽车都采用了抓地力差的低滚阻轮胎,在急加速时极易出现轮胎打滑,如果选用后驱或者四驱形式,该问题可得到有效缓解。

这种驱动形式变化与消费者预期同样是相符的,就目前来看,消费者对后驱车的感知成本大于实际成本。因此建议正向开发的纯电动车型以后驱为主要驱动方式。目前国内在后驱的设计能力上还差一些,对于适合后轮驱动的H臂悬架和五连杆悬架缺乏经验,此项对国内电动车企业而言属于较大的挑战。

6前悬架形式选择

在纯电动车动力总成尺寸明显小于燃油汽车的情况下,纯电动汽车可以增加上摆臂,也就是可以采用前双叉臂悬架或者其衍生的多连杆悬架,从而提高前悬架的侧向支撑能力和转向性能。

由于电动车整体质心高度降低,且增加的重量在整车悬架侧倾中心偏下或接近位置,因此纯电动车需求的侧向支撑力并不高于传统乘用车。并且大多数消费者无法通过驾乘分辨麦弗逊悬架和双叉臂悬架的差别。单从底盘性能方面来讲,双叉臂悬架并不是必须的,麦弗逊悬架也能满足要求。但是,纯电动车对大直径轮胎的需求可能会更多。如图8,由于麦弗逊悬架减震器上安装点较高,对加大轮胎直径限制严重,会对整车开发产生制约。


图8 纯电动车动力总成尺寸允许布置上摆臂,车轮偏转角度也可以增加,降低最小转弯半径

如果选用单级减速器或者减速器与电机同轴输出,由于受末级齿轮或者电机动力总成输出轴到最低点尺寸的影响,为保证合理的离地间隙和传动轴夹角,就需要更大直径的轮胎支撑动力总成的整体高度,如图9所示。麦弗逊悬架由于减震器在轮胎上部,加大轮胎尺寸会受到限制。

图9 在电机+单级减速器或同轴输出的情况下,相对燃油车需加大轮胎直径才能保证较好的离地间隙

图10展示了捷豹I-pace的前悬架,减速器采用同轴输出方式,所以轮胎直径明显偏大,为了适应加大的轮胎,采用了双叉臂悬架形式。

图10 捷豹I-pace的前悬架

另外,由于纯电动车电池的影响,整车高度会不可避免增高,造型上为保证高度方向合理的轮占比,也需要加大轮胎直径。这也是前悬架选型的影响因素。例如图11展示的燃油车大众polo和电动车宝马i3,虽然两者高度不同,但是两车轮占比相似,比例体态均较好。

图11 大众polo 与 宝马i3 整车比例

电动车由于质量增加,也需要更大制动力,一般都需要增加更大的制动盘或者卡钳。如果选用麦弗逊悬架,轮辋内部尺寸会成为主要限制。

因此总体来说,电动汽车前悬架选用双叉臂形式在空间尺寸上没有障碍,且能为后期很多设计带来便利。

另外,悬架形式是大部分消费者重点关注项目,采用双横臂悬架可以提高整车溢价或者在同级车更有吸引力。我们认为目前消费者在双叉臂和麦弗逊悬架间的感知成本是大于实际成本的,电动车设计应尽量采用双叉臂形式悬架。

发布于 2019-01-21