某款純電動轎車輕量化開發架構

王書

摘要：氣候變化、能源和環境問題是人類社會共同面對的長期問題。發展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路，是響應國家“節能優先，綠色低碳，立足國內，創新驅動”的四大能源發展戰略。輕量化和電動化是支持國家能源發展戰略的具體體現；輕量化可以從模塊化，集成設計，新材料使用，連接技術等多種方式來實現；電動化就是采用純電動驅動汽車的一種形式。

關鍵詞：輕量化；電動化；新材料；集成設計

1.背景

美國洛杉磯光化學煙霧、中東局勢動亂、北京陰霾天氣等一些事件對環境保護、全球化石能源資源日益緊張引發的國家戰略及傳統汽車尾氣排放帶來的日趨嚴重的環境污染問題，促使世界各國對汽車產業的發展紛紛轉向新能源汽車開發。《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020）》中指出以純電動驅動為我國汽車工業轉型的主要戰略取向，加快培育和發展新能源汽車產業，重點發展純電動汽車、插電式混合動力汽車產業化。《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》已發布，國家逐漸由補貼引導轉變為政策引導，進一步大力推動純電動汽車的大規模產業化。

2.純電動轎車輕量化開發架構構建

S51EV是某公司全新開發的一款小型純電動汽車，旨在開發純電動專業平臺和輕量化全鋁骨架平臺車身，體現純電動以動力電池、乘員為中心的布置，全面提升整車輕量化水平、電動化平臺的核心技術和整車性能指標，形成全新輕量化全鋁骨架車身和電動汽車技術平臺。在設計驗證過程中，主要針對整車平臺布置、車身結構設計與工藝、整車安全及電池系統安全等系統開發進行更深層次研究；努力解決全新純電動汽車平臺下的新輕量化全鋁骨架車身的材料、結構、性能匹配難題。

輕量化車身可采用全鋁型材為骨架車身，鋁板為封板承擔密封和功能件的安裝。采用高強度鎂鋁合金，復雜斷面，擠壓成型，3D空間精密彎曲，激光焊接而成。全鋁型材骨架車身平臺可便捷擴展車身長度和寬度，擴展了平臺的范圍，有利于平臺車型和衍生車型的開發。S51EV采用全鋁型材為骨架車身和復合材料外覆蓋件，車身與電池包一體化的設計結構，提前規劃電池包布置區域，模塊化設計。便于電池模組的布置和優化。下面從整車集成技術、輕量化全鋁骨架車身、焊接工藝等幾個方面來初探整車輕量化。

1、整車集成技術（搭載輕量化全鋁骨架平臺車身）

S51EV整體布置以動力電池、乘員為中心展開，結合構想的輕量化全鋁骨架平臺及電池包一體化車身，充分考慮前艙、前端模塊、前后懸架系統、驅動模塊等主要模塊的布置和可擴展的安全裕度。性能充分考慮新材料、新結構的特點，合理布置設計結構，合理構造受力零部件，圍繞力的傳遞路徑和車輛的實際空間，優化車身結構實現車輛碰撞安全、密封、NVH、整車重量等整車性能目標。平臺化設計主要分為九個模塊：前端模塊、前艙模塊、前排人機模塊、電池模塊、后排人機模塊、后端模塊、前懸架模塊、后懸架模塊、后驅動模塊，通過這九個模塊的變化，實現平臺化開發。平臺化模塊示意圖（圖1）：

S51EV是全新純電動平臺的首款車型，為2門2座車型，設計布置同時考慮2門4座人體布置，根據平臺規劃和輕量化全鋁骨架平臺及電池包一體化車身，電池包布置在底盤下，由四個封閉型材零部件形成的框架結構對電池包進行保護（見圖2）。

2、輕量化全鋁骨架平臺車身（復合材料外覆蓋件）

汽車輕量化是汽車產品一直追求的目標。S51EV輕量化全鋁骨架平臺車身（新材料、新工藝），車身框架電池包結構一體化設計。車身重量較傳統車身減重約40%，滿足整車碰撞和其他性能要求，力求五星碰撞安全設計和NVH目標達成。受力路徑分析和典型斷面設計如下：

（1）輕量化全鋁骨架平臺車身的整體構想：

a）根據受力路徑，簡化受力框架模型，設計車輛典型斷面；主要承力部位由封閉的6系鋁型材件組成車身骨架，其余的部分根據總布置的要求，采用5系輕薄鋁板件作為封板結構設計滿足車輛的功能要求；

b）采用輕量化全鋁骨架平臺車身，外覆蓋件為單純的外觀功能件，不承受力需有必要的抗凹性，外覆蓋件可采用復合材料安裝在骨架車身上。運動件如：前艙蓋、后背門等都采用復合材料件。見圖10紅色件外覆蓋件均為復合材料件。

c）前端模塊，根據受力路徑圖，上部的力量傳遞由前橫梁，大燈安裝支架等件組成，下部由副車架來進行力量傳遞；前端模塊，從結構、材料、重量、性能（外觀間隙、工裝精度等）、成本和管理效率等多角度綜合比較，提出使用前端模塊的結構設計；前端模塊繼承了左右大燈安裝支架、散熱器安裝點、機罩鎖等功能件，CAE分析優化結構，減輕重量。

（2）輕量化全鋁骨架平臺車身結構設計與碰撞安全：

輕量化全鋁骨架車身鋁型材、鋁板件、少量鋼板沖壓件、壓鉚/拉鉚標準件以及鋁制壓鉚套管組成；車身總成采用的連結方式：自動激光焊、 MIG焊（鋁型材與鋁板材）、無鉚連接（車門洞止口鋁板沖壓件）；螺接或鉚接（鋼板件與型材）；拉鉚/壓鉚（標準件以及套筒）；

輕量化全鋁骨架車身采用全鋁型材骨架，“3R-BODY”環狀車身結構設計理念，前艙縱梁和前保橫梁通過CAE仿真模擬方法，采用不同截面和料厚；有效利用前艙內潰縮吸能空間，在碰撞的初始吸收掉盡可能多的碰撞能量，減少乘員艙所承受的碰撞力度，保護乘員。

輕量化全鋁骨架車身經過設計工程師結構搭建、前保橫梁、前艙縱梁、吸能盒等零部件多輪結構、材料分析再優化后，得到如下比較滿意的分析結果，車門能正常開啟，B柱下加速峰值合理；門檻的變形量<7mm，確保乘員安全和乘員相關考察指標，電池防護較為理想。

（3）全鋁骨架平臺車身輕量化：

輕量化全鋁骨架車身、復合材料外覆蓋件和背門、前端集成模塊、鋁制副車架等新材料、新結構、新工藝，持續通過選材、料厚和結構拓撲CAE優化降低整車重量。輕量化全鋁骨架車身較同級的傳統材料車身扭轉剛度，彎曲剛度約有30%的提升，車身扭轉剛度可達到近14000Nm/deg，較傳統材料車身約40%減重，輕量化系數估計可到3.0。滿足整車重量目標，基本實現了全新純電動平臺的全鋁骨架平臺車身的設想。

3、采用鋁合金型材車身骨架和全自動焊接技術，簡化生產、工藝過程，材料循環回收利用

S51EV采用輕量化全鋁骨架車身，鋁氧化物有較強的抗腐蝕性，主機廠工藝可縮為焊接（焊接處PVC密封）和總裝兩大工藝，VOC排放僅為傳統車的9%，制造能耗僅為傳統車的20%，投資約為傳統車的 ；大大減少了設備投資、廠房建設的時間和費用；鋁型材采用自動化焊接，車身95%以上采用鋁合金，材料利用率可達95%，提升了零部件的精度和效率，有效降低了產品的生產成本。S51EV采用獨創輕量化全鋁骨架車身和復合材料的外覆蓋件可100%循環回收利用。

鋁合金激光自動焊接速度快，不需要焊材填充，可達1.5m/min，約為人工MIG焊的5倍，自動MIG焊的3.5倍；制造成本更低，在S51EV上應用，可節省焊絲約50m/車；焊縫強度提高4%，線載荷可達到186N/mm，高于MIG焊（172N/mm）；熱輸入量小，有效降低車身焊接熱變形；焊縫美觀，焊接后不需要進行額外處理。

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