高拓展性電動鋼鋁混合車身架構研究和應用

謝鋒 陳東 羅培鋒 楊宏 鐘建強 陳仲澤

廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東 廣州 511434

前言

為提升乘用車節能水平，加快發展新能源汽車，緩解能源和環境壓力，建立節能與新能源汽車市場化發展長效機制，國家已于2018年發布了《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》，旨在鼓勵企業加快新能源汽車的發展，最終實現節能減排。隨著國家政策的鼓勵支持、充電等配套設施的不斷完善，電動車市場將日趨成熟。

電動車發展初期，各企業為降低開發成本、縮短開發周期，大部分選擇基于燃油車平臺通過適應性匹配修改開發電動車。而純電動車是集智能化、電動化、網聯化、共享化、輕量化等技術于一身的功能性產品，受制于燃油車布置、性能等影響以及電動車的專有特點和專用系統要求，基于燃油車車身平臺架構已不利于電動車的布置和性能提升。

目前，國內對傳統燃油車車身平臺化、模塊化已開展了大量的研究[1-5]，為整車企業縮短開發周期和降低成本提供了有效的理論支撐。而對于電動車平臺架構的研究目前尚處于前期探索階段。

本文簡述了廣汽電動車車身平臺架構的發展趨勢，提出了新一代電動車鋼鋁混合車身跨平臺架構。此車身架構覆蓋從A級到B級車型的模塊套件矩陣，在達到高性能、輕量化的同時，最大化提升了布置自由度和乘員空間。建立了廣汽自主的電動鋼鋁混合結構車身體系架構并實現車型的投產和上市，正逐步取得良好的經濟效益。

1 廣汽電動車車身平臺架構發展概述

目前電動車平臺架構主要分為兩類，一是與傳統車共平臺-AEP(Adapted Electric Platform)；一是電動車專有平臺-NEP(New Electric Platform)。

廣汽電動車平臺架構發展經歷了從AEP到NEP的過程。第一代廣汽電動車平臺架構（簡稱GEPGAC Electric Platform）即是從廣汽傳統燃油車平臺架構G-CPMA[6]根據電動車專有特點，適應性匹配調整發展而來。而車身跨平臺模塊化共享架構是基于GEP的子系統，是其重要構成的部分—車身模塊套件。其發展歷程為：

GEP第一代電動車車身平臺架構，如圖1所示：采用電動車與燃油車共平臺（沿用G-CPMA平臺架構），其相比燃油車需要適應性修改圖中深色區域零件來滿足電池包安裝。

圖1 GEP第一代電動車車身平臺架構

GEP 1.0第二代電動車鋼制車身平臺架構，如圖2所示：根據電動車專用特點和專用系統全新開發。車身主體結構采用鋼制材料，前防撞梁采用鋁合金。采用前地板縱梁外擴、中地板上抬且扁平化設計以滿足大容量電池包安裝。

圖2 GEP 1.0第二代電動車鋼制車身平臺架構

GEP 2.0第二代電動車鋼鋁混合結構車身跨平臺架構，如圖3所示：在GEP1.0第二代電動車車身平臺的基礎上進行全新升級，車身采用全新的鋼鋁混合結構，車身框架匹配全新的扁平化電池包設計，達到高拓展性、高性能、輕量化的要求。

圖3 GEP 2.0第二代電動車鋼鋁混合結構車身跨平臺架構

2 電動車鋼鋁混合結構車身平臺架構

廣汽跨平臺模塊化系統架構G-CPMA是在傳統的平臺共享技術演變而來，圖4為演變示意圖。通過對整車、各系統、各功能模塊及其關鍵和共性技術的正向研發，系統化地形成跨各車型級別/種類可復用的成套領域知識、技術與流程，形成跨車型級別/種類通用共享的標準化零部件模塊矩陣及相應工藝，打造跨平臺、模塊化、可靈活拓展、共線生產的體系架構[6]。

圖4 從傳統平臺共享技術向G-CPMA技術演進的示意圖

廣汽電動車平臺架構（GEP）繼承了G-CPMA的核心理念與體系架構策略，并在此基礎上，根據電動車專有特點和專用系統要求，對總布置進行升級優化，對底盤模塊、新能源模塊（三電模塊、動力電池模塊等）、電子電器模塊、智能網聯模塊、車身模塊等架構子系統模塊進行全面調整升級而來。

全新的GEP 2.0電動車鋼鋁混合結構車身跨平臺架構是在繼承和升級的基礎上，實現最大化成員艙空間，高拓展性、高性能、輕量化的車身平臺架構理念。滿足平臺產品（整車）要求，在達成零件共用化及產品個性化最優平衡點的同時，最終達到降低成本、縮短開發周期的目的。

3 電動車鋼鋁混合結構車身架構技術

根據對電動車發展趨勢和專有系統特點的研究，通過設計、仿真、試驗三位一體的研究手段，開展了電動車車身平臺架構關鍵技術的研究與開發。提出了廣汽電動車鋼鋁混合結構車身跨平臺架構：其采用統一的承載式模塊化車身平臺架構，下車體采用整體式框架結構，車型拓展覆蓋SedanSUVMPV三種類型；此架構包含EV2和EV3兩個子平臺，每個子平臺采用統一的模塊劃分方式。EV2平臺拓展以車型B為基礎向上向下進行拓展，EV3平臺以車型D為基礎向上進行拓展。

圖5 GEP車身跨平臺架構示意

車身跨平臺共享架構的核心在于保證不同子平臺的車身框架架構的一致性以及子平臺各模塊劃分的統一性。在此基礎上重點提高子平臺內各車型之間各模塊之間的零部件通用化率。

3.1 車身跨平臺架構設計策略

同架構的目的就是要保證車身主體框架結構相同，以保證車身主要性能（包含碰撞、NVH、剛強度、疲勞等）滿足設計要求。從而達到減小開發難度，縮短開發周期，降低開發成本的目的。但不同平臺由于車身軸距、輪距不同；整車重量和整車尺寸的差異；車身輕量化、整車續航里程要求不同；不同級別車型產品定位以及布置的差異等都對車身的跨平臺架構設計提出了挑戰。

車身跨平臺架構主要體現于下車體，下車體平臺主要由機艙模塊、前地板模塊、后地板模塊組成。因此在保證不同平臺架構相同的前提下，主要通過調整各模塊局部結構來達到跨平臺同架構的目的。圖6和圖7展示了車身在滿足不同車型需要時，車身結構變化的總體思路。

圖6 GEP車型拓展示意

圖7 GEP車身下車體架構拓展示意

電動鋼鋁混合結構車身平臺架構的核心理念為：

（1）在整車尺寸一定的前提下，采用短前懸、短后懸技術，使整車軸距最大化，從而最大化乘員艙空間和動力電池布置空間；

（2）前輪心到油門踏板間距和后座椅到后輪心間距采用標準化設置，減少車身改動量，保證平臺化中的各種車型都能得到優秀的乘員艙空間，同時滿足動力總成與底盤的平臺化；

（3）通過前地板的長度來實現軸距變化，設計過程中通過前地板切邊工藝實現地板的最大化通用；

（4）下車體采用鑄鋁鋁合金和擠出鋁合金型材形成下車體整體框架結構。

3.2 鋼鋁混合結構車身跨平臺架構開發

廣汽第二代鋼鋁混合結構車身跨平臺架構在綜合研究了電動車的布置特點、專有系統特點，結合高拓展性、高性能、輕量化的設計理念要求，此車身跨平臺架構采用統一的車身材料策略，定義為上鋼下鋁結構（上車體鋼制材料、下車體鋁制材料）。下車體框架采用鑄鋁、擠壓鋁形成完整的框架結構，面板采用沖壓鋁板工藝。如圖8：

圖8 GEP車身材料定義示意

鋼鋁混合結構車身涉及到多種連接形式，主要包括鋼點焊、鋁點焊、鉚接（SPR）、流鉆螺釘（FDS）、結構膠、CMT、螺接等。

圖9 GEP車身多種連接方式定義示意

同架構不同平臺車型采用統一的下車體架構和碰撞傳力路徑，以保證車身整體框架性能。如圖10所示：上圖為EV3平臺基礎車型，下圖為EV2平臺基礎車型，具有相同的車身架構、碰撞傳力路徑和材料策略定義。

圖10 GEP車身下車體架構

下車體底部采用全新的“雙人”字型傳力路徑，鑄鋁和擠壓鋁合金形成的網格化乘員艙框架和“目”字型后排座椅安裝框架，實現地板扁平化設計的同時，更好的保護碰撞過程中乘員安全。

圖11 GEP鋼鋁混合結構車身下車體架構特點

機艙模塊在拓展過程中主要需要考慮不同動力系統（電機系統、氫燃料電池系統等）、不同底盤懸架形式、不同輪胎包絡的影響。而同架構下的底盤副車架和轉向系統需保證與車身接口一致，以最大限度實現車身零件共用。

圖12所示為不同動力系統安裝點車身對應方案。動力系統及相關控制器通過組合支架集成一起安裝于車身縱梁。左圖中為某電動車型組合支架安裝點，右圖為某燃料電池車型組合支架安裝點。只需調整加強件在機艙縱梁內部前后位置和縱梁安裝孔位置即可實現不同動力系統的安裝。機艙總成基本共用，組合支架加強件擠壓模具共用，根據需求調整加強件長度即可。

圖12 純電動車型（左）和燃料電池車型（右）

對于前地板模塊，基于平臺考慮，保證前排座椅橫梁位置基本不變，另外考慮平臺的通用化要求，前地板采用分塊形式，座椅橫梁采用主體橫梁加兩側連接板形式，更好的解決平臺車型Y向拓展需求。比如：可以通過左/右門檻和座椅橫梁連接板（圖13中深色零件）的調整來滿足車型輪距調整。

圖13 前地板分塊和拓展策略示意

前地板模塊布置上相比傳統燃油車來說，無排氣管，傳動軸等布置，考慮電動車電池包安裝特點，前地板采用扁平化設計，更好的滿足電池包安裝。

圖14 前地板扁平化結構

安裝于前地板模塊正下方的動力電池采用扁平化設計，不同容量的電池包拓展采用X向增加模組實現，而安裝點采用縱向布置，安裝于車身左右門檻和中通道，安裝點不受動力電池模組、車身橫梁布置影響，并且車身中通道、門檻采用鋁合金擠壓型材，不同動力電池包安裝點位置的調整只需要更改安裝孔機加工程序即可實現。從而達到高拓展性的車身結構（不同軸距/輪距）要求，見圖15。

圖15 高拓展性動力電池安裝結構

后地板模塊拓展中主要涉及到不同后懸結構形式，兩驅四驅車型的切換、后懸長度切換等。對于后懸結構，由于后地板采用鋁合金結構，后縱梁采用鋁合金鑄件，因此只能通過切換左/右后縱梁本體來實現，前期平臺研究中即考慮扭力梁懸架和三連桿（或多連桿）懸架底盤邊界。保證后地板模塊主要間隙滿足布置間隙要求，通過切換后縱梁來滿足不同懸架拓展要求，見圖16。

圖16 后地板不同懸架切換示意

對于EV3平臺車型，為滿足高性能需求，前期已同步考慮四驅車型定義，針對兩驅四驅車型切換，后地板區域需考慮后電機布置影響。為平衡離地間隙與行李箱空間需求。主要有兩種方案，第一種方案為：采用同一套后地板結構，兩驅車型地板面高度抬高至四驅車型一致，此方案減少了后地板模塊數量，降低開發和采購成本，但此方案會犧牲兩驅行李箱空間；第二種方案為：采用兩套地板，后地板整體結構沿用，通過切換后地板面板和備胎橫梁來實現兩驅四驅車型的切換，此方案增加了后地板模塊數量，但提升了兩驅行李箱空間。

本平臺架構的后地板兩驅四驅車型切換，考慮最大化兩驅行李箱空間，采用方案二，即通過切換后地板面板和備胎橫梁來實現。如圖17深色零件：

圖17 后地板兩驅四驅切換示意

GEP 2.0第二代電動車鋼鋁混合結構車身跨平臺架構為全新的鋼鋁混合（上鋼下鋁）結構。為最大限度減少生產投入成本，以及綜合考慮低成本電動車車型需求，需要保證與GEP 1.0第二代電動車鋼制車身平臺架構共線生產。通過全新的鋼鋁車身柔性工廠設計，應用柔性定位系統與快速切換技術，實現6車型鋼/鋁車身生產工藝1分鐘快速切換。同時為適應未來鋁合金等輕量化材料的應用，在規劃之初同步考慮鋼制車身、鋼鋁混合結構車身生產，預留全鋁車身布局空間。目前焊裝生產線布局采用鋼制下車體線、鋁制下車體線兩條下車體焊接線，而上車體線和白車身總拼線采用共線形式。見圖18：

圖18 鋼鋁車身柔性工廠布局示意

由于下車體整體采用鋁合金材料，為滿足白車身總拼時與鋼制車身共線生產，通過下車體與上車體連接部位采用鋼制材料過渡來實現。而門洞區域和門檻下部區域采用鉚接連接，為實現總拼過程中部分連接區域同時存在鋼點焊和鉚接工藝。首創鉚接及點焊切換技術及“鋼鋁混合”生產線。而總拼中門檻下部區域的流鉆螺釘（FDS）連接工藝則在總拼增打工位實現，見圖19。從而實現鋼鋁混合車身與鋼制車身的共線生產。

圖19 鋼制車身和鋼鋁混合車身總拼共線示意

4 總結

本文簡述了廣汽電動車車身平臺架構的發展趨勢，提出了新一代電動車鋼鋁混合車身跨平臺架構，此車身架構覆蓋從A級到B級車型的模塊套件矩陣，詳細說明了鋼鋁混合車身跨平臺架構的設計策略、框架定義、材料定義、各模塊拓展策略、共線生產策略等，其下車體零件數量相比鋼制車身架構減少約46%，重量降低25%左右。在達到高性能、輕量化的同時，最大化提升了乘員空間和布置自由度。

建立了廣汽自主的電動鋼鋁混合結構車身體系架構并實現車型的投產和上市，正逐步取得良好的經濟效益。也為后續更多電動車型的開發提供了技術基礎，對縮短開發周期，降低開發成本有著重要的意義。