新能源汽车车身设计探索

1、武汉理工大学研究生课程论文 （研究生课程论文） 电动汽车系统分析与设计论文题目： 新能源汽车车身设计探索指导老师： 邓亚东 学院班级： 车辆A1101学生姓名： 张 劼学 号： 10497211021002012年 6 月7新能源汽车车身设计探索张 劼（武汉理工大学汽车工程学院；车辆工程A1101班；1049721102100）摘 要：本文从空间布局、轻量化和空气动力学三个方面阐述了新能源汽车车身设计的发展方向和主要技术手段。空间布局主要考虑汽车尺寸限制及设备的集成化和分区域化；轻量化需要从设计、材料和工艺等多方面着手，减轻重量并确保性能；空气动力学优化可尽量减少空气阻力对汽车高速行驶的不利影

2、响，有助于提升汽车速度和减少能量消耗。关键词：新能源汽车；车身；空间布局；轻量化；空气动力学Abstract: This paper explains the direction and technical means of vehicle body design from three aspects: space layout, lightweight and aerodynamic. The spatial layout mainly considers the vehicle size limits, equipment integration and sub-regionalizati

3、on. Lightweight should be realized by design, materials and processes, reducing weight and ensuring the performance. Aerodynamics optimizing minimizes air resistance at high speed and helps to improve the vehicle speed and reduce energy consumption.Keywords: new energy vehicles; body; space layout;

4、lightweight; aerodynamics1 引言当下，新能源汽车正逐步成为汽车领域的前沿方向和发展热点。造成这一现象的主要原因是日益增长的原油价格及其背后的能源危机；同时，人们的注意力越来越多的集中到节能环保的主题上来，从单纯关心汽车动力性能转变为对动力、安全、节能和环保的综合要求。各国研究机构和各大车企针对这些变化和需求，在新能源汽车的设计研发中提出了各自不同的方案和主张。主要的技术方案集中在纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车这三个方向上。然而，无论采取何种技术方案，首先要考虑和解决的还是车身问题。任何技术和设备必须依托车身这个载体，而优秀的车身设计也能充分发挥出设备的特性和优

5、势。目前，新能源汽车车身有彻底原创设计和利用已有车身进行改造两种思路。两种设计思路的目标是相同的：即要使汽车拥有足够的设备放置空间和人员乘坐空间；要使车身结构应尽可能达到轻质高强度；要使汽车具备优良的空气动力学特性。2 设备及空间布局新能源汽车的各种设备和传统汽车相比有着很大差异。例如，纯电动汽车会用电动机取代内燃机，并且需要大量的空间来放置电池组；混合动力汽车同时拥有内燃机和电机两套设备，因此对空间和布局的要求明显提高；燃料电池车则需要安装储氢罐、燃料电池组和电机等设备，在空间和安全性上都需要充分考虑。基于新能源汽车的这些空间要求，不同型号尺寸的汽车应选取适合自身的车身空间布局方案。2.1

6、大型客车的布局方式大型客车普遍采用桁架焊接的车身制作模式，具有结构规整、空间大的特点。又由于客车本身体量较大，因而很容易安装新能源汽车的设备。研制新能源客车，完全可以利用现有的车身，只要稍加改进即可。客车造型方正，空间充裕，可以容纳大尺寸的动力系统和较多的电池组（或储氢罐），这有利于提升汽车的动力性能和续航能力，也不必对设备的集成度和紧凑性提出过高的要求。总的来说，客车车身具有较好的通用性能，适合各种新能源设备的布置需求，针对车身的全新概念研发较少，主要考虑如何利用现行的车身结构进行合理布局。图2.1所示为北京奥运会某型纯电动客车的布局方式。该电动汽车的车身结构是在原燃油客车车身结构的基础上改

7、进设计的，布置方式和原车有了很大不同1。发动机舱被用来放置电动机，电池组则布置在了车身两侧的底部框架内。这样的布局方式充分利用了客车底部到地板之间的空间，搭载了大量的电池组；动力装置的位置没有改变，这就避免了其他传动结构的大改动，减轻改型的工作量，最大程度的利用了原车已有的技术设备，节约了研发的成本。这种通过对车身进行有限度的改进，从而获得新能源客车的方式是较为合理的。图2.1 某型纯电动客车的车身布局方式燃料电池客车和纯电动客车较为相似，只是将电池组换成储氢罐，再追加一套燃料电池系统。其布局和纯电动汽车基本相同：在原先放置电池组的位置安装储氢罐；燃料电池系统根据尺寸来确定安放地点，可以和电动

8、机一起放置于发动机舱里，也可以安装在原来装电池的地方。混合动力客车不需要很多的电池组或储氢罐，但其动力系统较为复杂，整合了内燃机和电机两套系统，并且还配备了复杂的机电耦合组件来实现不同工况下的模式切换。针对这种情况，就必须将后部的舱室空间腾出来，以便放置整套动力系统；电池组等其他部件利用两侧靠前的空间放置。图2.2所示的TEG6128SHEV串联式混合动力城市客车就体现了这样的布局方式2。图2.2 TEG6128SHEV串联式混合动力城市客车车身布局2.2 中小型及微型汽车的布局方式中小型及微型车的尺寸和造型与大型客车截然不同，在空间布局和设备的紧凑度上要求要高得多。无论是设计新车身还是利用已

9、有车身，都必须将车内空间充分利用起来。由于小车的曲线造型复杂，空间结构不是方正规整的，所以设计和改造都具有相当的难度。图2.3所示为我校的楚天一号氢氧燃料电池汽车。该车车身为雪铁龙爱丽舍三厢版本，发动机舱内放置了燃料电池系统和电动机等动力部件，车尾行李舱放置储氢罐。这样的布局方式在中型车中较为先进：动力系统和燃料系统完全分离开，一方面提高安全性，另一方面也有利于动力系统的整合和集成；储氢罐单独放置于车尾是最为安全的，而且行李舱空间较大，可以容纳较多的储氢罐，提高汽车续航力。要实现这一结构布局，关键还在于发动机舱的空间利用，在于燃料电池系统和电机等的整合。从图2.3可以看出，发动机舱内的布置是相

10、当紧凑和密集的，上部主要是燃料电池组及配套附件，下层安装电机系统。图2.3 楚天一号氢氧燃料电池汽车车身布置图2.42.6所示为各汽车公司专门设计的新能源汽车的车身布置结构。图2.4为日产聆风（纯电动汽车）的布局方式：电机放置于前部，电池组放置于中后部的地板下，实际就是将地板向上抬升一定距离来创造出电池组的安装空间。图2.5为通用公司的纯电动汽车方案，其电机布置与聆风相同，电池组则集中安置于后轴的行李舱下部及左右座位间的过道里。这样的布局就不会抬升地板高度，从而不影响整车高度及乘员空间。 图2.4 日产聆风布局 图2.5 通用公司的电动汽车方案图2.6为本田燃料电池汽车的布局，和楚天一号的两端

11、布置不同，该方案为三段式：作为动力源的电机布置于汽车前部的发动机舱内；产电的燃料电池系统位于中部的地板下；储氢罐放置于后轴处的行李舱下。相对于楚天一号，这样的布局更为明朗，功能区域划分明确。当然，这样的布局方式也与车身的其他因素有一定关系：该车是将三厢车融合为一个整体流线造型的风格，前部的舱室明显要比传统三厢车短小，而后部空间较大，因此必须将电机和燃料电池分开安装。图2.6 本田燃料电池汽车布局图2.7为某微型电动汽车车身结构3。微型汽车的车身尺寸更小，尤其在长度方向上没有足够的空间，因此只能更多的依赖抬高地板来获取放置空间。下图的微型汽车就是如此，其地板的抬高距离明显要大于中型汽车，整体结构

12、非常紧凑。图2.7 某微型电动汽车结构布局2.3 小结总结上文可以得到新能源汽车车身布局的基本方式方法：1）车身尺寸越小，越要考虑布局的合理性和紧凑性；大型客车利用现有车身即可满足要求，小型微型汽车往往需要设计专门的新能源汽车车身。2）中小型汽车的布局设计强调功能区域的明确性和单个区域内的设备紧凑性。3）地板下放置储能设备（主要是电池组）的方式在中小型及微型车中被广泛采用；微型车较为依赖这种方案来克服尺寸小、空间不足的问题。4）中型汽车可对放置位置进行适当调整（如移动到后轴区域或者布置于两作为中间的过道），尽量减小乘员区的地板抬高距离。5）燃料电池汽车的储氢罐普遍后置，安装于行李舱下或行李舱内

13、。3 车身轻量化及结构强化新能源汽车最主要的目标就是节能环保减排，因此减轻车体自重从而减少燃油消耗是新能源汽车开发研制中的重要环节。由于电池组、储氢罐等设备本身质量就已经很大，故而新能源汽车的轻量化要求比起普通汽车要高得多。在大幅度追求轻质的基础上，车身还必须满足一定的结构强度和其他性能指标（例如NVH、工艺和成本等），因此这并不是简单的减重问题，而是与车身性能设计紧密联系的系统的平衡设计4。达成上述目标的途径主要有三种：结构设计、材料选择和优化制造工艺，下面分述之。3.1 结构设计（1）零件的结构优化零件的结构优化可以通过降低钢板厚度，同时在关键部位增加加强筋或适当增加材料强度来保证零件的强

14、度、刚度性能。同时，也可以在非关键区域增加减重孔、切除多余翻边等。（2）零件的断面优化零件的断面优化主要是考虑断面惯性矩和断面面积之间的平衡，通过不断的优化分析来实现用最小的断面面积达到最大的惯性矩这一目标，从而提高车身结构刚度性能，减轻车身质量。（3）钢板厚度对性能提升的敏感度分析钢板厚度对性能提升的敏感度分析是通过将车身各个零件的钢材厚度作为变量来建立数学模型，以保证模态、刚度、耐撞性等工况的性能要求为前提，采用拓扑运算的方法，分析所有变量对这些工况综台性能的敏感程度，提高部分敏感零件的钢板厚度，降低其他不敏感零件的钢材厚度，最终实现降低车身总质量。3.2 材料选择（1）提高高强度钢板的使

15、用比例提高高强度钢板的使用比例不仅可大幅度减轻车身质量，同时也有利于提高车身碰撞和耐久性能。目前，国际上的一些新车型，其屈服强度在550 MPa以上的高强度钢板占30%；在其碰撞关键路径，如A柱、B柱和门槛等区域采用热成形工艺，将零件的屈服强度提高到1000MPa以上。（2）轻质材料替代传统的钢材轻质材料主要包括工程塑料、玻璃纤维复合材料、铝合金、镁合金等。其应用区域主要集中在外覆盖件及部分非碰撞的骨架和面板零件。由于这些轻质材料的成本相比传统的钢材会高出1倍甚至数倍，因此目前多用于高端产品。3.3 优化制造工艺传统的车身制造多采用冲压工艺，其零件较多且焊接关系复杂。而一些国际上的高端车型已逐

16、步采用型钢件和铸造件来替代冲压件，配合轻质金属合金材料的应用，既保持了车身的轻量化，又能得到较好的安全和耐久性，以实现必要的安装功能。当然，这些工艺在普通车型上的应用目前仍很悠闲，主要受制造设备投入和成本上的限制。总的来说，新能源汽车在车身轻量化的研究上应该充分利用上述方法，根据自身产品的定位来确定综合的轻量化策略，提高车身的性能，满足新能源汽车的设计目标。4 空气动力学优化现代汽车普遍具有较高的行驶速度，新能源汽车首先要满足必要的动力性能，因此也一定具备这一特点。在高速行驶的状态下，空气阻力的影响变得重要起来，较大的空气阻力会阻碍汽车达到更高的车速，同时也会增加高速行驶的能源消耗。新能源汽车

17、车身必然需要通过空气动力学优化来克服空气阻力带来的不良影响。从历史的角度来看，汽车车身的空气阻力系数是在不断下降的，这与汽车的提速、节能以及大众的审美取向有着密切关系，同时也得益于汽车空气动力学理论及实验手段的不断丰富和发展。尤其是当下的计算机模拟技术和风洞实测技术，为低风阻车身的设计研发提供了强有力的支持，大幅度降低风阻的想法得以实现。图4.1为丰田普锐斯的外形设计。该车车身较普通汽车更为光滑平顺，没有过多的修饰，有利于气流的平顺通过。普锐斯的车头部设计相当简洁，不同于普通汽车着重于设计复杂多变的车头造型，整体化的简洁车头对降低风阻十分有利。普锐斯最为明显的外形特点就是拥有大斜度的A柱和C柱

18、，其角度与车头车尾几乎一致。这使得三厢融合为一个整体，具备了更为流畅的一体式外形，从整体上改善了气流的分布。这样的一体化造型理念在图2.6中的本田燃料电池汽车上也得到了体现，且表现得更为彻底。图4.1 丰田普锐斯外形设计利用这一系列的空气动力学优化措施，普锐斯的风阻系数降低至0.25，相比普通汽车0.30.5的风阻系数又迈进了一大步，在高速行驶时的优势也更为明显。可以看到，汽车外形的简洁化和一体化既便于空气动力学的优化提高，也符合审美和设计前沿，将会成为新能源汽车车身的主流发展方向。5 结语车身的布局设计是为乘员和设备的合理安放服务的。新能源汽车具有不同于普通汽车的各种设备，并且要满足乘坐的空间性和舒适性，因此必须通过良好的布局设计来优化车身，使其符合新能源汽车的使用需求。车身的结构设计是为了尽量减轻车身质量并保证必要的性能指标。减重是新能源汽车节能减排的需要；优化结构是要使车身符合其他方面的性能要求而不至于因为减重出现问题。综合运用多种方法可以在结构优化的过程中使得各方面性能平衡。车身造型设计关系到视觉审美和空气动力学性能两个方面，两者必须达成一致，不可偏废。目前的审美和造型取向都偏向于低风阻流线型的造型特点，追求简约和理性美感，这为空气动力学的优化提供了较大空间。利用整体化、简洁化的设计理念，加上空气动力学理论和技术的支持，新能源汽车的