純電動汽車車身結構特點分析與研究

李仲奎，夏衛群，樊樹軍，袁 亮，徐澤彬，林建陽

（東風汽車公司 技術中心，武漢 430058）

隨著能源緊缺和環境污染問題日趨加劇，節能和環保成為世界各國面臨的重要問題，大力發展新能源汽車，實現交通能源轉型，成為全世界汽車行業實現可持續發展的重要途徑[1]。新能源汽車越來越受到人們的重視，特別是純電動汽車因其安全、綠色、節能、環保而獲得了消費者的青睞和國家的大力支持[2]。與傳統燃油汽車相比，由于能量儲存方式與汽車驅動形式的不同，導致電動汽車與傳統燃油汽車在整車結構方面存在著較大的差異。

在目前電機技術、電池技術和能量控制策略日益完善的情況下，如何設計出符合電動汽車特點、充分發揮其節能優勢、改善其能量利用率的電動汽車車身結構是汽車領域的重點和難點。從汽車設計的源頭入手，探索出適合純電動汽車車身開發的方法體系，形成其特有的車身結構方案，是解決問題的關鍵[3]。本文基于此，梳理出電動汽車的車身結構特點，為電動汽車車身開發提供參考依據。

1 電動汽車與傳統汽車的對比

1.1 傳統燃油汽車重要零部件布置

傳統燃油汽車，一般前艙布置發動機、減速器，中通道下方布置排氣管，中地板下方布置燃油箱，后地板下方布置排氣管消聲器，后翼子板上方布置加油口（圖1）。

圖1 傳統燃油汽車重要零部件布置示意圖

此外，市場上還存在部分車型采用前置后驅、中置后驅、后置后驅或前置四驅的形式，與上述布置的車身結構有一定的區別，但其主要是用在中高級車、跑車或越野車上。

1.2 電動汽車重要零部件布置

目前市場上的電動汽車大多數采用的布置方式是前艙布置電機、減速器、控制器，前地板和中地板下方布置動力電池，而充電口布置在前格柵、前翼子板或后翼子板處（圖2）。

從電動汽車重要零部件的布置和結構來看，目前動力電池系統因體積大而影響車身地板結構，是電動汽車與傳統燃油汽車的最大區別。此外，充電口因采用電纜與電池、電機相連，在布置上更偏向于車身前部。

當然，隨著新技術的層出不窮，如輪轂電機技術[4]和石墨烯電池技術的出現，勢必還會對未來的電動汽車車身結構造成影響，但是目前主流電動汽車主要用的還是永磁同步電機、三元鋰電池技術等。

圖2 電動汽車重要零部件布置示意圖

2 電動汽車車身結構特點

2.1 乘客艙高度尺寸高于傳統燃油汽車

傳統燃油汽車，三廂車型乘客艙z向尺寸L一般約1.3 m左右，基于三廂車開發的sUV車型乘客艙z向尺寸一般約1.4 m左右（圖3），兩款車型乘客艙的高度差?L在100 mm左右。相比之下，sUV車型的頭部空間較為寬敞，而三廂轎車的頭部空間較為緊張。

圖3 三廂車型與sUV車型乘客艙z向尺寸對比

當車身地板下方布置動力電池時，三廂轎車的座椅下方即使有空間也會因頭部空間不寬裕而不能上移座椅R點，而sUV車型因有較大的z向空間，不僅可以少許上移座椅R點，且座椅下方空間原本就比較寬裕。

為了滿足三廂轎車能裝載更大的電池箱并具備較好的人機舒適性，往往需要增大三廂轎車乘客艙的z向尺寸，直到近似sUV乘客艙z向尺寸的水平。

當受限于造型和空氣動力學，不能增加三廂轎車乘客艙的z向尺寸時，可考慮將座椅R點前移，同時將駕駛員腳踵點向前移和上移，如圖4中的①和②所示，形成類似于運動車型座椅的躺臥姿勢。

圖4 人機工程分析示意圖

2.2 車身前、后懸架長度尺寸小于傳統燃油汽車

電動汽車的前艙布置電機、減速器、控制器，與傳統燃油汽車的發動機、減速器、控制器相比，占有更小的空間。當車輛發生正面碰撞時，電動汽車的前圍擋板侵入量相對會小些，所以電動汽車的前艙x向尺寸可以設計得比傳統燃油汽車小一些，也就是車身前懸架尺寸可以更小些。

傳統燃油汽車動力總成x向尺寸和電動汽車動力總成x向尺寸如圖5和圖6所示，比較這兩類車的動力總成的x向尺寸數值可知，后者比前者小200 mm左右。因此，對于同樣的前艙裝載兩種不同的動力總成，當發生正面碰撞時，電動汽車動力總成對前艙的侵入程度會小很多。

圖5 傳統燃油汽車動力總成x向尺寸

圖6 電動汽車動力總成x向尺寸

綜上所述，當開發電動汽車時，可以將前艙的x向尺寸設計得小一些，即電動汽車的前懸架尺寸可以相對小些。對于同級別的車型，電動汽車前懸架尺寸可以比傳統燃油汽車的前懸架尺寸小150 mm左右。

此外，傳統燃油汽車因追求較大的行李箱空間，往往設計有較長的后懸架，而目前電動汽車的續駛里程通常在300 km左右，很少跑長途，也不需要太大的行李箱，所以行李箱可以設計得較小些，相應地，后懸架尺寸也就可以短一些。

在保證電動汽車碰撞安全性的前提下，將整車前、后懸架尺寸設計得短些，可有效起到輕量化和降低能耗的作用。

2.3 車身前縱梁位置高度低于傳統燃油汽車

傳統燃油汽車動力總成擁有較大的體積，采用3點懸置結構，兩側兩個吊耳可以正好懸置于車身左右前縱梁上，如圖7中實線所示。而電動汽車動力總成體積較小，并且電機在下方，控制器在上方，相對比較獨立，若也采用3點懸置固定結構，其電機、減速器相對于車身前縱梁位置就低很多。為減少兩側懸置支架的z向高度，車身前縱梁的z向位置就可以設計得低一些，如圖7中虛線所示。

圖7 燃油汽車和電動汽車動力總成橫斷面

對于電動汽車，車身前縱梁的位置降低，不僅有利于電機、減速器的懸置，也有利于載荷傳遞路徑的順暢性和正面碰撞時的行人保護。如圖8所示，①是前縱梁原位置，②是前縱梁下移后的位置。將前縱梁下移后，不但載荷傳遞路徑更趨近于平直，而且前防撞梁也同時下移，即使身高偏矮的行人，防撞梁也能撞到膝蓋處，有利于行人倒在機罩上，避免被碾壓。

圖8 車身前縱梁z向位置變化

2.4 車身底板骨架梁結構不同于傳統燃油汽車

傳統燃油汽車車身的底板骨架結構如圖9所示，車身前縱梁向后延伸到前地板下縱梁a和b，同時在中通道兩側有加強縱向梁c和d。其它車型車身的底板骨架梁與此大同小異。

圖9 傳統燃油汽車車身底板骨架結構

對于電動汽車，當動力電池布置在車身前地板和中地板下方時，原有的車身底板骨架結構就會受到影響，因此需對底板骨架結構做較大的變更。可采用的方式是取消圖9中的c和d，同時外移a和b，形成圖10中的e和f。此外，為達到載荷傳遞路徑的通暢，在車身前縱梁和前地板內縱梁之間增加g和h，滿足電動汽車底板骨架的合理性。

圖10 電動汽車車身底板骨架結構（Ⅰ）

另外一種電動汽車底板骨架結構形式如圖11所示，多應用在全新開發的電動汽車底板骨架上。在保證前縱梁和前地板內縱梁各自位置的前提下，盡量實現其連接區域的順暢，如圖中j段和k段，達到平滑過渡的效果。

圖11 電動汽車車身底板骨架結構（Ⅱ）

2.5 碰撞安全策略不同于傳統燃油汽車

電動汽車因車身底板下方裝載300～400 kg重的動力電池，其整車重心相對于燃油汽車下移，如圖12所示。當電動汽車發生正面碰撞或側面碰撞時，其車身變形模式與燃油汽車略有不同。對于正面碰撞，由于動力電池位置偏低，將車身前縱梁下移既有利于載荷路徑傳遞，又有利于對動力電池的保護。對于側面碰撞，若既要保護駕乘人員又要保護動力電池，在車身設計時就需考慮設計成車身底板橫向強度高，B柱中上段強度高，B柱下段強度偏低，這樣可達到門檻梁少變形以保護動力電池，B柱中上段少變形以保護駕駛員，B柱下段多變形以達到吸能的效果。

根據法規，燃油汽車的碰撞考核主要是對駕乘人員的保護，車門能否開啟，燃油是否泄漏。而電動汽車的碰撞考核內容需增加對動力電池的保護，避免碰撞過程中電池發生爆炸或起火燃燒[5]。目前，通常以碰撞過程中電芯不脫離自己的位置和不受到擠壓作為判定條件。

圖12 電動汽車整車重心下移示意圖

2.6 車身前后懸架固定點強度高于傳統燃油汽車

對于同級別的電動汽車和燃油汽車，一般電動汽車整車質量要高于燃油汽車至少200 kg以上。通常可以滿足燃油汽車前后懸架固定點強度的局部車身結構，用到電動汽車上，可能出現前、后懸架固定點強度不足的情況。因此，在電動汽車的車身設計方面，前后懸架固定點強度是重點關注內容之一，除了仿真分析，實車耐久試驗必不可少。如果前期未能有效防止，后期進行設計變更，勢必造成模具費用的增加和開發周期的延長。

目前少數車身前、后懸架安裝點處采用鑄件結構，是旨在提升強度的同時兼顧輕量化所采用的新技術（圖13），采用鑄件更容易提升前、后懸架的固定點強度。常用的鑄件有鑄鋁、鎂鋁合金等[6]。

2.7 充電插口的布置多選取在前格柵處

電動汽車充電插口包括快充和慢充兩種。如果充電插口布置在車身后翼子板上原加油口處，那么位于前艙的電機就需要很長的電纜線在充電插口、電池、電機之間相互連接，此外，在后地板兩側由于存在后懸架安裝支架和后輪罩前下端尖銳的鈑金結構，所以很難設置電纜通道。當充電插口布置在車身前部，電纜的長度問題和通道問題就相對容易解決。因此，目前多數電動汽車將充電插口布置在車身前部，尤其是在前格柵處。多數車型是將快、慢充電插口集中布置（圖14），少數采用分離布置在前格柵的兩側。

圖13 某車型車身鑄鋁件應用區域

圖14 某電動汽車充電插口布置方式

此外，還有少數車型將充電插口布置在前翼子板上，存在的問題是電纜較難按預定走向彎轉。

3 電動汽車車身的實例化結構

3.1 電動汽車的整體輪廓

根據前文所述，為滿足動力電池布置和人機工程，電動汽車的乘客艙高度需高于傳統燃油汽車。前艙因布置電機占用x向空間尺寸較小，在正面碰撞過程中對前圍板侵入量小，可以將車身前懸架尺寸適當減小一些。行李箱空間因電動汽車續駛里程較短，對行李的裝載需求沒有燃油汽車高，可以將車身后懸架尺寸減小。電動汽車的整車尺寸如圖15所示。

圖15 電動汽車整車斷面

然而，按照圖15設計出的汽車，其外觀的總體造型并不太符合人們普遍的審美觀，既要達到電動汽車的尺寸要求，又要符合審美要求，電動汽車更適合設計成高度偏高的兩廂車和sUV車型，如圖16所示。

圖16 某電動汽車整車外觀圖

3.2 電動汽車的底板結構

如前文所述，電動汽車車身底板骨架結構不同于傳統燃油汽車，參照圖10的構想設計的電動汽車底板實物結構如圖17所示。實車經過仿真分析和試驗驗證，都證明擁有較優的性能。裝載在該地板中的動力電池結構如圖18所示。

圖17 某電動汽車底板實物結構

圖18 某電動汽車動力電池結構

3.3 電動汽車的B柱結構

電動汽車的B柱結構總體設計目標是中、上段強度偏高，底段強度偏低。如圖19所示，B柱由側圍外板、里板、加強板、中間加強板四層板構成，其中B柱中間加強板僅在B柱中上部設置一段，用來加強B柱的中上段，且B柱里板底段因設計有安全帶卷收器過孔，進一步弱化了B柱底段強度。總之，達到了側面碰撞過程中B柱中上段少變形，B柱底段多變形進行吸能的目的。

圖19 某電動汽車B柱結構

4 結論

由于電動汽車裝載動力系統不同于傳統燃油汽車，所以其電機、動力電池、控制器等的布置位置、占用空間也不同于傳統燃油汽車發動機、排氣管、燃油箱的布置位置和占用空間。電動汽車的車身結構與傳統燃油汽車相比有著自身的特點。

（1）為滿足車身底板下方裝載動力電池后的人機工程要求，電動汽車乘客艙的z向尺寸略高于傳統燃油汽車。

（2）由于電機x向尺寸小于發動機，并且電動汽車的續駛里程較短，所以電動汽車的前、后懸架尺寸都可以定義得小一些。

（3）由于裝載了動力電池，所以電動汽車的底板骨架結構方案不同于傳統燃油汽車。又因為是懸掛電機，那么電動汽車車身前縱梁高度位置可以低于燃油汽車。

（4）由于裝載了動力電池，導致整車質量增加，所以電動汽車的前、后懸架固定點強度高于同級別的燃油汽車。

（5）由于電動汽車裝載的主要零部件不同于燃油汽車，所以電動汽車的碰撞安全策略不同于燃油汽車。

（6）快、慢充電插口多布置在車身前部。