電動車模塊化車身平臺

1 用于電動車的車架方案

汽車電動化已在汽車制造中起到示范性的調整作用，電驅動裝置[1]集成到動力總成系統中改變了轎車的結構。特別是在電動車(EV)上，與自承載式車身結構相比，新的車架方案在小批量和中等批量生產的情況下，改變為不同縮放尺寸應用和方案時，新的車架結構確保了明顯較高的可縮放性。

蓄電池組的集成及其對碰撞、易維修性、可擴充性和模塊化的要求，在新的車架方案中也能很好地進行變換，同時這種方案也支持底盤模塊化和電子工程(E/E)結構的模塊化，從而在開發和生產中獲得了可縮放的效果。Benteler公司采用電驅動系統(BEDS)作為車身車架平臺。下文將闡明BEDS覆蓋、保障和集成電動車的部分功能模塊。

2 整車系統開發的重要性

車輛整個系統的功能要求主要取決于其應用目的、設計方案和法定框架條件，從這些要求就能推導出整車的開發目標，并落實到子系統和零部件上。而開發目標之間的關系往往存在著彼此相互制約，在車輛開發中存在一定的挑戰。

在復雜系統的開發中，各子系統和部件集成在整個系統中起著非常重要的作用。整車特別是作為車輛子系統的BEDS就是這種復雜系統的范例。為了整個系統的利益，首先模塊化和可縮放的平臺理念及制造工藝優化和成本高效益的結構使得必須在子系統及其部件的開發中有所折中，這種理念在BEDS的開發中是具有決定性意義的。

3 輕型鋁結構

為了平衡在碰撞性能情況下的最佳質量和制造過程中產生的成本，選擇鋁材作為BEDS的材料方案，不僅用于車架結構(汽車柔性大梁)，而且用于蓄電池箱和碰撞管理系統(CMS)(圖1)，其中主要部件用擠壓鋁型材制成，因此BEDS可為各種不同等級車型在X和Y方向上進行個別調整。

圖1 帶有碰撞管理系統和蓄電池箱的車架結構(汽車柔性大梁)：主要元件由擠壓鋁型材組成，因此BEDS適用于各種不同等級車型

汽車柔性大梁由橫梁、多個構件和壓鑄鋁接頭3個部分組成。由3個部分組成的橫梁由具有抗變形能力的外部擠壓鋁型材、剛性的內部擠壓鋁型材和上部擠壓鋁型材組裝而成。擠壓鋁型材與汽車車身和車頂分開。因此在開發和制造過程中，在其設計時及其結構設計中需保持車身結構與汽車柔性大梁無依賴關系。

蓄電池箱的功能是安放蓄電池模塊，以及保護該模塊免受機械損壞和周圍環境的影響，為此蓄電池箱由具有抗碰撞的內外框架結構和1塊底板組成(圖2)，后者做成帶有整體式冷卻系統的薄鋁板外殼結構型式。為了確保蓄電池箱的密封性要求，采用了冷金屬過渡(CMT)焊接、結構膠粘和自攻螺栓作為粘接技術。蓄電池箱的基礎加固底板和頂板都用鋁板件制成。蓄電池箱用螺栓緊固在汽車大梁的橫梁和構件上，并與汽車大梁形成1個剛性結構，在發生側面碰撞時呈現出最佳的變形特性(圖3和圖4)。

圖2 蓄電池盒保護蓄電池免受機械損壞和環境影響

圖3 蓄電池箱位于車輛中間受到保護

圖4 在樁柱側面碰撞時蓄電池箱的剛性結構呈現出理想的變形特性

4 最佳能量填充密度的模塊化蓄電池組

鋰離子蓄電池的多樣性對汽車工業中的蓄電池開發帶來了新的挑戰。直到目前為止，尚沒有1種蓄電池滿足目前對行駛里程和功率方面的要求。基于這個原因，BEDS使用了以鎳-錳-鈷及其氧化物為基礎的棱柱形，電池容量為75 A·h的鋰離子電池。這種方案是對電池電化學工作能力、高能量密度和低成本的良好折中。使用這種改進的蓄電池模塊和模塊化蓄電池組能充分利用結構空間，并且能集成容量為92 kW·h的蓄電池。

BEDS的蓄電池組被設計成102S-3P配置，包括102個串聯電池，并聯成3組電池。這種蓄電池由34個模塊組成，每個模塊包含9個電池，這樣配置獲得了372.3 V額定電壓和系統層面上153 (W·h)/kg的總能量密度。這種蓄電池系統5 s內峰值功率316 kW、持續功率136.5 kW、體積能量密度500 (W·h)/L、質量能量密度230 (W·h)/kg。同時，這種蓄電池是直流快速充電的，并且直流充電功率為100 kW，40 min能充電到總電量80%的狀態。

為了改善和監測運行時的工作能力，蓄電池管理系統(BMS)承擔了諸如電壓、電流和溫度監測的所有必需的功能，使得每個電池都能在其最佳的運行窗口安全地運行。蓄電池中的電池是為-20～+55 ℃的超常溫度設計的，并采用某種平衡功能達到了最長的使用壽命。

5 熱管理和溫度均勻化

BEDS配備了1種可分縮放的熱管理系統，在基本布局上確保高壓(HV)蓄電池、電驅動單元(EDU)和使用其他電部件的熱安全。為此，應用了3個獨立的冷卻循環回路，即高溫循環回路、低溫循環回路和冷卻液循環回路。

高溫循環回路(用于EDU、充電電子器件和直流轉化器(DC-DC))的冷卻水最高溫度為65 ℃。低溫循環回路將蓄電池的最高溫度水平控制在45 ℃，通過1個高電壓加熱器為蓄電池加溫，以及1個冷卻器來承擔冷卻蓄電池的任務。

冷卻器是通往第三個循環回路和冷卻液循環回路的接口，冷卻液循環回路中的冷卻液(R1234yf)用于向周圍環境散熱，這種基礎系統為蓄電池提供最大10 kW的冷卻功率，為EDU提供最大30 kW的冷卻功率，并可通過一系列部件對偏離的功率需求進行調整。

滿足鋰離子蓄電池模塊溫度控制要求的核心部件是集成在蓄電池殼體中的大面積蓄電池冷卻平板形狀的水-乙二醇冷卻系統，同時這種鋁制冷卻平板也對外封閉了蓄電池殼體，此外鑒于對安全性的考慮，冷卻介質的接頭位于蓄電池殼體外部。

蓄電池冷卻系統是針對蓄電池組150 kW快速充電而設計的，在確定冷卻平板尺寸時重點關注的是實現蓄電池模塊內部溫度均勻性和冷卻水側液壓背壓的優化。

為了達到最佳狀態，在開發的早期階段就進行了穩態和瞬態三維計算流體力學(CFD)模擬，最終單獨供應冷卻液的U形排列的冷卻管道獲得了最好冷卻效果，此外每個區段流程較短限制了順流而下加熱冷卻介質，并對溫度的均勻性產生了有利的影響。分成的多個區段限制了每個區段所必需的體積流量，從而在較小的結構高度情況下導致了較小的背壓。

6 電動車橋模塊的行駛性能和振動-噪聲-平順性(NVH)特性

BEDS底盤及其電動前后橋模塊都被設計成可縮放型式，并且可由制造商單獨使用。所謂的“E-底盤”集成了BEDS，而車輛的動力學性能可根據用戶的要求進行改裝。由電動機、變速器和變流器組成EDU與Bosch公司E-車橋一起作為預配置方案以供使用。

底盤模塊組合部件可用于各種不同等級車型(圖5)。B/C級車型將采用E-McPherson前橋結構和電驅動復合導桿后橋結構，而D、E和F級車型的模塊組合部件則采用雙橫向導桿電動前橋方案和5導桿后橋方案。

圖5 BEDS的E底盤及其電動前橋和后橋模塊被設計成可縮放方式——底盤模塊組合部件可用于各種不同等級車型

被改裝成電驅動的前橋模塊通過較低的碰撞途徑來滿足更高的車輛要求，而后橋模塊則用于考察最佳的起步前傾特性。結構空間容許采用螺旋彈簧或空氣彈簧的彈性減振系統。

雙隔離的EDU支承方案能滿足所期望的NVH性能。與Vibracoustic公司共同設計了支承裝置，其定位、剛度和減振都以詳細的頻率分析為基礎，避免了不利的共振區域。

7 電子工程的結構和安全性

BEDS的E/E結構是可縮放式的，使得所有關聯的電子部件之間具有良好和安全可靠的能量與信號分配(圖6)，但是要有利于整車電路的布局。其中功率分配單元(PDU)集中分配能量，而汽車中央控制單元(VCU)控制所有的電子部件，采用這種方式就能實現靈活的變化，例如每個車橋用2個EDU或者前車橋、后車橋各布置1個EDU。

VCU還承擔了3種可能的充電方式：交流(AC)充電、DC充電和無電纜充電。用于DC充電的高壓繼電器集成在高壓蓄電池箱中，而車載充電裝置(AC充電器)則與DC-DC充電器一起集成在殼體中。

E/E結構同樣也必須滿足標準要求的所有安全性。高電壓確定的功率貫穿所有的電子部件并安全地提供電功率，因此當拔掉高壓插頭時，蓄電池切斷單元(BDU)就立即切斷高電壓(400 V)(圖6)。同樣，應預先設置機艙中維修工作用的分離點和救火隊用的分離點。高壓蓄電池中的絕緣監測裝置(IMD)用于監測高壓電功率與汽車接地之間的絕緣電阻。

圖6 方塊電路圖：BEDS的可縮放式E/E結構使得所有關聯的電子部件之間能具有良好與安全可靠的能量和信號分配

8 成本效益和可縮放式制造

在設計生產系統時要適應于模塊化產品結構，產品設計也必須延伸到以用戶為導向的BEDS業務模式之中。通過模塊化平臺、裝備狀況和裝配程度都可進行設置。這樣即使進行小批量生產也能確保達到較高的成本效益，最終的裝配系統及其所屬的供應鏈盡可能按人數和方案靈活設計。

同時，汽車裝配方案的基本變化對于這種高度的靈活性是具有決定性意義的。這種生產方式的核心組成部分是工藝模塊的制造結構，借助于零件載體(無人操縱輸送系統)的裝配工位，以及放棄模塊所需的生產周期，因為生產方式可能取決于相應變化的需要，因此生產組織可能取決于裝配過程的變化。除此之外，這種工藝模式使得裝配步驟進行階梯式布置，并在批量增加的情況下無需倍增總的裝配流水線。因此，BEDS是在實現最佳性能和最低成本的汽車電動化中具有決定性意義的重要步驟。