06.15 具有輕型車身結構的微型電動車

【德】J.Stein等

【譯】範明強

摘要：隨著城市人口稠密地區的不斷擴展和交通流量不斷增長，有害物排放和噪聲輻射也隨之而來，這對汽車動力驅動系統提出了新要求。因此德國亞琛工業大學汽車研究所( ika) 與歐洲項目的研發人員共同設計了1 種輕型車身結構的電動車方案。

關鍵詞：車身結構 微型電動車 白車身設計

1 起因和開發目標

目前，全球已有54%的人口居住在城市，而按照聯合國的預測，至2050 年城市居民的比重將佔到66%。隨著城市化的快速發展，將加劇交通擁堵、城市噪聲和環境汙染等現象。為了降低CO2排放，歐盟於2009 年通過了1 項法規，至2020 年汽車的平均CO2排放量必須降低到95 g /km。除了降低廢氣排放之外，在開發新車型時還必須考慮到用戶的需求。由於僅有10%的城市居民的日平均行駛里程超過90 km，因此考慮到各種不同的氣候條件，可設計城市微型電動車的蓄電池容量。車輛不僅要兼顧高性能和低成本，還必須考慮到安全性與可靠性，並且在發生交通事故時必須確保乘客及駕駛員的人身安全。

為此歐洲新車鑑定程序協會( NCAP) 於2014 和2016年對輕型電動車( L7e) 的被動安全性進行了試驗。試驗結果表明了其關鍵性的結構弱點，以及安全帶回拉系統不足以起到保護作用，因而存在使乘客受傷的較高風險。德國工程師協會( VDI) 根據測試得出的安全性水平，與常規M1 級車輛相比較，於2013 年建議對質量在400 ～ 800 kg 之間的車輛實施M0 級車輛進行等級劃分。這也促進了更安全可靠和高效的城市微型電動車的開發積極性。因此設計了一種新款微型電動乘用車Epsilon 兼具很高的安全性和輕型車結構，在設計之初按照M0 級設計，以填補L7e 與M1 車輛之間車型段的空缺。並在項目開始時確定了下列規範:

( 1) 單位里程電耗小於80 Wh /km;

( 2) 汽車質量小於600 kg;

( 3) 0 ～ 100 km/h 加速時間小於10 s;

( 4) 電動車行駛里程大於150 km;

( 5) 在按NCAP 為規範的碰撞試驗中評為四星級。

2 車輛方案的開發

開發過程中，Fiat 技術中心( CRF) 進行了市場分析和用戶調研，確定了用戶對微型電動車主要用於上班及閒暇之餘使用，要求行駛安全性及舒適性，特別是要考慮到充電時間短，並具有足夠的行駛里程，以及適用於城市的運載能力。同時在詳細的用戶調查中，已確認了運載4 人的運輸容量及可變的行李艙裝載空間等設計參數。根據城市交通運輸中的用戶需求，考慮較低的實際購置成本和維護保養成本，以此推斷出最小輕型車方案的設計要求。首先，根據設計要求開發車輛外形。圖1 示出了2個適合於95%體形的男性和5%體形的女性的裝載容量方案。該車輛外形方案呈現出較小的基本尺寸、較低的車輛重心和後橋上緊湊的動力總成，其特點是駕駛員與副駕駛員座位在車輛長度方向上錯位15 cm，高效利用了車內空間，有效減小了車輛寬度，而且駕駛員後方的第三個人能有充分放置腿部的空間。在設計開始時就調整好車輛外形方案，在後續的設計過程中為整車開發預留了結構空間，這樣就能進行動力裝置、底盤和白車身( BiW) 等總成的平行設計，並被整合在1 個整車虛擬模型中。

3 結構設計和被動可靠性

為了滿足具有挑戰性的輕量化和安全性的開發目標，為車身開發選擇了1 種整體輕量化的結構型式，兼顧了佈局優化、功能集成的設計理念，並從幾何學角度發揮材料潛力來減輕質量。在佈局優化方面，針對碰撞情況和靜態負荷狀況分析了基於車輛外形方案的結構空間，以便查明車身主要負載路徑上的最佳材料分配，其優化結果用作BiW 設計的結構基礎。圖2 示出了碳素纖維增強塑料( CFK) 和鋁混合結構型式空間框架車身的詳細設計方案，又稱為CFK-Al 空間框架。

前車、側檻變形件和後緩衝裝置都用鋁擠壓型材製成，而CFK 多腔型材則是採用Axon Automotive 公司專利製造工藝方法制成的，其中各個腔室都由碳素纖維編織層包裹的泡沫塑料芯構成。這種CFK 空間框架結構設計採用尺寸為60 mm × 60 mm 或60 mm × 120mm 的標準化型材橫斷面。通過使用標準化型材橫斷面的衝壓模具降低了成本。這種CFK 空間框架結構用蒙板密封，同時與CFK 型材粘合，形成了結構接合件。外部蒙板塑造出車輛外形，但是在設計時並未考慮到其對車身機械性能的影響。

車身開發是本身質量達到600 kg，滿足歐洲NCAP和美國聯邦機動車標準( FMVSS) 安全性規定的關鍵因素。對於BiW 設計，包括BiW、車門和門鎖零件、外部蒙板及車窗玻璃和裝配件在內的極限質量為210 kg。為了達到該目標，藉助於有限元模擬針對扭轉和彎曲應力及圖3 所示的動態負荷狀況來設計BiW。從最大侵入程度和加速度方面來評定這些試驗結果。Autoliv公司根據計算的加速度曲線設計了乘客安全帶回拉系統，而且還由Graz 理工大學汽車安全性研究所分析了行人保護。

在這些試驗研究結果的基礎上，按照歐洲NCAP 進行評定，期望能達到四星級要求。為了保證模擬計算結果的正確性，Graz 理工大學汽車安全性研究所，按照歐洲NCAP 進行50 km/h 速度和100%覆蓋堅硬障礙物真實整車碰撞試驗。碰撞試驗車輛包括CFK-Al 空間框架結構、底盤以及動力總成模擬系統和牽引蓄電池及重要封裝部件，使得該試驗車輛總質量為600 kg，並附加設置了質量為75 kg的H3 假人( 代表平均體重條件下的男性駕駛員) 。圖4 示出了碰撞前後和圖4 碰撞前後和變形過程期間試驗車輛和模擬模型變形過程期間試驗車輛和模擬模型的狀況。通過模擬和真實試驗之間的幾何學比較，表明了鋁前車結構變形特性具有良好的一致性。CFK 空間框架結構形成了1 個可靠的安全盒，在試驗和模擬中僅呈現出最小的侵入程度。因此這些物理試驗結果證實了模擬計算結果，並表明未來的M0 級微型車具有可靠安全的車輛結構，為行人保護提供了良好的理論基礎。

4 示範車輛

在虛擬車輛開發的基礎上建造了1 輛可供行駛的樣車( 圖5) 。車輛外形在緊湊的尺寸條件下顯示出一種獨特設計。為了建造樣車，首先開發了動力總成系統，並進行穩態運行試驗，同時建造車身，並完成車體裝飾和內飾，此外還使用了量產車的零部件，例如底盤部件、動力總成部件以及暖通空調( HVAC) 系統。另外，還為樣車開發了容量為15.6 kW·h 的空氣冷卻蓄電池系統，該系統配備了Panasonic 公司生產的1 530個18650PF 型蓄電池單元( 102 組串聯，15 組並聯) ，運行電壓為367 V。100 mm 厚的地板下蓄電池裝置與較小的車體寬度相結合能達到較小的1.8 m2 正面面積。為了儘可能縮短充電時間，除了交流電接頭之外還考慮了直流電接頭，這樣就能在25 min 內使800 V 和24kW 的蓄電池電量從15%快速充電到80%。

5 結論和展望

Epsilon 車輛方案顯示了輕型、安全、高效的微型電動車專門用於城市交通具備的潛力，並填補了L7e 與M1 級車型之間的空缺。特別是通過輕量化和安全性具佳的CFK-Al 空間框架結構，不僅在理論上，而且通過樣車碰撞試驗已證實了這種車型的安全性。在虛擬設計方案的基礎上，還製造了可供行駛的樣車。在後續工作過程中，將進行行駛試驗和效率測試。此外，還將公開展示該車輛的道路試驗情況，並進行詳細的用戶使用研究，促使市場接受從而投產這類車型。