新能源商用車平臺化設計方法

黃乃勇

畢業于武漢理工大學車輛工程專業，碩士研究生。現就職于東風商用車技術中心，任高級工程師，主要從事新能源整車開發，已發表論文有《混動總成平臺化設計方法》，曾獲東風科協一等獎;《平衡懸架上軸的輸入輸出點計算》曾獲東風科協三等獎;《載貨車軸荷計算方法》曾獲東風科協三等獎;《某車型轉向盤力矩波動問題改進》曾獲東風科協二等獎。

摘" 要： 本文針對新能源商用車，從整車特性目標設定到分解，整車方案設計，接口定義及參數化，模塊設計，功能、特性與模塊映射，試驗驗證等方面闡述一種新能源整車平臺化模塊化正向設計方法，以開發具備強競爭力的新能源平臺產品。

關鍵詞： 平臺化;模塊化;接口;功能;特性

中圖分類號：U469.72" " " 文獻標志碼：A" " " "文章編號：1005-2550（2022）04-0002-06

Platform-based Design Method of A New Energy Commercial Vehicle

HUANG Nai-yong， JIANG Guang-hui， ZHOU Rui， YANG Qian-zhi， HU Teng

（DongFeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430058， China）

Abstract： The aritcle is for the new energy commercial vehicle， from vehicle characteristics target setting to decomposition， vehicle scheme design， interface definition and parameterization， module design， function， characteristics and module mapping， test verification. In order to develop new energy platform products with strong competitiveness， a forward design method of new energy product platform modularization is expounded from the aspects of these and so on.

Key" Words： Platformization; Modularization; Interface; Function; Characteristic

從新能源商用車近幾年產品看，純電動占比較大，混動、氫燃料商用車剛起步。同時，電池能量密度、循環壽命及快充技術，固態電池研發及應用，電驅動系統深度集成等關鍵總成技術還有很大提升空間。

根據國家戰略部署，為完善未來新能源商用車產品體系并打造更具競爭力產品，開發初期就需引入平臺化模塊化開發理念[1]，結合企業自身特點和經驗，前瞻規劃，循序漸進，積極行動。

本文正是基于平臺化開發思路，為新能源商用車提供一種新的開發方法。

1" " 平臺化模塊化概念

1.1" "平臺化、模塊化

平臺化是基于平臺理念進行產品開發的方法，模塊化是基于模塊理念進行產品開發的方法，產品架構則是連接平臺與模塊的紐帶[2]，其核心是用有限模塊組合更多產品，盡可能實現模塊通用。

明確整車開發目標后，構建平臺產品及模塊與變量關系，形成兼容、互斥的唯一組合關系，再通過模塊化數據發放實現整車平臺化模塊化開發。本文基于該思路重點從以下幾方面對新能源商用車產品的平臺化模塊化開發進行探討，具體包含市場分析、目標設定及分解、整車方案、接口、模塊設計及驗證、模塊庫、整車生產銷售等內容。

1.2" "新能源商用車平臺架構

本文所述開發流程正是基于同平臺架構下的純電、混動、氫燃料三種車型，具體如下：

1）純電動車，兩種平臺架構思路，一中置或側掛動力電池，為解決重心高及上裝空間小的痛點;二是后背動力電池，實現快速換電以解決市場對作業時效性需求。

另外，驅動總成實現標準化安裝接口，滿足電驅橋和電機-變速箱方案的模塊化互換。駕駛室體現新能源特征外，與底盤接口在同平臺產品系列中通用。

2）混動車，在傳統燃油車基礎上增加電機、動力電池及散熱系統。考慮到整體架構通用，采用模塊變動少、電機成本低、且能實現電機與發動機完全解耦的P2并聯結構。底盤、駕駛室接口同燃油車，僅增加動力電池布置，電機位于發動機與變速箱之間且同軸，考慮電機、電池散熱與發動機、空調散熱模塊集成。

3）氫燃料車，一種電堆與電機混動車型，區別傳統混動車在于發動機及其附件系統變成燃料電池發動機，油箱變成氫瓶，不同電堆產品保持相同的連接接口，沒有排放處理，有較高的散熱需求;區別純電動車的地方是沒有大電量動力電池，換成氫瓶，后背或者底盤側掛，氫瓶后背方案與純電動力電池、天燃氣車氣瓶后背方案接口統一。駕駛室體現綠色環保，與底盤接口在同平臺產品系列中通用。

2" "平臺化模塊化正向開發

2.1" "目標設定及分解

2.1.1 目標設定

整車目標是將公司戰略規劃、客戶需求、競品水平、法規、性能提升、工藝等輸入信息通過一定方法轉化成目標參數，這里應用的是質量屋（QFD）方法[4]，通過對車輛關鍵特性進行重要度排序，如表（1）所示。按照QFD方法對每項特性進行提案分解打分，得到具體目標值，如表（2）所示。

這些指標是基于市場需求，承接公司戰略，基于客觀實際總結出來的在未來一段時間內具有強競爭力。

2.1.2 目標分解

整車一級指標由特性負責人分解到二、三、四級，分解后的指標達成（仿真、臺架、試驗）落實到相應技術方案，每個方案映射到具體模塊。各模塊能否在相應技術方案下達標是反復的過程，需要不斷優化論證確定。

下面以純電動車經濟性指標為例說明分解及驗證過程，如表（3）。

以上各、指標分解到具體模塊后，即作為模塊開發的重要輸入條件之一。

2.2" "整車方案設計

基于平臺架構設想，整車方案設計需設定原則，以確保更多模塊在各平臺系列間通用。一方面考慮用戶使用需求，以及車輛在各工況下的適應性，滿足法規要求;

另一方面體現平臺化模塊化開發思路，在設計初期就需全面考慮各平臺間的差異性和通用性，各模塊在不同平臺間的變型。

為實現接口標準化，需全平臺范圍內考慮產品布置方案，這完全不同于傳統單車開發思路。

2.2.1 混合動力車型

對于混動車型，兼顧與傳統燃油車方案一致性，遵循原則：

1）動力總成僅在發動機和變速箱之間增加同軸電機占位空間，其他接口不變;

2）新增電機與發動機散熱模塊集成，電池共用空調散熱模塊，不燃油車散熱模塊接口不變;

3）牽引車動力電池替代副油箱位置，載貨及工程車在原方案上獨立增加動力電池及溫控模塊，其他接口保持一致;

以上混動平臺方案無論在可變、不變部分均最大程度確保與燃油車平臺一致性，布置簡化圖如圖1，圖中陰影部分表示混動車的變化。

2.2.2 純電動車型

受電池能量密度限制，純電動車一般應用在中短途運輸。底盤重心要求低考慮將動力電池布置在車架內外側，同時增加上裝空間;工作時效性要求高考慮電池后背，實現快速換電。兩種方案遵循原則：

1）動力電池在車架內外側，則：①各平臺間內、外側動力電池與車架連接接口不變;②電動附件高度集成，各平臺間接口不變;③上裝接口不變;④電驅橋和電機-變速箱方案相同位置接口統一，可切換;⑤底盤與駕駛室接口在同平臺內一致。

2）動力電池后背，電池占位及與車架接口考慮與后背氫瓶（氫燃料車型）或天然氣氣瓶（天燃氣車型）方案保持一致，其他與1）中②③④⑤同原則。

布置簡化圖如圖2，陰影部分表示兩種動力總成的整體切換。

2.2.3 氫燃料車型

氫燃料車環保又滿足中長途運輸需求，且加氫效率遠高于純電車。目前，氫燃料車型處于起步階段，單電堆功率低于150kW，結構、接口各廠家均有差異，目前主要在中、輕型商用車上推廣，重型車待單堆功率提升。在這關鍵時期，由主機廠主導，協同供應商統一電堆接口，這對未來縮短開發周期，提升競爭力有很大幫助。

具體包括：

1）在駕駛室下方，明確未來需求電堆系統與整車接口保持一致;

2）后背氫瓶接口與其他車型后背方案保持一致，實現多平臺間接口統一;

3）其他附件及動力電池的接口與混動、純電動車型保持一致，新增零件接口不改變原有電動附件接口。

布置簡化圖如圖3，不同陰影部分表示電堆、后背氣瓶、驅動總成可實現整體模塊切換。

2.3" "模塊規劃及設計

根據型譜對各細分市場車輛進行總體方案設計，界定架構范圍及規則，進行模塊規劃和設計，完成模塊劃分和模塊變型。

模塊劃分是對平臺內車輛模塊進行層級劃分;模塊變型是基礎模塊在一定驅動因子下衍生出滿足需求變形模塊，模塊規劃和設計考慮以最少模塊實現更多組合;變型驅動因子主要包括接口定義及參數化、功能特性、成本、配置、工藝、法規等。

2.3.1 模塊劃分

模塊劃分是模塊化開發的一個重要環節，如圖（4）所示將商用車模塊分為三級：車輛模塊、模塊、子模塊，采用樹狀結構進行分級，形成模塊數據層級結構，車輛結構數據來源于模塊結構各層級數據。

劃分形式如表4。

2.3.2.1 接口定義及參數化

整車總布置方案確定后，可對關鍵接口定義，包括：1）模塊間物理邊界;2）空間包絡;3）尺寸、坐標;4）數據通信;5）裝配連接點。

根據重要度不同劃分，模塊內部接口為C級，模塊間的接口為B級，接口變動有重大影響的B、C級接口升為A級，具體考慮：1）復雜性，影響面廣;2）成本有重大變化;3）平臺架構變動;4）關鍵車輛尺寸、總線通信;5）法規等。詳細定義方法參照表（5）。

根據整車方案及接口定義即可開展模塊參數化設計，明確接口具體參數。

2.3.2.2 功能amp;特性

功能開發主要有軟、硬件兩方面，軟件功能開發是將不同功能模塊劃分到不同控制器由軟件工程師開發完成;硬件映射到具體系統模塊，且功能實現可能涉及多系統多模塊[6]。如制動能量回收，涉及電機、動力電池、變速箱等模塊。混動車較統燃油車，同架構下實現換擋調速，變速箱中間軸制動器就存在有和無兩種狀態，從而增加變速箱模塊變型。

不同細分市場整車加速性能差異，發動機和電機總功率或總速比不同，增加模塊變型。

平臺系列內所有功能、特性指標細化后成為模塊的輸入邊界，結合其他接口、成本、配置、法規等邊界要求，最終完善模塊規劃及其變型。

2.3.3 模塊設計及驗證

當模塊開發邊界明確后，即可開展詳細設計，確保以最少的接口、最優的結構適用于多平臺產品。

在全新的電子電氣架構下，控制器及線束模塊，及各控制器里的功能軟件模塊同步開展詳細設計。

完成模塊設計后，進行獨立試驗驗證（包括臺架和整車），縮短整車開發周期，快速實現整車批量化生產銷售。

2.4" "模塊數據維護及發布

模塊庫維護，工程人員在BOM數據庫里建立模塊字典，設計師按數據層級結構維護各級模塊，構建實例化變型數據，通過變量將模塊與零件、接口、功能特性等要素進行關聯，并顯示關聯關系。其特點：

1）模塊數據獨立車型進行設計變更、發布;

2）模塊開發獨立進行，根據功能特性及接口進行整體規劃和開發，實現多樣化組合;

3）模塊編碼由字典編號加流水碼生成實例化;

4）模型變型關聯車型變量，可篩選。

模塊數據組合及應用，車型平臺系列和模塊變型分別與變量關聯，根據變量規則兼容互斥關系，建立EBOM數據。銷售根據客戶需求在SBOM車型系列中選擇唯一化變量，生成單一示例化可生產車輛變量組合，制造根據MBOM解算出該實例化生產車輛唯一化模塊變型數據，用于工順、工藝、采購及裝配[5]。 當模塊開發及數據建立完成后，從客戶點單到組織生產的全過程可實現自動化數據組合及生產銷售，有效提升工作效率。

3" " 總結

本文針對新能源商用車，應用平臺化開發思路，從目標設定、分解，整車構架及方案設計，接口定義，模塊設計，功能、特性與模塊的映射，試驗等方面介紹產品正向設計方法，該方法大量工作集中在前期。綜合企劃、現生產、技術發展、生產工藝、成本等因素，對整車方案、接口、模塊進行優化，最終確定最優平臺解決方案，實現最少模塊組合更多符合市場需求且具強競爭力產品。

參考文獻：

[1]宋易.模塊化成就百年輝煌-解讀斯堪尼亞的模塊化思想.交通世界（運輸車輛），2007（3）.

[2]趙福全，劉宗巍，李贊.汽車產品平臺化模塊化開發模式與實施策略[J].汽車技術，2017（6）：1～5.

[3]鄭傳筆.淺談新能源商用車發展趨勢[J].重型汽車.2002.

[4]江擒虎.淺析質量屋方法在產品設計中的應用[J].安徽科技.2000.

[5]曹丹領，李端午，李青春，魯輝.商用車基于模塊化的開發方法簡述[J].重型汽車.2020.10.

[6]張金一.功能定義在整車產品開發中的應用介紹[J].中國汽車.2018.10.

專家推薦語

吳杰余

東風汽車集團有限公司技術中心

新能源汽車總師" 研究員級高級工程師

本文基于該思路重點從幾方面對新能源商用車產品的平臺化模塊化開發進行深入探討，模塊化的研究方向很好，有一定的借鑒意義。