随着世界各地对碳排放要求的日益严苛，各国政府和各大车企均制定了应对战略并投入巨资进行电动车的研发，各种以纯电驱动的新能源车在国内出现了爆发式增长。但电动车相对燃油车在整车布置、性能及柔性变化的策略上有很大差异，本文将从电动车的特点和内在驱动出发，剖析与燃油车的相似性及特殊性，构建电动车车身架构及其柔性化的实现方法。车身架构通常指车身结构的下车体部分，由于它跟整车的动力驱动系统、悬架及转向等底盘系统、座椅及人机布置、整车尺寸及整车性能等核心架构要素密切相关，是上述系统及要求的承载主体，因而将下车体结构称为车身架构。它受造型的影响比较小，但却能更多地体现平台车型型谱的变化能力。一个好的车身架构能够适应车企灵活快速地开发多个车型及变化的要求，而又不产生过多的冗余，这就要求车身架构能够具备一定的带宽范围，并通过相应的带宽实现策略来快速实现不同车型的整车参数及布置的柔性变化。随着整车架构模块化开发的研究与应用，车身架构也相应地进行了前端、中端及后端模块的划分，如图1所示。前端模块主要是指乘客舱之前的所有部分，它与舱室的动力驱动系统、悬架及转向等系统密切相关;中端模块与乘员的布置以及驾驶员操作密切相关，同时也为排气、后驱传动轴、中置油箱及电池等提供布置空间;后端模块与后排乘员及座椅、油箱、电池、后悬架及后备箱等的布置相关。前、中、后3个模块分别与前碰、侧碰及后碰等安全性能直接相关，结构上又紧密关联可协同开发，通过事先定义好的各模块之间的公共接口，可以顺利地装配成完整的下车体，为上下游业务链在各节点的虚拟性能、虚拟制造及成本分析等提供评估模型。燃油车以内燃机为主要驱动，通过变速器调节速比后输出到传动轴。目前主流的乘用车为发动机前置，根据前驱和后驱的不同需求分为发动机横置前驱和纵置后驱两种架构。对于横置前驱的架构，前端模块的布置空间非常紧张;对于纵置后驱的架构，中端模块需要设计宽大贯通的中央通道来同时布置传动系统和排气系统。燃油车通过油箱提供续航，油箱体积相对较小，通常布置在后端模块的二排乘员下侧，图2为底视的典型纵置后驱燃油车架构。电动车以电机提供驱动力，由电池提供储能，小巧的电机简化了舱室的布置，并可以通过前后分别布置的电机实现前后驱的灵活配置，不再需要燃油车复杂的传动系统，简化了电动车的架构类型。比如大众汽车公司分别开发了前置前驱MQB和纵置后驱MLB燃油车架构，但其电动车都统一为MEB架构。为满足续航要求，电池需要把长、宽、高3个方向尽可能做大，因此乘员舱地板下侧成为电池布置的区域，但其对车身前、中、后模块的影响也非常明显。首当其冲的是中端模块，相比燃油车，电池抬升地板高度，导致乘员的踵点和H点抬高，在保证基本乘坐舒适性的前提下车高可能被迫抬高，或者在保持车高基本不变的情况下，采用可调节透光率的天窗玻璃等新技术来取消遮阳帘以保证足够的头部空间。由于电动车不需要为排气及后驱传动系统预留布置空间，地板上的中央通道得以取消，使得前地板基本平整，给内部的空间布置以更多的自由，图3为电动车与燃油车的前地板比较。其次，抬高的电池影响了与前端模块的接口，打断了前端模块向中端平顺过渡的承载路径，如图4所示。因此，需要重新寻找拓扑路径将车身承受的载荷直接引导和传递到两侧的门槛梁。最后是与后端模块的接口方面，首先横梁的截面高度被压缩，需要通过材料和料厚来补偿;其次传统的油箱放置区域可能会布置一个阶梯状的上下两层电池模组，需要考虑二排乘员的坐垫与电池上盖板的间隙(MeattoMetal)是否足够，如图5所示。向后扩展的电池还会影响后悬架的布置和选型，比如扭力梁、瓦特连杆及部分多连杆后悬架都需要向前伸的拖曳臂结构，解决的方法可以采用更高成本的不带拖曳臂结构的悬架，或者采用不规则形状的电池盒，如图6所示。这可能会影响电池的容量且增加电池总成的成本，需要在实际开发过程中加以平衡。电池还可能对现有制造体系带来冲击。由于每个主机厂为了满足不同车型的共线生产，一般都共用一套固定的主定位和机运系统，而电动车的电池尺寸覆盖区域非常大，很可能与现有的总装机运系统发生干涉，调整电动车车身上的主定位及机运系统则会与共线生产的燃油车型不兼容，因此大部分主机厂往往对全新开发的电动车设计单独的产线。此外，后驱为主的电动车，其后驱电机尺寸较大会造成后备箱地板的局部拱起，影响部分行李箱的空间。通过优化电机布置角度和电机的集成化设计，可以将其影响降到最小;而对前驱为主、后驱为辅的后驱电机，其尺寸较小，对行李箱的空间影响则非常有限。目前除了在前舱室相对宽松的区域布置储物空间外，另一种增加储物空间的方法则是充分利用传统的油箱区域布置更多的模块(如果该区域没有规划布置两层电池的话)，从而腾挪出更多的后备箱和前舱的储物空间，如图7所示。结合上述的布置分析，电动车车身架构与燃油车车身架构路径及走向有较大的差别(见图8)。俯视看，取消中央通道的前地板基本平整，地板上的横梁因此可以贯通，结构更平顺;底视看，电池布置迫使车身载荷路径以不太平顺的结构往两侧的门槛传递，这必然会导致当前的电动车车身效率比燃油车要低。燃油车架构通常会配置一系列动力总成(简称PT)以适应不同车型变化及市场需求，因此在架构的规划初期就需要明确PT组合带宽进行舱室的布置，尤其是左右前纵梁的开档及其截面尺寸的设置。前纵梁是碰撞安全的主要承载路径，通常担负着30%左右的总碰撞能量的吸收，其截面尺寸以及走向是否平顺对于吸能和碰撞过程中变形模式的控制至关重要。但纵梁通常是在内外夹击的环境下生存的，内侧需要给PT的组合预留空间，外侧要避让越来越大的轮胎配置及运动包络，空间极为狭窄(见图9)。如果因为个别PT的配置对舱室的布置影响太大，导致架构效率低下，应考虑对PT配置带宽进行适当调整和优化。纵置后驱架构由于发动机与变速器前后方向错开，纵梁横向布置空间比较充足，但该架构基本用于高档车。电动车不再需要体型庞大的动力总成系统，而是采用外型小巧且质量轻的电机驱动，虽然会配置不同功率的驱动电机，但在尺寸和质量带宽上比传统PT要小得多，这使得舱室布置更灵活，纵梁的布置开档不再受动力系统的影响，而更多地考虑散热器的散热面积，因而开档尺寸可以收窄使得纵梁的走向更加平顺、截面更连续(见图9)。此外，电机也给前碰提供了更多可压溃空间，使前悬长度更短，从而把更多空间留给轴距以便布置更多的电池模组增加续航能力。燃油车通过燃油提供续航，油箱通常布置在第二排乘员座垫下方，正好被左右后纵梁和前后横梁围成一个框架结构，非常有利于对油箱的保护。以轿车为例，该区域可利用的高度空间大，油箱的容积和续航比较容易满足。电动车则通过电池作为储能系统提供续航，受限于当前的电池技术，电池的能量密度低、相同的续航需要的电池体积和质量非常大，在有限的布置空间内电池被迫在长度方向往前后悬架拓展，宽度方向往门槛拓展，因而容易受到各种工况的冲击，需要专门针对电池保护的车身结构设计。此外电池容量的带宽和系列化也缺乏足够的柔性，并不能通过随意的增减模组适配出相应的容量和续航。在同一架构里，电池的带宽和系列化一般通过调整长度方向和局部高度方向模组数量来实现，而电池盒的宽度是不变的(见图10)。这一方面是因为电池模组的适配柔性差，另一方面电池盒宽度的变化会导致与车身的接口以及承载路径的变化，这对车身架构的影响很大，需要单独重新开发。同样的原因，不同电池盒前端相对车身的位置通常也是固定的，电池盒长度变化则通过后端的伸缩来实现。电动车与燃油车一样都需要满足整车布置及型谱的柔性变化需求，其车身架构的柔性变化策略与燃油车基本一致，只是在与电池接口相关的尺寸变化上需要结合电池的布置及其柔性变化的策略。图11显示了对车身影响较大的整车尺寸及布置参数，这些尺寸和参数都是有一定的带宽可以柔性变化的。其中带单星号的为受电池影响较大的高度方向尺寸，而带双星号的尺寸变化策略与燃油车的变化策略不同，需要结合电池的柔性变化而相应变化，例如轴距及人机布置变化要同电池盒的长度变化相匹配，并考虑到电池盒在地板中部的安装点能固定在座椅横梁结构上。同样的，对于增加车宽的需求，不能采用燃油车将门槛整体外移的策略，而是要结合电池宽度不变的原则，保持门槛内开档不变，锁定与电池的接口区域，如图12所示。燃油车及电动车的安全要求均以乘员保护为最终目标，对乘员伤害的考核指标要求是一致的，考虑到燃油车的油箱以及电动车的电池均为易燃易爆品，目前各国法规对于油箱及电池在碰撞过程中的受损程度均有限制。油箱占用的空间小且容易布置在相对安全的区域。但现有的电池体积庞大，面临着各种恶劣工况的冲击风险，导致电动车在乘员所受到的伤害超标之前，电池包受到的结构入侵已经超过了法规许可。根据SAE定义的电池机械冲击要求，锂电池在高级别的冲击作用下不能发生爆炸或起火的极端工况。安全性能与整车整备质量是密切相关的，整车质量与碰撞能量基本是线性的，由于电池导致的整车质量大幅上升，以及不同续航能力的电池配置带来的明显高于燃油车的整车质量带宽加剧了整车安全及其差异化的难度(见图13)。此外，不同配置的电池盒对车身整体的结构刚度及局部硬点的动刚度都有非常大的影响，此处不做详述。这些差异均需要周密的车身应对方案以实现精益设计，避免质量带宽引起的结构冗余。正面碰撞工况基本分为正面刚性墙碰撞、正面40%重叠偏置碰撞和正面25%重叠小偏置碰撞3种。相对而言，由于电动车的电机体积比燃油车的PT小很多，虽然舱室内会增加更多的电子模块，但总体上还是增加了碰撞的可压溃空间，更有利于能量吸收及乘员舱侵入量的减少。如果因此要求缩短前悬长度而把前后空间留给更靠前布置的电池，则情况就会恶化。对于前两种工况，电动车和燃油车在对乘员设计保护方面没有太大的差别，但要关注由于电池布置带来的车身在纵梁下延伸段(KickDown)区域的承载路径变化，以及对电池及高压元器件的保护。中国正在积极准备实施正面25%重叠小偏置碰撞工况，该工况下电动车对于电池的保护需求完全超过了对于乘员的保护需求。针对容易受损变形的电池角部区域，需要结合前轮的失效模式在前门铰链柱下端、门槛前部及A柱区域额外增加加强零件进行结构增强［5］，防止车身变形挤压到电池，如图14所示。不同的电池配置，由于电池盒的前端位置不变后端伸缩，因而前碰的环境并没有差别，但电池配置会导致整车质量不同而影响到碰撞的能量。在保持主体承载件不变的情况下，可以通过对内部加强件的调整或者删减来实现性能的差异化，消除低电量电池配置车型的结构冗余。侧面碰撞工况主要包含了壁障台车碰撞和侧面柱碰两种。目前中国市场对这两种工况的要求也比较高。对于壁障台车碰撞工况，由于壁障尺寸大且与电池包的高度基本能够上下错开，碰撞载荷较分散，门槛梁受载后容易向内翻转，通过地板上方的贯通式座椅横梁提供相应的抗翻转能力可以对电池实现有效保护。因而在该工况下电动车的设计与燃油车较接近，即围绕减少乘员伤害进行结构设计。然而对于侧面柱碰工况，由于碰撞载荷集中在门槛局部结构，门槛受到的破坏和入侵较为严重，出现了在乘员受到伤害之前，电池受到的结构入侵已经超过了法规许可的类似情况(见图15)。因此，电动车针对侧面柱碰的首要任务是围绕如何保护电池而进行。为此在门槛区域采用各种额外的加强手段，比如某款电动车采用了在门槛梁腔体里内嵌一整条从前到后的铝挤压型材(见图16)。尾部碰撞工况基本分为完全重叠碰撞和部分重叠偏置碰撞两种，电动车的尾部碰撞工况以电池保护为主，与燃油车的油箱保护相对应。相对来说，美国的FMVSS30180km/hMDB70%偏置碰撞法规对电池的保护更加困难，虽然障壁可变形，但更大的台车质量及更高的撞击速度引起的碰撞能量成倍增加，并且主要由一侧的结构承担，在高速撞击下容易引起后端模块的上翘旋转，从而带动电池的扭曲变形及侵入量超标，如图17所示。需要调整后端可压溃段的变形模式，同时加强后纵梁与门槛的连接。对于其他区域的后碰工况可以通过删减纵梁的加强件、调节材料及料厚等手段实现精益设计。表面上看，电动车与燃油车只是驱动方式的变化，但其带来的影响及其背后支撑的整套系统却有非常大的差异。只有从根本的需求出发，围绕整车布置、性能及型谱变化等需求，并结合三电技术的发展才能把握电动车架构的方向，开发出高效、安全、适应市场变化的电动车车身柔性架构。电池密度的提升会使电池包的体积和质量不断缩小，未来电动车车身会逐步回归并可能与燃油车相互兼容主体车身架构，甚至演化出其他新的形式。随着电动车开发的深入，需要建立电动车车身的质量评价模型以及车身效率评价指标以便为该领域的发展提供指引。
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