純電動專屬車身平臺架構開發與應用

楊宏 黃興 陳東 耿富榮 李永祥 吳純福

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

新能源汽車將成為我國汽車產業轉型升級的重要方向，到“十三五”規劃末期，國內新能源汽車總產銷量有望突破500 萬輛，產業發展規模和質量有望取得更大的進步，其中純電動汽車是重要的發展方向[1-3]。由于純電動汽車具有高續航里程需求，要求動力電池體積較大，并且對電池包碰撞要求更為嚴苛，文章介紹了一種鋼鋁混合車身平臺架構用以實現純電動車型的大電池包布置空間需求和高輕量化水平，并且通過CAE分析和試驗驗證了該車身平臺架構的高安全性。

1 純電動專屬車身平臺架構開發流程

車身平臺架構開發依據整車EV 平臺對產品規劃及車型之間衍生關系進行定義。某車企純電動專屬平臺架構在軸距2 700～3 100 mm 內規劃了EV2 和EV3子平臺，包含了SUV，Cross，Sedan，MPV 不同車型的開發。首先，根據平臺架構規劃的車型及軸距范圍、人機布置、目標市場等信息，設定車身平臺的關鍵性能指標、質量指標、成本指標；然后，考慮目標市場法規要求，進行多目標車身結構分析，定義車身平臺概念框架數據和關鍵位置截面；根據布置輸入和車型拓展規劃，構思車身平臺模塊化拓展策略、車身性能拓展策略；同時結合生產線的工藝布置、夾具與運具參數規劃實現平臺車型的共線化生產；最后，利用CAE 分析驗證純電平臺白車身是否達到剛度、模態和碰撞安全目標并開展實車試驗驗證。

2 純電動專屬車身平臺拓展性能開發

由于下車體是動力總成、底盤和空調電子等重要總成、系統模塊安裝的主要位置，同時也是碰撞能量分解和吸收的主要結構，因此下車體是車身平臺的主要載體，也是車身平臺開發的重點[4-5]。另一方面，消費者對汽車造型的個性化風格需求越來越明顯，所以上車體結構主要隨造型的變化進行靈活設計。

2.1 車身平臺尺寸拓展

純電動車身平臺下車體架構縱向梁與橫向梁采用了鋁擠出件形式，通過改變擠出件長度來調節前后懸、軸距的變化；關鍵接頭采用鋁鑄件形式來解決連接和不同安裝點變化的需求。但是為了實現同平臺車型較高的零件共用率水平，對車身部分尺寸和拓展范圍需要做一定限定，相關參數設置，如表1 所示。

表1 純電車身平臺尺寸與拓展范圍設定 mm

2.2 平臺車型的人機布置拓展開發

該純電動專屬平臺構架中EV2 子平臺覆蓋軸距2 700 ～2 900 mm，代表車型為A18；EV3 子平臺覆蓋軸距2 900～3 100 mm，代表車型為A12。2 個車型的參數和配置，如表2 所示。

表2 A12 與A18 車型開發參數配置對比表

除了上述電池包容量、前后懸架形式的不同外，2 款車型的副車架尺寸和安裝點以及人機布置空間需求也各不相同。為了保證車身結構平臺架構的一致性，同時兼容人機和布置上的差異性，利用了鑄件的設計靈活性和擠出件長度可調特性來對應。

2.2.1 人機布置差異對應

A12 前圍板下橫梁采用了鋁擠出件，而A18 采用的是鋁鑄造件。這樣設計是因為A18 車型前輪心到前踏點的距離（A 值）只有460 mm，A12 的A 值達到了530 mm，如果A18 同樣采用等截面的鋁擠出件方案，由于X 向布置空間不足將導致慢充線束及制動管路徑與車身的間隙達不到要求值，因而底部采用鑄件結構形式可以靈活設計一個避讓缺口，同時也能保證碰撞安全需求，如圖1 所示。

圖1 2 款車型尺寸差異與前圍下橫梁方案示意圖

2.2.2 機艙布置差異對應

A12 和A18 的電機、差速器和減速器以及功率、電壓、控制系統的外輪廓尺寸和安裝點都不盡相同，對于機艙布置的差異主要通過調整安裝至前縱梁底面的組合支架的結構形式來吸收。機艙布置差異的車身兼容對策，如圖2 所示。

圖2 機艙布置差異車身兼容對策示意圖

2.2.3 電池包容量差異對應

目前電池包容量拓展主要通過增加電池模組數量來實現，所以不同容量電池包的尺寸和質量不同。對于電池包尺寸和質量的差異，主要通過更改車身上鋁擠出件的長度及對應的電池包安裝點數量來對應。電池包容量拓展的車身兼容對策，如圖3 所示。

圖3 電池包容量拓展車身兼容對策示意圖

2.2.4 底盤硬點差異對應

對于各種底盤前后懸架形式和它們對應的副車架尺寸和安裝點的不同，主要通過調節前后鋁合金鑄件接頭上對應的安裝點和前縱梁上面的安裝支架位置來對應。不同底盤懸架形式的車身兼容對策，如圖4 所示。

圖4 不同底盤懸架形式車身兼容對策示意圖

3 純電車身平臺性能開發

3.1 純電車身平臺框架開發

平臺車身框架決定著平臺車型碰撞安全和車身彎扭模態性能，因此車身平臺框架的搭建是平臺開發的關鍵。純電車身平臺的主框架搭建依據車身多目標拓撲優化方法，充分考慮平臺化車身架構相同結構共用和不同的工程約束，以三廂轎車模型為基本車型，采用含罰函數的材料密度（SIMP）拓撲優化技術，在承受扭轉、彎曲、碰撞載荷工況下，將平臺化車身共用結構看作設計非預留空間，分析出同平臺下不同車型的最優載荷傳遞路徑[6]。圖5 示出該平臺框架開發流程，在得到拓撲結果的車身框架模型后，以框架車身橫梁的慣性矩Iy、Iz，轉動慣量J 和車身接頭的剛度k 為優化參數，以車身質量、模態以及扭轉和彎曲剛度等性能為優化目標，通過多目標優化算法優化車身橫梁和接頭，使得保證車身性能目標的同時降低車身質量。

圖5 純電車身平臺框架開發流程圖

3.2 純電車身平臺碰撞安全性能開發

3.2.1 純電平臺車身材料定義

由于6063 鋁合金擠出型材具有良好的潰縮吸能特性，因此前后防撞梁吸能盒、前縱梁都采用了6063鋁擠出型材，門檻采用6005A 擠出型材，門檻與前后縱梁的接頭采用鋁合金壓鑄件，乘員艙骨架為了抵抗碰撞變形侵入，采用高強鋼和熱成型技術。A12、A18 車身材料定義，如圖6 所示。

圖6 2 種車型車身材料定義示意圖

3.2.2 局部零件安全性能開發

為了使車身在側碰過程中門檻對電池包具有最優的保護性能，對門檻內加強筋的設計應用了結構拓撲分析的方法，如表3 所示。首先根據門檻的周邊布置條件和搭接需求確定出設計邊界，如圖7 所示；然后進行單一工況和復合工況的加載分析，得出各種情況下門檻加強筋材料的最優分布；最后根據電池安裝包安裝需求和零件成型要求，確定出門檻的最終截面厚度和形式，如圖8 所示。在40%偏置碰時，由于A12 的整備質量比較大，因而碰撞力和碰撞能量也非常大。巨大的碰撞力將造成非碰撞一端的吸能盒與防撞梁橫梁連接處在拉力的作用下完全撕開。為了防止A12 在偏置碰過程中發生這種失效，在吸能盒和與防撞梁橫梁之間增加了一個加強小件，確保了防撞梁碰撞過程中的穩定性。A18 由于整備質量較小，沒有增加該加強件。A12、A18 前防撞梁總成差異對比，如圖9 所示。

表3 A12 車型門檻加強筋拓撲優化設計

圖7 A12 車型門檻加強筋拓撲優化設計邊界

圖8 A12 車型門檻加強筋拓撲優化最終截面

圖9 2 種車型前防撞梁總成差異對比圖

前后縱梁接頭鑄件是保證車身剛度和安全性能的關鍵零部件，鑄件上加強筋的合理設計至關重要。在鑄件設計開發過程中采用了結構拓撲分析的方法，如圖10 所示。根據鑄件周邊布置條件確定初始設計邊界；然后根據所開發車型碰撞試驗質量，進行多種單一加載工況和多種復合加載工況分析，按照總體積分數小于0.3 以及應變能最小的原則，得出各種情況下鑄件加強筋的材料分布情況；最后綜合考慮成型工藝的可行性以及與周邊件的合理搭接配合，確定最終的加強筋分布和形面厚度。

圖10 A12 車型后縱梁鑄件拓撲開發設計示意圖

3.3 純電車身平臺輕量化開發

輕量化指標是該純電車身平臺開發過程中的重要考慮因素之一。因為在目前電池能量密度還不能大幅提升的前提下，通過減輕汽車質量來延長續航里程是一種有效對應方案。基于這樣的考慮，純電車身平臺開發過程中將整個下車體基本定義為鋁合金材料，上車體高強鋼和熱成型材料的應用比例都比以往傳統車型大幅提高，并且在整個車身平臺框架搭建過程中應用了車身多目標優化輔助設計方法，鑄件和重要擠出件的結構形式也參考了結構拓撲分析結果。這些工具和方法的應用都是為了保證使用最優的結構、最少的材料來實現純電車身平臺的安全、剛度性能目標。A12、A18 車型鋼鋁混合下車體輕量化效果，如表4 所示。

表4 A12、A18 車型鋼鋁混合下車體輕量化效果

4 純電車身平臺共線生產開發

按照純電平臺架構規劃，采用風車定位，共線生產設計需要實現軸距2 500～3 100 mm 內車型的兼容。在此目標前提下，經過仔細比對生產線各總成模塊的定位系統以及運具的要求，將下車體12 個定位孔孔徑和中心坐標進行相關約束：1）定位孔3、4（車身主基準孔）所有車型X/Y/Z 向坐標必須一致；2）定位孔5、6（前地板定位孔及升降機叉臂定位孔）所有車型X/Y 向坐標必須和中心坐標一致；3） 對于鋁制下車體主線孔1，2，9，10，11，12，每組風車定位可提供4 種固定坐標，要求X/Y/Z 向坐標控制在風車切換方位范圍之內，主車身線仍然采用NC 定位方式。

A12、A18 車型共線定位系統設定，如圖11 所示。

圖11 A12、A18 車型共線定位系統設定示意圖

5 碰撞仿真分析與試驗驗證

5.1 碰撞仿真分析

按照最新的C-NCAP 碰撞法規五星要求，主要進行了50 km/h 全正碰、64 km/h 偏置碰和側面碰撞的仿真分析，以驗證乘員艙和電池包等區域的碰撞安全性。5.1.1 50 km/h 全正碰仿真分析

A12 車型50 km/h 全正碰仿真分析的變形情況，如圖12 所示，加速度和速度曲線，如圖13 所示。

圖12 A12 車型50 km/h 全正碰仿真分析變形與侵入量結果

圖13 A12 車型50 km/h 全正碰仿真分析加速度與速度

從圖12 和圖13 中可以看出：乘員艙區域前圍板、A 柱及地板變形較小，B 柱、門檻、座椅橫梁等無明顯變形；吸能盒正常潰縮，縱梁前段沿軸向均勻壓潰，中后段變形較小；組合支架及電器系統與周邊無明顯擠壓；副車架吸能盒穩定壓潰，擠壓鋁在開槽位置發生輕微折彎變形，鑄鋁件變形較小；左/右側加速度分別為35.7g 和40.4g，小于目標值（43g），38g 以上脈寬分別為0 和4 ms，滿足不大于4 ms 的要求。

5.1.2 64 km/h 的40%偏置碰仿真分析

A12 車型64 km/h 偏置碰仿真分析的變形情況，如圖14 所示，加速度和速度曲線，如圖15 所示。

圖14 A12 車型64 km/h 偏置碰仿真分析變形和侵入量結果

圖15 A12 車型64 km/h 偏置碰仿真分析加速度與速度曲線

從圖14 和圖15 中可以看出: 乘員艙區域前圍板、中通道、地板碰撞變形較小，A 柱、B 柱、門檻及座椅橫梁等無明顯變形；吸能盒正常潰縮，左縱梁前段穩定軸向壓潰，后段出現折彎；副車架吸能盒壓潰變形，擠壓鋁在開槽位置折彎變形（折彎時間為66 ms）。左/右側加速度分別為44.1g 和34.5g，小于目標值（45g），40g 以上脈寬分別為3.8 ms 和0，小于目標值（4 ms）。

5.1.3 50 km/h 側面碰仿真分析

A12 車型50 km/h 側面碰仿真分析變形和侵入量結果，如圖16 和表5 所示。

表5 A12 車型50 km/h 側面碰撞侵入量分析結果 mm

圖16 A12 車型50 km/h 側面碰撞車身及電池包變形仿真分析結果

從圖16 中可以看出：在50 km/h 側面碰中，門檻擠出件起到了很好的抵御侵入變形的作用，電池包在碰撞時沒有受到擠壓。從表5 中可以看出，監控區域的碰撞侵入量都在要求范圍值以內，乘員艙的生存空間表現優異。

5.2 實車碰撞試驗

A12 車型在ET 階段按照C-NCAP 法規的相關要求進行了全正碰、偏置碰和側面碰撞的實車試驗，如圖17 所示。

圖17 A12 實車碰撞試驗

在各項試驗中，前縱梁能夠發生穩定潰縮，門檻和乘員艙變形侵入量小，電池未受到碰撞擠壓。經過評估分析，全正碰得分為19.25 分，偏置碰得分為19.59 分，側面碰撞得分為20 分，能滿足A12 車型的碰撞開發需求。

6 結論

全新純電動汽車專屬車身平臺架構通過車身多目標結構拓撲分析定義了全新的載荷傳遞路徑；在平臺關鍵零件設計過程中，充分考慮布置兼容性、車型衍生拓展性、車身性能目標差異性和生產共線性等因素，并結合零部件的結構拓撲分析，確定出最優結構形式；合理地采用鋼鋁混合車身設計，實現了較高的車身輕量化水平和平臺化沿用率，在減重的同時，通過多目標優化和拓撲結構分析開發的平臺框架滿足了電動汽車嚴格的碰撞安全需求。該車身平臺架構的應用有效地提升了所開發的純電動車型的先進性和競爭力。