纯电动汽车架构设计：电动车架构设计核心与前悬架选择
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引言
本文是根据好朋友卢元甲在知乎上的LIVE课程《纯电动汽车平台与架构》整理而成，本人虽然对于电动车的NVH、强度耐久和碰撞安全性能开发都略知一二，但在整车布置和整车集成领域实属门外汉。所以我整理的文章无法全部反映元甲课程的精华，另外不可避免的，文章里会加入我本人的一些理解和认知，疏漏之处在所难免，敬请读者见谅。
我跟元甲在长安共事过数年，2016年下半年我们先后到了乐视汽车，就是现在的恒大法拉第未来。元甲虽年轻但极富才华，不仅精于总布置，在整车集成、性能开发和主观评价领域都有很高的造诣。在风雨飘摇的乐视汽车，我们探讨了国内外多款电动车的设计思想，特别是对特斯拉Model X和法拉第未来FF91进行了非常细致的研究。从那时起，我开始在整车架构和顶层设计的层面上思考纯电动汽车的性能开发。
在进入乐视汽车之前，元甲已经是知乎上颇具影响力的专栏作者。2017年下半年他离开了乐视汽车，转行到京东去做无人送货车，但他始终关注汽车行业，在知乎上持续撰写了不少极具格局和眼界的专业文章，建议读者有时间去读一读。
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平台与架构的定义
汽车平台，简单来说，就是指汽车设计中可以采用的所有技术的总成。包括各种形式的悬架、车身、内饰、电器零件，也包括车辆可以采用的工艺方法。
平台通常表现为相同或相似的系统，子系统及零部件，也就是说，平台由一些共用件组成。利用同一个平台，通过针对市场的个性化设计，可拓展出多个车型产品。图1展示了著名的大众MQB平台，其踵点到前轮芯的距离固定，但轴距和轮距可变；动力悬置位置固定但动力系统本身可变；悬架与车身接口固定但悬架形式可变。
实际上平台不仅指零件共用，还包括共用的总装、焊接和冲压工艺，也包括共用的车身主断面结构和内外饰断面结构。同一平台的两个车型，可能ABC柱的走向都不同，但是内部的断面结构很多是一致的。
图1 大众MQB平台一些技术选择
平台开发几乎能够决定企业未来10年的技术路线和产品风格，必然是企业的战略性决策，需要在足够高的层面进行充分调研和预研。平台的确定不仅仅关乎产品技术方案和供应商选择，甚至会影响生产线规划、售后以及品牌调性。但过份依赖某个平台也有问题，会导致企业产品升级面临更大惯性，进而拖慢反应时间。从大众MQB平台的发展也能看出，近几年出现的小偏置碰撞性能、混合动力系统、纯电动化等方面，大众车系反应是偏慢的，与平台化带来的设计惯性不无关系。
图2 大众MQB平台未加强前指梁，不利于小偏置碰撞
那什么是车辆架构设计呢？车辆架构是某款车型上所应用的技术组合方式，这些方式可以基于平台设计，也可以不基于平台设计。架构设计不同于平台设计，平台指的是零件物理上的相同或相似，架构指的是设计理念和思路上的相同或相似。架构设计是汽车顶层设计的一部分，在架构设计层面我们需要权衡技术、市场与消费者期望和物料、研发成本，而引入的技术也可以反哺平台或服务后续车型。
图3 架构设计要合理组合汽车所有关键部件和人体
因此平台是稳定、普适的，而架构是灵活、专一的。特定车型的架构设计在大框架上应该存在最优解。例如前横置前驱+麦弗逊悬架组合，以及机舱纵梁+车身纵梁、门槛梁、中央通道的传力路径组合，已经成为传统燃油车型的标准架构。
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现阶段电动车的平台架构设计的追求
中国的纯电动车行业，细节设计如NVH、强度分析、台架试验等能力已经逐渐形成，但是对平台架构和整体设计研究依然进展寥寥，随着汽车电动化浪潮的推进，顶层设计能力薄弱的问题愈发凸显。
合理的电动车平台规划有利于充分利用电动车的零部件特点和整车总体优势，例如成员舱空间、车身碰撞性能、更好的整车尺寸等，此外对于零部件选型和设计也有很强指导意义。开发一个平台就可以拓展出很多车型，看上去非常美好。但是只有设计生产过多个车型后才有可能提炼出一个有效的平台。国内电动车企业起步很晚，产品的迭代次数不足，缺乏足够积累，这种现状下，开发一个有足够竞争力可多次拓展使用的整车平台难度极大。
所以现阶段国内的电动车开发，首要任务是确定一个通用的整车架构而不是开发整车平台。应该在前期充分论证调研，跳出传统燃油车思维的束缚，对于不适合电动车特征或者不会成为未来电动车主流方案的技术组合要大胆摒弃，以减少试错次数。确定了一个合理的电动车整车架构，就意味着各车型有了共用的工程解决方案，这决定了该架构所有车型具有一定的性能共性，从而减少了车型开发的周期和风险。
但从最近国内纯电动车开发的情况来看，现状依旧令人失望，绝大多数车厂还在用传统车的架构进行电动车开发。国家电动车扶植政策实施了好多年，国内依然没有出现真正意义上纯电动逻辑架构的车型，只有蔚来ES8的架构尚可一看，如图4。而国外在没有政策支持下，出现了特斯拉、大众MEB、捷豹I-pace、法拉第未来FF91等设计合理的纯电动架构，国内电动车企业应进行反思。
图4 蔚来ES8的前部架构设计，包括：平衡车轮许用转角、纵向截面积和动力总成宽度、悬置搭载形式、电机控制器挂载形式与组合方式等等
图5展示了一些沿袭了燃油车架构的纯电动汽车。对于传统汽车厂而言，这些油改电的产品是政策催化产物，都是以自产的燃油车为基础，底盘基本沿用，车身做适应性改进来放置电池和电机，这样只能保证电动车的基本功能，性能则乏善可陈。对于那些新兴的电动汽车厂来说，没有过往包袱的情况下，竟然也选择了传统车燃油车架构，实在令人费解。
图5 一些基于传统燃油车架构的电动车产品
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纯电动汽车关键特征
纯电动汽车和传统汽车的任务是相同的，就是快速、安全的把人和物从A点运送到B点，二者在人机工程、碰撞安全强度、底盘KC等方面的要求上也是一致的。但因为纯电动车的动力系统有本质的变化，其他系统也有跟随性变化，导致纯电动车需采用不同于传统车的架构设计。
图6 纯电动车动力传动系统
图6展示了纯电动汽车部件与燃油车的差异。其中最主要的差异，是增加了电池系统，内燃机和变速器总成变成了电机和减速器总成。这两个变化导致了整车架构设计上的巨大变化。例如：
1) 燃油汽车总布置时主要围绕乘员和动力总成进行设计，电动车总布置时除了关注乘员和动力总成，还需要考虑电池，悬架和车身的布置等需要适应这几个部分的空间。
2) 为保护电池和其它高压电气件，电动车的车体结构应比燃油车更刚硬。刚硬车体结构导致正面碰撞时加速度大于燃油车，对约束系统提出了更高的要求。
3) 电动汽车在传统车基础上增加了电池包的重量，且质心位置向下向后移动，所以后悬架负荷增大，需采用承载力更强的悬架形式和零件结构。
4) 由于电机工作静谧特性，电子机械噪声更易被用户感知，所以电子真空泵、空调压缩机等部件必须布置在合适位置，且需要控制振动噪声的传递路径。
5) 动力总成相比传统燃油车更为紧凑，所以悬置系统抵抗扭矩的要求更高，传统的动力总成悬置扭矩轴布置方式应切换为三点或四点质心布置方式，并采用更高刚度的悬置软垫。
6) 动力电池应考虑为电动汽车车身的关键加强结构，充分利用电池包壳体和框架来提升车身的刚强度和模态，但同时要避免在碰撞工况下动力电池承受过大的载荷。
一般来说，由于动力总成尺寸减少，电动车的前悬架的设计灵活性会更大，而电动车的车身拓扑结构和后悬架设计则会面临非常严峻的问题。
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驱动形式选择
燃油车型的主流驱动形式为前置前驱。电动车动力总成尺寸小，从布置上来说采用前驱或者后驱都可以。荣威Marvel X、特斯拉Model 3、大众MEB平台等正向开发产品偏向于后驱形式，而前驱车型更多则是传统燃油汽车改装项目。
图7 大众MEB平台采用后轮驱动形式
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前悬架形式选择
图8 纯电动车动力总成尺寸允许布置上摆臂，车轮偏转角度也可以增加，降低最小转弯半径
图9 在电机+单级减速器或同轴输出的情况下，相对燃油车需加大轮胎直径才能保证较好的离地间隙
图10展示了捷豹I-pace的前悬架，减速器采用同轴输出方式，所以轮胎直径明显偏大，为了适应加大的轮胎，采用了双叉臂悬架形式。
图10 捷豹I-pace的前悬架
图11 大众polo 与 宝马i3 整车比例
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小结
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