纯电动汽车架构设计(二):电池布局与造型变化

winniewei 提交于 周三, 12/26/2018
纯电动汽车架构设计(二):电池布局与造型变化

作者:王朋波

续:《纯电动汽车架构设计(一) :电动车架构设计核心与前悬架选择

7 动力电池的形式

续航里程是纯电动汽车最关键的性能指标。因此在相当一段时间内,纯电动汽车架构设计应尽量考虑增加动力电池空间,纯电动车总布置应围绕电池空间进行。

动力电池是由多个电芯堆积而成,电芯先打包成模组,然后再组合成整个电池包。电池包里面除电芯之外,还有安全开关、继电器、保险丝、主动冷却和加热设备、电池控制器(BMS)等。

电芯按形状分成3种:圆柱形电芯、方形电芯和软包电芯。如图12,特斯拉 Model S 使用18650圆柱型电芯,大众汽车使用三星方形电芯,奥迪则采用了LG软包电芯,均为立式放置。

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图12 从左到右分别是:大众、奥迪和特斯拉的电池模组

动力电池包的高度主要由电芯高度决定。在电芯高度方向还要布置水冷板、绝缘隔热材料和上下壳体结构,所以电池包的高度一般比电芯高度高40-60mm,例如特斯拉Model S所使用的圆柱电芯高度为65mm,电池包整体高度则是110mm。

因此,动力电池电芯形式和尺寸对整车架构设计相当重要,应作为前期设计中的关键参数,由主机厂和电池厂家根据车辆布局、电芯通用性和多车型适应性在早期进行规划。如三星根据不同主机厂的要求,开发了不同尺寸的方形电池。LG则尝试采用不同的电芯堆叠方式,以适应不同车型,如图13,因为电芯电极位置不同,对散热方式有不同要求。

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图13 LG化学用不同的电芯堆叠方式来实现不同的电池包高度

8 动力电池的布置

在电动汽车的发展历史上,除了车顶,几乎所有位置都安装过动力电池。最早的电动汽车将电池安装在后备箱,如图14所示。这种布置方式可以不更改地板,在车身座椅后面焊接支架即可,能大幅节省开模费用。所以初期的很多油改电车型都将动力电池都布置在这个位置,甚至前两年的第一代长安逸动EV,其第二号电池包也是放在后备箱内。

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图14 后备箱动力电池布置

在后备箱位置布置动力电池,将严重影响行李箱空间,还会导致车辆重心靠后,影响操控性能。此外在碰撞时候非常危险,正面碰撞时几十g的加速度,车身钣金可能无法拉住电池,钣金撕裂后电池会撞到后排乘员,后面碰撞时电池还容易起火爆炸。因此这种布置是一种为节约成本和周期而牺牲性能的开发方案,量产车不宜采用。

现在最主流的动力电池布置位置是地板下方,这个位置可以再细分为:前座椅下方、后座椅下方、中通道位置以及脚踏位置。

沃尔沃XC90混合动力汽车的动力电池布置在中通道位置,如图15,这个位置对电池高度的限制最小。但显然中通道位置空间不大,只适合混动车型。而且还需要车辆比较宽,一般中大级(A+级)以上的车辆才能在中通道位置布置下动力电池。

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图15 动力电池中通道布置方式

由于人在车内的臀部位置较高,很多基于传统车架构的车辆会充分利用前后排座椅下部的空间来布置动力电池。前排座椅下面会有导轨和执行机构,而通常后排是固定座椅,没有导轨,因此后排座椅下部空间很大,一般来说,这个位置布置两层电芯没有问题,如图16所示。

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图16 在后座下部布置电池

由于滑轨的原因,前排座椅下部的空间就不如后排那么好,但也比脚踏位置的空间要好一些,一般可以高出60mm左右,可布置单层电芯,如图17。日产Leaf就是同时利用了前后排座椅下方位置来布置电池,前排一层电芯,后排两层电芯。

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图17 前排座椅的电池布置

最后一种布置方式是将电池布置在脚踏和前后排座椅下方,这种布置方式用于平板型电池,电池覆盖了大部分地板,如图18所示。这种布置方式是将电芯模组平铺到地板下方,能够最大限度的获得可用面积。但它的主要缺点是,因为要在乘员脚下位置布置电池,将导致整车高度比常规轿车要高,所以不适合开发轿车,适合开发MPV和SUV车型。

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图18 地板下部平板电池布置方案

除了上述布置方式之外,还有一些特殊的布置方案。例如奔驰SLS amg 跑车电动款是在燃油款基础上改的,为匹配原车型设计,将电池布置在前舱,如图19所示。这种布置方案要求车辆有非常长的前舱,且在正面碰撞时安全性极差,所以不具有参考价值。再比如蔚来EP9,将电池布置在左右门槛上,如图20所示,在侧碰时门槛的电池极不安全,还严重影响进出便利性,所以也没有参考价值。

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图19 奔驰SLS amg 电动款的电池在前舱和中通道布局

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图20 蔚来EP9电池布局在门槛

上述座椅下方、脚踏、后备箱等位置,可以组合起来使用以获取更大的电池空间。如图21所示,大众golf e mission概念车在后备箱、前后排座椅下部和中通道位置设计两层电池电芯。实际上已经有多种基于传统燃油车架构的电动车产品在应用这种异形电池包,并且已经上市。

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图21 大众golf e mission概念车型

但是这种多层电芯的异型电池安全性是比较差的,动力电池通常采用液体冷却,在碰撞冲击过程中,上层电池冷却液体一旦泄露,则会导致下层电池对应位置的电芯短路,有较高起火风险。而且异型电池的壳体结构工艺实现困难,电池冷却系统也非常难布置。

目前国际上发布的几大电动车平台和电动车专用架构均采用了单层电芯的平板型电池。平板型电池的壳体结构更加简洁,工艺容易实现,液冷系统也容易布置;平板电池更容易实现通用化和平台化,用一种设计可以给用户提供多种规格的电池包容量;平板型电池采用法兰边与下车身稳固连接,电池包结构能明显提升车身刚强度,整车结构也可对电池包形成有效防护。此外,对于大型7座SUV、MPV车型而言,中间排座椅同样需要滑轨,因此后排座椅下空间也不会像轿车那样充裕,所以平板型电池应为最佳选择。

9 整车高度的变化

图22为一张简化的总布置图。粉红色的框为平板型电池,采用软包或方形电芯的平板型电池包,其高度一般不会低于140mm,所以我们假定电池包高度为150mm,再按经验值假定最小离地间隙为130mm,轴距则设定为2700mm。

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图22 纯电动汽车总布置简图

紧凑级车(A级)的空间要求是前后排恰好可以坐下95%的人体,也就是1米88的人坐在车里,后面的人的膝盖恰好顶在前排座椅靠背上。按照一般布局方式,前排人脚踏位置是包住前轮的钣金位置。而后排人要和后车轮错开。后排人的坐高要比前排人高20-40mm,否则后排乘客会有压抑感。

按上述布置规则,要保证后排人的头部空间,整车高度是1545mm。这还是没有布置天窗,没有考虑造型优化的结果。如果加上这两项,整车高度还会再增加50-60mm,达到1600mm左右,这个高度已经超越了一些小型SUV。

所以,如果采用平板型电池,电动汽车的高度很难控制到轿车的水平,这也是现在新兴电动汽车企业都只开发SUV车型的原因。现有的纯电动轿车,除特斯拉models外,都采用了不规则的电池造型。

特斯拉Model S 能够做的比较低矮,一是18650电池高度低,电池包高度控制到110mm,比其他车企的电池包低30mm以上。并且Model S轴距长2960mm,后排人坐姿舒展(身体后仰)。最重要的,特斯拉采用了单层玻璃车顶,没有活动天窗结构。因为没有办法像天窗那样做一个遮阳帘,所以需要用隔热玻璃,这样勉强将整车高度压在了1500mm以下。

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图23 Model S 后排乘客头部空间不足且没有后排头枕

虽然特斯拉Model S做了诸多努力,后排头部空间也只有897mm,如图23,远低于95%人体需要的930mm头部空间。除了影响后排舒适性外,最大的问题是后排座椅靠背距离顶棚太近,无法安装后头枕,追尾时无法保护后排乘客安全。目前C-NCAP中的鞭打试验并不考查后排,但考虑到未来法规变化趋势,Model S 的设计并不是好的参考。相比Model S,新车型Model 3高度明显增加,而Model Y 是SUV。

所以,我们认为,传统的轿车形式并不适合纯电动汽车,纯电动汽车的趋势是SUV或者MPV形式。

10 车辆高度比例

对于使用平板电池的全新纯电动架构车型而言,整车高度增加不可避免。同时由于电池是一块规则的结构,处于整车最下部,电动汽车如果毫无修饰,侧面会显得臃肿。如图24所示的特斯拉Model X 侧面,下部增加了一点黑色装饰条,但仍有臃肿感。

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图24 特斯拉Model X 与大众ID概念车侧面对比

为解决侧面臃肿感问题,除了上一篇提到的增大轮胎直径外,还可通过压低车门水切线和增加侧围下装饰件两种方法解决,如图24右侧的大众ID概念车,玻璃水切下移,且成向下弯曲形式,下部再增加向上拱起的蓝色装饰件,较好的规避了车身侧面臃肿的问题。

但量产车型的水切设计成类似大众ID的弯曲形式在工艺上难以保证。因此将下部装饰件做大或利用阴影在视觉上掩盖应该是更好的选择。如图25所示的捷豹I-pace,在车门中下部增加了大面积黑色装饰件,基本消除了侧面的臃肿感。

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图25 捷豹 I-pace 车门黑色装饰件

11 CP点位置

纯电动汽车造型变化中最明显的一点就是CP点的前移。CP点是前风挡玻璃与前机罩延长线在侧视图上的焦点,对整车造型比例有决定性影响。在以宝马、奔驰等豪华车引领的燃油车汽车造型美学中,CP点是偏后的,一些电动概念车继承了这一特点,例如荣威光之翼、标致概念车E-Legend等。但宝马i3、捷豹I-Pace、法拉第未来FF91等车型则将CP点大幅提前,造型上与传统车型有明显不同。而蔚来ES8、特斯拉Model X则是选择了与前横置前驱燃油车相似的CP点配置,因而造型偏传统。图26展示了上述三种CP点布局方案。

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图26 CP点靠前、居中和靠后布局

CP点前移是否是电动车发展方向,目前行业内并没有明确结论。有人认为CP点前移可以增加舱内的空间。但是,通过宝马i3和大众polo的对比图27,我们可以看出,驾驶员脚部都踩在前轮鼓包上,尽管两辆车的CP点不同,但是方向盘位置是相似的,内部乘员的实际可使用空间是相似的,没有明显差别。

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图27 宝马i3和大众polo的对比

虽然CP点前移并不能有效地增加舱内空间,但我们仍然认为CP点前移是纯电动车的发展趋势。原因有以下几点:

  1. 电动车由于维修维护较少,不需要留出发动机点火线圈的维修空间,且电机上部空间充裕,冷却水路也不需要加压,整体水路高度低,补水壶高度也可以降低,因此CP点前移具有可行性。

  2. 地板下需要布置动力电池,导致地板抬高,驾驶员的头部空间减少,面部更接近风挡玻璃。此时将CP点前移,即增加前风挡玻璃角度,可以减少前排驾驶员和乘客的视觉压迫感。

  3. CP点前移使前罩和风挡的过渡更为顺滑,有助于降低风阻,减少能耗。这点能耗的减少对于燃油车来讲可能微不足道,但对于纯电动汽车则意味着续驶里程的提升。

  4. CP点前移,使前壁板和地板的交接线也跟着前移,该交接线实际是动力电池布置的前端边界,所以CP点前移可能可以给动力电池提供更大的布置空间。

  5. CP点前移对降低水切高度有好处,可改善电动车侧面的视觉效果。

目前来看,量产的纯电动车型还是以CP点前移居多,这在消费者概念中也有共识。例如28所示的荣威光之翼概念车的CP点靠后,但到了量产车Marvel X,其CP点则明显前移了。

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图28 荣威Marvel X(上)和光之翼概念车(下)

有人认为CP点前移意味着车辆造型更动感时尚但不够稳重,不太符合中国人的审美偏好。其实只要设计功力足够,这个问题完全可以解决。比如图29展示的FF91这款车,CP点非常靠前,但整车外观是何等的大气。

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图29 法拉第未来FF91

12 前后悬长度变化

由于轴荷分配问题,纯电动车后轮应为驱动轮,因此后部需要横置电机和减速器,并布局相关的电机控制器等附件。一般来说无法布置备胎。因此后悬不需要为包容备胎而做的过长。

同样的,驱动电机和减速器的尺寸小于内燃机和减速器,前置动力总成一般也不会超过轮胎尺寸,因此对于前驱的电动车,前舱的空间要求也小于燃油车,前悬长度可以减小。

对于固定的整车长度,前后悬缩短意味着轴距加长,地板下方可用面积加大,可以布置更大容量的平板电池,有利于续航里程的提升。

前后悬减小也与如今的审美潮流相符,在造型定义前期需准确估计前后悬尺寸。

13 本篇小结

动力电池电芯形式和尺寸对整车架构设计相当重要,应作为前期设计中的关键参数,应在早期进行合理规划。

单层平板型电池结构简洁可靠,易实现平台化和通用化,能够与车身形成一体化结构,所以是全新纯电动车架构的首选方案。

采用平板电池后,整车高度将会增加,所以传统的轿车形式并不适合全新纯电动架构,主流趋势是SUV或者MPV形式。

造型方面,CP点前移和前后悬缩短是纯电动汽车发展趋势;为了克服车身加高导致的侧面臃肿感,可考虑压低车门水切线和增加侧围下装饰件两种方法解决。

声明:本文主要内容由卢元甲完成,本人只做了部分修改和补充。

作者简介

王朋波,清华大学力学博士,汽车结构CAE分析专家。重庆市科协成员、《计算机辅助工程》期刊审稿人、交通运输部项目评审专家。专业领域为整车疲劳耐久/NVH/碰撞安全性能开发与仿真计算,车体结构优化与轻量化,CAE分析流程自动化等。王朋波私人微信:poplewang;加微请注明:单位+姓名。

卢元甲,前总布置工程师,现京东无人配送车产品经理,卢元甲私人微信:IRain_Lu

注:本文为原创文章,转载请注明作者及来源

来源: 模态空间

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