電動汽車可擴展式架構研究綜述

張子峰 付宏勛 李亞龍

摘 要：汽車架構作為生產汽車的基礎，一個好的電動汽車架構，具有良好的拓展性與模塊化設計，柔性化電動汽車架構開發(fā)能有效地降低企業(yè)后續(xù)研發(fā)費用及整車成本，對產品的開發(fā)具有重要意義。通過分析現(xiàn)有電動汽車的架構現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為電動汽車架構規(guī)劃提供參考建議。

關鍵詞：電動汽車;設計架構;擴展性;模塊化設計;發(fā)展趨勢

中圖分類號：F426.471 ? ? ? ?文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.01.005

Abstract： Automobile platform is the basis of automobile production. A good electric vehicle platform has good extensible form and building block design. The development of flexible electric vehicle platform can effectively reduce the cost of subsequent research and development of enterprises and the cost of the whole vehicle. It is of great significance to the development of products. This paper analyzes the current situation and development trend of electric vehicle platform， and provides some reference suggestions for electric vehicle platform planning.

Keywords： electric vehicle; design platform; extensible form; building block design; trend in development

0 引言

隨著世界經濟的快速發(fā)展，市場需求不斷轉變。新能源汽車尤其是純電動汽車作為新起之秀，正在逐步吸引大眾的眼球，又因兼顧環(huán)保、節(jié)能與強勁的動力優(yōu)勢，在汽車領域將會取代傳統(tǒng)的燃油型汽車成為今后最理想的交通工具[1]。目前，雖然市場銷售的一些純電動汽車小有翹楚，但此類純電動汽車多是在傳統(tǒng)燃油汽車基礎之上變型而來，存在劣勢。隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，新能源汽車不斷推陳出新，不再僅僅局限于交通工具，而且還應具備靚麗的外觀、時尚的氣息，還應配置豐富的人性化設計以滿足大眾各種需求。而由傳統(tǒng)汽車改造而來的純電動汽車由于各種因素的限制，難以滿足大眾多樣化的要求。

近幾年來，在國家相關部門和政策的大力扶持下，我國純電動汽車行業(yè)的發(fā)展舉世矚目，年銷量突破50萬輛，在全球穩(wěn)居第一位[2]。2017年9月，國家頒布了《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》，簡稱雙積分政策，此雙積分政策提出2019年乘用車企業(yè)新能源積分占比需達到10%。為緊跟國家雙積分政策要求，車企紛紛大力投入研發(fā)電動汽車架構資金，計劃在2020年以后上市的新能源電動汽車均基于專用架構開發(fā)。因此，電動汽車可擴展式架構的研究對于支撐車企產品投放全球具有關鍵性作用與意義。筆者根據(jù)現(xiàn)今國內外電動汽車架構的發(fā)展提供策略，對今后的電動汽車可擴展式架構提出觀點。

1 概述

1.1 基本定義

電動汽車可擴展式架構由車企研發(fā)部門設計以適用于生產不同款型汽車的產品，由同一架構生產的不同款型汽車具有基本相同的結構要素，車企從研發(fā)到生產制造過程中的研發(fā)方案、配置基礎、制造工藝、生產流程與汽車關鍵零部件及其質量控制成為一套完整的體系。簡而言之，可擴展式[3]架構可以同時承載多種款型汽車的研發(fā)和生產制造，其生產的產品在外觀和使用性能上都具有各自特色。由同一架構生產的多款汽車共用一種設計標準，將汽車模塊化組合，模塊化組合的各個子系統(tǒng)進行標準化研發(fā)生產，車企根據(jù)不同樣式的車型將子系統(tǒng)進行模塊化組合，從而生產不同樣式的汽車產品。

1.2 電動汽車可擴展式架構的組成

電動汽車可擴展式架構由底盤、低壓系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)組成。底盤是由懸架系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、地板構成，是傳統(tǒng)意義上的電動汽車可擴展式架構，如圖1所示。低壓系統(tǒng)是由點火開關與搭鐵、燈光系統(tǒng)、車身用電器控制單元、空調管制系統(tǒng)構成。高壓系統(tǒng)由三大電、三小電及高壓線束組成[4]。其中三大電是指電池包、驅動電機、電機控制器，是電動汽車架構高壓系統(tǒng)的重點及核心技術，三小電是指電助力、電剎車、電空調。高壓線束是指連接三大電、三小電之間的高壓線。架構的開發(fā)初期重點考慮柱碰與側碰工況，此兩種工況涉及車身上部結構，顧此處不予考慮[5]。

1.2.1 電動汽車可擴展式架構策略

現(xiàn)今市場的電動汽車底盤分為兩大策略：第一類是傳統(tǒng)改造型策略，即在傳統(tǒng)型新能源汽車上進行改造;第二類是全新設計型策略，使電池包融于底盤的總體全新開發(fā)。

第一大類由傳統(tǒng)新能源汽車改造的電動車底盤最大的變動點則是地板，其特點是一方面表現(xiàn)在車身局部結構的強化，主要體現(xiàn)在汽車安全性，另一方面表現(xiàn)在對其驅動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)的局部改造、調校、注定等，主要體現(xiàn)在汽車零部件的通用性。但此類改造存在弊端如下：①汽車地板與汽車底盤限制電池包的尺寸大小;②由于電池包尺寸與位置的限制，在一定的能量密度條件下，總的電池包電量將會受到限制，則進一步影響電動汽車的實際續(xù)航里程;③共享性與輕量化特性差，汽車軸距與輪距的變化將導致電池包不能共享同系車型;④內部空間和舒適性受限。

第二大類做成全新專用的電動汽車底盤則具有如下優(yōu)勢：①極強的可擴展性;②不需反復研發(fā)新的模組以適應因汽車軸距與輪距的變化導致電池包的長短變化;③輕量化的設計，重心低，汽車操縱穩(wěn)定性能好;④利于傳動形式的轉換。其弊端則是全新的設計投入研發(fā)資金過大。

電動汽車架構有新架構與舊架構兩種存在形式，兩種存在形式與兩大策略進行組合便形成電動車可擴展式架構全新的研發(fā)方案，如圖2所示。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球各大車企都在積極研發(fā)可擴展式架構，并且很多優(yōu)秀車企對可擴展式架構的研發(fā)取得了一定的成就。如表1介紹全球各地區(qū)典型四家車企的可擴展式架構。

2.1 大眾MEB架構

2018年大眾集團推出MEB模塊化電驅動可擴展式架構，如圖3所示，表2為MEB架構概念車參數(shù)。MEB可擴展式架構主要有以下特點：①MEB架構搭載的模塊化電池組可擴展，能夠增加電動汽車的續(xù)航里程;②MEB架構前部無需預留內燃機位置，前后車軸可大幅向遠端移動，實現(xiàn)更長的軸距和更短的前后懸掛，方便設計師設計更具動感的車身比例;③可擴展的架構也支持開發(fā)多種車型的車身，從車型種類來說，覆蓋從轎車、SUV到MPV等多種車型，車輛的驅動形式則包括后驅和四驅;④MEB架構車型還將擴展搭載更多車載設備，如輔助駕駛系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)和控制與顯示系統(tǒng)等。

2.2 奔馳EVA架構

奔馳這款全新電動模塊化可擴展式架構被稱為EVA （Electric Vehicle Architecture）可擴展式架構，如圖4所示。

奔馳EVA可擴展式架構有以下特點：①動力方面，架構可支持后驅和四驅布局，其中后驅布局將采用一臺電動機驅動后輪，最大功率將達到408 馬力，而四驅布局則采用雙電機，前后軸各布置一臺，可以產生122～204 馬力的最大功率;②架構支持擴展懸架的適應性，自適應懸架的作用是通過手動或車輛自動改變懸架的高低、軟硬以適應不同路面的行駛需求;③架構支持擴展動能回收系統(tǒng)，其通過技術手段將車身制動能量存儲起來，并在賽車加速過程中將其作為輔助動力釋放利用。

2.3 沃爾沃SPA架構

2011年沃爾沃公司推出的SPA（Scalable Platform Architecture）可擴展式架構，如圖5所示，表3為SPA架構參數(shù)。

SPA可擴展式架構主要有以下特點：①概念上，SPA可擴展式架構意味著除了前軸到乘員艙之間的尺寸不可更改，其他任何一個部分，包括長度、寬度和高度都是可變化的，增大自由度，整車架構尺寸可以按照不同車型的需求進行靈活調節(jié)（例如沃爾沃V60和S60及XC60）;②共享基本相同特征的底盤結構、電氣系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、傳動系統(tǒng);③動力系統(tǒng)總質量減少90 kg;④電氣設備模塊化設計具有強擴展性;⑤減少零部件的數(shù)量;⑥部件具有可擴展性，關鍵位置材料可增加強度與剛度。

2.4 豐田TNGA架構

2012年豐田公司推出的TNGA（Toyota New Global Architecture）可擴展式架構，如圖6所示，表4為TNGA架構參數(shù)。豐田提出的TNGA架構概念涵蓋車輛設計、汽車制造以及車輛組裝在內的造車理念和方法論等多方面，包含一整套造車流程。

在具體造車方面表現(xiàn)為：①將復雜零散的生產單元歸類整合;②TNGA可擴展式架構的零部件通用性提升至70%～80%;③TNGA可擴展式架構動力性能和燃油經濟性的提升表現(xiàn)突出;④TNGA可擴展式架構的個性化內外飾設計和車身結構;⑤在TNGA可擴展式架構框架下，豐田將開發(fā)三個細分底盤架構：B（小型車）、C（中型車）和K（發(fā)動機前置前輪驅動中大型車）。

3 總結與展望

搭建模塊化架構能夠幫助新能源車企快速降低生產成本，縮短開發(fā)周期，同時加快產品的更新速度，滿足用戶定制化要求。車型之間的通用性增強，在各個模塊單獨開發(fā)完成后，車企只需專注模塊間的組合，無需操心模塊內部的問題，這使整車開發(fā)和后期驗證的效率得以提高。因為采用架構化生產后，可以在生產過程中根據(jù)市場需求不斷進行改造，單次改造時間較短，從而加速新能源汽車的推陳出新。并且，架構具有可擴展式柔性改造特性[6]，柔性包含機械系統(tǒng)柔性和電氣系統(tǒng)柔性，設計在結構與功能上至少（但不限于）支持以下功能擴展與升級：其一，機械轉向與線控轉向的切換;其二，被動懸架升級為主動懸架;其三，前輪轉向升級為四輪轉向。但是，將越來越多的車型放在同一架構上，一旦產生設計缺陷，影響就可能波及到這個架構所涵蓋的所有車型。

現(xiàn)階段也應該適當投入研發(fā)電動汽車專用架構，底盤直接考慮利用全鋁材料，把電池包與下地板融合在一起設計，為未來系列化開發(fā)及快速適應市場做好鋪墊的同時，新的底盤架構演變車型的軸距變化要結合電池包模組的尺寸，軸距變化的尺寸盡量適應模組的寬度倍數(shù)變化，能夠有效地降低開發(fā)成本。首先，這種模式采用標準化模塊確保生產統(tǒng)一的質量標準，并為廣泛適應本企業(yè)旗下車型打下基礎，模塊化概念也可以快速響應客戶的需求，其次，電池包外殼的尺寸、形狀及所用的模組數(shù)量可以按需適配于本企業(yè)的各款車型，最后，這種模式也有利于車輛輕量化開發(fā)。

一款新車型在總裝車間導入時，需要考慮多個方面的適用性，歸納起來可以分為三個方面：①總裝通過性，它是總裝制造可行性的先決條件;②總裝工藝排布的合理性，其決定了新技術和新方案在總裝生產制造的可行性;③工裝設備的適用性，它是達成生產質量和生產目標的重要保證。這3個方面基本涵蓋了總裝車間在導入新車型時所要面對的所有問題。而對于一個全新架構來說，除了要對導入的第一款車型綜合考慮以上三個方面外，還要預留新架構作為后續(xù)車型導入的優(yōu)化空間，尤其是對于當前新能源車型尚處于起步階段，在資源有限的情況下，總裝工藝的開發(fā)更要兼具柔性化[7]。

一個架構不可能兼顧到所有級別車型，在做電動車架構規(guī)劃之前，需要先確定企業(yè)產品的布局、基本參數(shù)及動力性需求。底盤需做好短期規(guī)劃及中長期規(guī)劃，短期規(guī)劃是作為一個過渡時期使用，一般是3～5年，部分總成部件考慮通用到中長期規(guī)劃的架構中。中長期規(guī)劃是結合市場的趨勢，從戰(zhàn)略的角度從發(fā)，做好未來5～10年的規(guī)劃。目前，電動車處于發(fā)展期，配套設施未完善，產業(yè)鏈的發(fā)展未成熟，從市場角度，未來一段時間將仍然以燃油車為主，為保證企業(yè)正常銷量不受影響，規(guī)劃底盤時要考慮與現(xiàn)有車型共用性，短期內以現(xiàn)有車型改制為主，在換代的車型上底盤盡量兼顧燃油車與電動車共用。但是，由于電動汽車開發(fā)周期較長，發(fā)展電動汽車已經提升到國家的戰(zhàn)略高度，汽車電動化已經不可逆轉，新能源汽車將成為未來[8]。

可擴展式架構和新能源汽車車型同步開發(fā)，并結合新工藝與新材料及車身輕量化的優(yōu)勢對未來車企發(fā)展具有重要意義[9]。

參考文獻：

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