基于扭轉(zhuǎn)剛度的電池包與車身集成設(shè)計研究

廉玉波，衣本鋼，崔營營，田洪生，閆軍飛，程 晨

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院車身技術(shù)開發(fā)中心，深圳 518118）

前言

當前乘用車車身普遍采用承載式車身設(shè)計，路面凹凸不平產(chǎn)生的隨機載荷使車身發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。若汽車扭轉(zhuǎn)剛度過低會導(dǎo)致整車舒適性和操穩(wěn)性變差。車身作為整車的一個子系統(tǒng)，地面載荷會通過底盤傳遞到車身，再通過車身傳遞到駕乘人員，車身作為傳力路徑的一部分其扭轉(zhuǎn)剛度對整車的舒適和操穩(wěn)性具有重要作用，白車身扭轉(zhuǎn)剛度也是衡量車身輕量化系數(shù)的重要指標。因此，提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度對整車開發(fā)過程具有很重要的意義。

國內(nèi)外研究者基于車身扭轉(zhuǎn)剛度的提升做了大量的研究分析，總的來說主要是從梁的布置、截面優(yōu)化、料厚規(guī)劃、接頭設(shè)計4 個方面提升扭轉(zhuǎn)剛度［4］。由于傳統(tǒng)框架的燃油或者純電、混動車型已經(jīng)具備了比較成熟的框架結(jié)構(gòu)，且受各方面布置的限制，只能在現(xiàn)有的框架基礎(chǔ)上打補丁式的去加強，并不能起到很好的提升效果，而且需要增加比較多的質(zhì)量成本。因此，在兼顧成本與白車身扭轉(zhuǎn)剛度的前提下，需要選擇最優(yōu)的優(yōu)化對象和策略，找到最佳傳力路徑，把材料分布在最需要的地方。目標就是為了平衡車身質(zhì)量與力學性能的矛盾，以最小的質(zhì)量增加獲得最大程度的車身力學性能提升。

由于新一代的純電車身與傳統(tǒng)車身有較大的結(jié)構(gòu)框架差異，在設(shè)計初期可以重新定義車身框架結(jié)構(gòu)，本文基于理論分析及拓撲優(yōu)化的方法找尋車身扭轉(zhuǎn)剛度的最佳傳力路徑，通過電池包與車身的集成設(shè)計，使得車身形成多個近似圓環(huán)狀的封閉結(jié)構(gòu)。這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)有效加強了扭轉(zhuǎn)剛度的傳力路徑，在車身沒有增加額外質(zhì)量的前提下，白車身扭轉(zhuǎn)剛度得到大幅度提升。

1 白車身扭轉(zhuǎn)剛度與整車操穩(wěn)性

1.1 白車身扭轉(zhuǎn)剛度來源

汽車在坑洼/起伏路面產(chǎn)生的隨機載荷使車身發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，白車身扭轉(zhuǎn)剛度是抵抗車身扭轉(zhuǎn)變形的能力。

汽車在扭轉(zhuǎn)變形時主要通過前后減振器將載荷傳遞到車身上的，因此定義白車身扭轉(zhuǎn)剛度如圖1所示，約束后減振器位置X、Y、Z方向平動自由度，放開X、Y、Z3 個方向轉(zhuǎn)動自由度，在前減振器位置施加4 000 N·m的力矩［1］時，白車身扭轉(zhuǎn)剛度表示為

圖1 白車身扭轉(zhuǎn)剛度示意圖

式中：G為白車身扭轉(zhuǎn)剛度；θ為前減振器位置車身相對扭轉(zhuǎn)角。

1.2 整車操穩(wěn)性簡析

1.2.1 整車操穩(wěn)性影響因素

影響汽車操縱穩(wěn)定性的因素有很多，白車身扭轉(zhuǎn)剛度更多表現(xiàn)在汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。來自路面的不同振動載荷直接作用在底盤系統(tǒng)上，然后再通過減振器從底盤傳遞到車身上。因此，如果想要達到比較好的操穩(wěn)效果，需要保證傳力路徑上各個系統(tǒng)有足夠的剛度。即簡化公式表述，整個系統(tǒng)的剛度可以用串聯(lián)剛度的方法計算：

式中：Gtoal為代表整個系統(tǒng)的剛度；G1、G2、G3…Gn代表載荷傳遞路徑上底盤系統(tǒng)、接附點剛度、白車身扭轉(zhuǎn)剛度等各個子系統(tǒng)的剛度。要想整車操穩(wěn)性好，就需要各個系統(tǒng)的剛度要高，通過式（2）可以看出白車身扭轉(zhuǎn)剛度是整個系統(tǒng)剛度的重要組成部分，因此提高車身扭轉(zhuǎn)剛度對于整車操穩(wěn)性能的提升具有非常重要的意義［11］。

1.2.2 扭轉(zhuǎn)剛度對操穩(wěn)性的影響

車身連接前軸和后軸，車身扭轉(zhuǎn)剛度越大，側(cè)向力從車身前段傳至后段越快，后輪轉(zhuǎn)向越快，跟隨越快。如圖2 所示，扭轉(zhuǎn)剛度越大，側(cè)向力越快從前軸傳至后軸，側(cè)傾變化越快，側(cè)向力變化越快，瞬態(tài)橫擺角越小，甩尾越小，底盤更穩(wěn)。而且扭轉(zhuǎn)剛度越大變道越快，扭轉(zhuǎn)剛度越小變道越慢［12］。

圖2 緊急變道示意圖

2 扭轉(zhuǎn)剛度理論分析與拓撲優(yōu)化

2.1 簡化模型力學分析

通過簡化圓軸模型闡述扭轉(zhuǎn)剛度，如圖3 所示，圓軸受Me大小的轉(zhuǎn)矩，則內(nèi)力系對圓心的力矩等于外力轉(zhuǎn)矩Me，即

圖3 圓軸扭轉(zhuǎn)示意圖

式中：Me為圓軸受外力轉(zhuǎn)矩；dA為微單元面積；ρ為微單元到圓心的距離；τρ為微單元切應(yīng)力；G是剪切模量；IP為橫截面對圓心的極慣性矩；θ為圓軸受外轉(zhuǎn)矩后產(chǎn)生的相對扭轉(zhuǎn)角度；其中GIP是截面的抗扭剛度。

由式（3）和式（4）推出式（5），對于式（5）如果想要扭轉(zhuǎn)角度θ最小，就需要抗扭剛度GIP最大化；由式（4），在相同質(zhì)量情況下圓形截面的抗扭剛度最大化，須材料分布離扭轉(zhuǎn)軸越遠越好；因此車身提升扭轉(zhuǎn)剛度可通過增加A 柱環(huán)、C 柱環(huán)、車門環(huán)及高剛性電池包與門檻連接使A、C 環(huán)相連形成車身多重環(huán)狀封閉結(jié)構(gòu)來增強整車扭轉(zhuǎn)剛度［2］，如圖4所示。

圖4 環(huán)狀路徑車身框架簡圖

2.2 基于扭轉(zhuǎn)剛度的拓撲優(yōu)化

如圖5 所示，車身在可設(shè)計區(qū)間填滿實體網(wǎng)格，電池包在可設(shè)計區(qū)域也填滿實體網(wǎng)格且與車身實體網(wǎng)格連接進行一體化后進行拓撲優(yōu)化。

圖5 拓撲優(yōu)化設(shè)計區(qū)間

模型約束：后減振器位置約束X、Y、Z3 個方向平動自由度，放開X、Y、Z3個方向轉(zhuǎn)動自由度。

模型載荷：在前減振器位置施加4 000 N·m 的力矩。

優(yōu)化響應(yīng)：建立柔度com和體積分數(shù)vof兩個響應(yīng)分析。

響應(yīng)約束：體積分數(shù)vof設(shè)置為15%，即保留初始材料體積分數(shù)的15%進行拓撲優(yōu)化。

優(yōu)化目標：設(shè)置柔度com最小化，即在保證材料保留15%的情況下，優(yōu)化模型柔度最小化即扭轉(zhuǎn)剛度最大化［3］。

拓撲優(yōu)化結(jié)果：如圖6 所示，紅色部分是拓撲優(yōu)化的最佳傳力路徑，基于扭轉(zhuǎn)剛度工況材料主要分布在紅色路徑上。

圖6 拓撲優(yōu)化結(jié)果云圖

基于拓撲結(jié)果對下一代純電車身結(jié)構(gòu)設(shè)計提出以下的建議：

（1）如圖7 所示，車身結(jié)構(gòu)需形成封閉的A 柱環(huán)、B柱環(huán)、C柱環(huán)、門環(huán)以及地板環(huán)狀結(jié)構(gòu)；

圖7 車身關(guān)鍵環(huán)狀結(jié)構(gòu)

（2）如圖8所示，A柱環(huán)通過加強前輪罩結(jié)構(gòu)，增加前艙穩(wěn)定桿來加強A 柱環(huán)，C 柱環(huán)通過在后輪罩內(nèi)、外增加環(huán)狀梁結(jié)構(gòu)加強C柱環(huán)。

圖8 車身A環(huán)、C環(huán)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

2.3 電池包對扭轉(zhuǎn)剛度的影響

基于2.2 節(jié)中拓撲優(yōu)化結(jié)果，在現(xiàn)有車的基礎(chǔ)上進行一系列更改及仿真驗證。首先，研究寬電池包及窄電池包對扭轉(zhuǎn)剛度影響的驗證，寬包是在現(xiàn)有窄包車基礎(chǔ)上把電池包加大，左右兩側(cè)電池包邊框直接裝配在車門門檻梁上。電池包前部有6 個安裝點，后部4個安裝點，左右兩側(cè)各11個安裝點安裝在門檻上，前座椅后橫梁處再布置4 個安裝點。窄包就是傳統(tǒng)的安裝在前地板下的電池包安裝縱梁上，與門檻梁Y向有100 mm 以上的間距；其次，研究基于寬電池包安裝點位置對車身扭轉(zhuǎn)剛度的影響。圖9所示為寬/窄電池包示意圖。

圖9 EV寬/窄電池包示意圖

從表1 可以看出，寬電池包車型的扭轉(zhuǎn)剛度普遍偏高，寬電池包對車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻量約在1.0 萬N·m/（°）到1.2 萬N·m/（°），窄電池包對車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻量約在3 000 N·m/（°）到6 000 N·m/（°）。寬電池包對車身扭轉(zhuǎn)剛度貢獻較大。基于寬電池包分析電池包安裝點數(shù)量對于車身扭轉(zhuǎn)剛度的影響，如表2 所示，后部安裝點對車身扭轉(zhuǎn)剛度影響最大，側(cè)邊安裝點次之，前安裝點影響較小，中間安裝點對扭轉(zhuǎn)剛度幾乎無影響。

表1 電池包對扭轉(zhuǎn)剛度的影響

表2 電池包安裝點對扭轉(zhuǎn)剛度的影響 N·m/（°）

3 電池包與車身集成設(shè)計

3.1 電池包與車身集成設(shè)計

傳統(tǒng)純電或混動車型采用的是CTP 方案（cell to pack）即非純平窄電池包，車身帶面板，面板下有電池包安裝縱梁，電池包安裝在縱梁上，如圖10所示。

圖10 CTP/CTB方案

基于第2 節(jié)分析，全新一代純電車型采用新的傳力路徑加強扭轉(zhuǎn)剛度，把高剛性電池包加大直接裝在門檻即CTB方案（cell to body）。

（1）對于CTB 電池包：如圖11 所示，采用高安全刀片電池，無模組結(jié)構(gòu)，刀片電池上部與上蓋板粘接，下部與托盤面板粘接，兩側(cè)緊貼托盤邊框，托盤邊框相對CTP 托盤也進行了加高加強設(shè)計，因此形成了高剛性的電池包結(jié)構(gòu)，經(jīng)仿真分析確認，電池包體扭轉(zhuǎn)剛度提升491%。

圖11 電池包安裝示意圖

（2）對于車身：如圖10 所示，取消了地板面板，電池包上蓋板復(fù)用為車身地板，取消電池包安裝縱梁，寬體電池包直接裝配在門檻梁上。

（3）電池包與車身集成連接方式：門檻單邊采用11 個M10 螺栓連接，前端6 個M10 螺栓連接，后端4個M10螺栓連接，座椅后橫梁4個M10螺栓連接。

3.2 電池包與車身形成環(huán)狀框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)第2 節(jié)分析及驗證，全新一代純電車身增強A 柱環(huán)、B 柱環(huán)、C 柱環(huán)、車門環(huán)的設(shè)計，并且高剛性電池包與門檻連接使A、C環(huán)連接形成車身X向環(huán)狀封閉結(jié)構(gòu)，如圖12 和圖13 所示，由此增強整車扭轉(zhuǎn)剛度傳力路徑。

圖12 刀片電池包將車身A、C柱環(huán)形成閉環(huán)

圖13 類蜂窩高剛性電池包與車身緊密融合

4 扭轉(zhuǎn)剛度與整車操穩(wěn)性能提升

4.1 CTB車型扭轉(zhuǎn)剛度及輕量化系數(shù)

某量產(chǎn)純電車型A-A 采用CTB 方案且加強了車身A 柱環(huán)、C 柱環(huán)，扭轉(zhuǎn)剛度達到40 500 N·m/（°），較CTP車型提升76%（圖14），超過中級豪華車，接近旗艦豪華車，車身輕量化系數(shù)低至1.75，達到行業(yè)同級車領(lǐng)先水平，如圖15 和圖16 所示（其中圖15 和圖16 引用的其他品牌數(shù)據(jù)均來自ECB 歐洲車身大會官方公布數(shù)據(jù)）。純電車型A-A 車身輕量化系數(shù)計算如下：

圖14 傳統(tǒng)CTP車型扭轉(zhuǎn)剛度

圖15 扭轉(zhuǎn)剛度與車型售價

圖16 車型A-A（CTB）輕量化系數(shù)水平

式中：M是白車身質(zhì)量；Ct是車身扭轉(zhuǎn)剛度；A是車身投影面積。

如圖14 所示，傳統(tǒng)CTP 車型扭轉(zhuǎn)剛度在1.5 萬N·m/（°）到2.7 萬 N·m/（°）左右。可見基于扭轉(zhuǎn)剛度重新定義傳力路徑，使得材料分布在最佳傳力路徑上，可以達到車身力學性能大幅提升的目的，且剛性電池包與車身一體化連接優(yōu)化加強了扭轉(zhuǎn)剛度傳力路徑。

4.2 CTB車型整車操穩(wěn)性提升

為了驗證CTB 高扭轉(zhuǎn)剛度車身的操穩(wěn)性能，對CTB 車型和傳統(tǒng)CTP 進行了橫擺角速度和橫擺共振頻率的實車測試。在車輛進行轉(zhuǎn)彎變道時首先是轉(zhuǎn)向盤輸入信號，前輪產(chǎn)生側(cè)偏角和側(cè)向力，車輛進行橫擺運動，然后后輪產(chǎn)生側(cè)偏角和側(cè)向力，最后車輛轉(zhuǎn)彎完成進入穩(wěn)定狀態(tài)［9-10］。如圖17 所示，車身在3-6 階段產(chǎn)生側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)變形，而且車身剛度越大，產(chǎn)生的側(cè)向變形和車身扭轉(zhuǎn)角越小。通過圖18 可以看出，CTB 車型的橫擺響應(yīng)的超調(diào)量比CTP車型降低39%，橫擺超調(diào)量越低車輛越快達到穩(wěn)定狀態(tài)，且車輛的甩尾越小；CTB 車型的橫擺共振頻率較CTP 車型提升6%，橫擺共振頻率越高車輛穩(wěn)定性越高，因此，CTB 高剛度車身提升了整車的動態(tài)性能，使車輛在轉(zhuǎn)彎變道時更快達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖17 車輛轉(zhuǎn)彎過程示意圖

圖18 橫擺角速度和共振頻率對比

為了進一步驗證，車身扭轉(zhuǎn)剛度越大，彎道時后軸跟隨響應(yīng)越快，甩尾越小，操控性越好，用車型BB（CTP 方案）進行改車，通過車身加強，使原來只有27 000 N·m/（°）的扭轉(zhuǎn)剛度達到40 500 N·m/（°）。用模擬高速變道超車的單移線工況測試不同扭轉(zhuǎn)剛度對應(yīng)的極限車速，在這個工況下，后軸跟隨越快，甩尾越小，越容易通過。車型B-B（CTP 方案）原車扭轉(zhuǎn)剛度較小，車速105 km/h 時甩尾大，后輪碰樁，無法通過，如圖19 所示；而車型B-B 加強（CTP 方案）扭轉(zhuǎn)剛度后，車速110 km/h 時還能穩(wěn)定通過，如圖20 所示；車型A-A（CTB 方案）車速還能進一步提升到117 km/h，且穩(wěn)定通過，如圖21 所示。從圖20和圖21 可以看到車型B-B 加強和車型A-A 的甩尾更小，整體穩(wěn)定性更好。

圖19 車型B-B（CTP）變道

圖20 車型B-B加強（CTP）變道

圖21 車型A-A（CTB）變道

試驗結(jié)果（表3）表明，扭轉(zhuǎn)剛度對整車操穩(wěn)性影響較大，且扭轉(zhuǎn)剛度越大，整車操穩(wěn)性越好。所以電池與車身集成設(shè)計后大大提升了車身扭轉(zhuǎn)剛度，也使整車操穩(wěn)性能大幅提升。

表3 彎道超車試驗對比

5 結(jié)論

（1）由于新一代的純電車身與傳統(tǒng)車身有較大的結(jié)構(gòu)框架差異，因此在設(shè)計初期，基于扭轉(zhuǎn)剛度從新定義傳力路徑，使得材料分布在最佳傳力路徑，達到車身力學性能大幅提升；

（2）CTB 的EV 寬電池包提高扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻量在1.0 萬N·m/（°）至1.2 萬N·m/（°），CTP 的EV 窄包對扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻量在3 000 N·m/（°）至6 000 N·m/（°），電池包對CTB 的EV 車型扭轉(zhuǎn)剛度影響最大，窄包車型次之，電池包后安裝點對剛度影響最大，側(cè)邊安裝點次之，前安裝點影響較小，中間安裝點對剛度沒影響；

（3）電池包與車身的集成設(shè)計，使得車身形成多個近似圓環(huán)狀的封閉結(jié)構(gòu)，這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)有效加強了扭轉(zhuǎn)剛度的傳力路徑，在車身沒有增加額外質(zhì)量的前提下，白車身扭轉(zhuǎn)剛度可達到40 000N·m/（°）的水平，使得車身輕量化系數(shù)達到1.75，處于同級車型領(lǐng)先水平；

（4）扭轉(zhuǎn)剛度對整車操穩(wěn)性影響較大，車身扭轉(zhuǎn)剛度越大，彎道時后軸跟隨響應(yīng)越快，甩尾越小，整車操穩(wěn)性越好。