CN107097851A - 一种纯电动汽车轻量化车体及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯电动汽车轻量化车体，包括车身骨架和电池包框架，所述车身骨架上设有外覆盖件、翼子板、车身地板、前后保险杠结构以及吸能结构，所述车身骨架和电池包框架均为铝合金型材空间框架结构，所述外覆盖件、翼子板、车身地板、前后保险杠结构以及吸能结构均采用碳纤维复合材料。既能够满足电动汽车轻量化和产业化需求，同时改善高速电动车的安全性能的铝合金框架分布式碳纤维一体化结构车体集成设计；减轻了电动汽车整体质量，改善了电动汽车结构安全性能。

Description

一种纯电动汽车轻量化车体及其设计方法

技术领域

本发明涉及纯电动汽车技术领域，尤其是涉及一种纯电动汽车轻量化车体及其设计方法。

背景技术

轻量化是电动汽车提高续航里程的内在需求，轻量化纯电动汽车集成开发技术研究和应用是关键的核心技术和竞争力，车身的轻量化技术和应用,更是整车轻量化的重中之重。

在整车结构轻量化设计方面，多是在传统汽车底盘的基础上开发电动车平台，钢质电池包采用悬挂式结构形式与车身底板连接，电池包的结构设计，对车身的减重设计贡献度较低。

在铝合金材料研究轻量化方面，如中国专利公开号CN202641863U的轻量化四轮电动车车身骨架结构，其车身骨架结构为高强度的铝合金骨架结构，铝合金骨架包括两主梁，两主梁平行设置，主梁的截面形状为空心矩形环，两主梁之间设有支撑底架，主梁一端部设有前支撑架，主梁的另一端部设有后保险杠，两主梁之间还设有后支撑架。

目前铝合金轻量化车身结构主要存在如下缺陷：

1、国内自主开发的低速电动车多采用全铝车身，但是因其性能要求不高，其他开发的铝制车身并不能满足高速电动车的性能要求，尤其是安全性能；2、碳纤维增强复合材料由于受到技术、工艺、成本的限制，在电动汽车上还不能大规模产业化应用；3、电池包结构以及电池包固定结构设计不合理，对车身减重以及车身结构强度贡献较低。

发明内容

针对现有技术不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种纯电动汽车轻量化车体及其设计方法，以达到减轻电动汽车整体质量，改善电动汽车结构安全性能的目的。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

该纯电动汽车轻量化车体，包括车身骨架和电池包框架，所述车身骨架上设有外覆盖件、翼子板、车身地板、前后保险杠结构以及吸能结构，所述车身骨架和电池包框架均为铝合金型材空间框架结构，所述外覆盖件、翼子板、车身地板、前后保险杠结构以及吸能结构均采用碳纤维复合材料。

所述电池包框架位于车身地板下方，电池包框架包括电池包壳体和设在电池包壳体下方的电池包固定框板，电池包固定框板的边缘通过紧固件固定在车身骨架底部。

所述车身骨架上设有减振塔座和副车架，所述减振塔座和副车架均采用加压压铸铝合金材料。

所述车身骨架上设有后排座椅骨架和仪表盘横梁，所述后排座椅骨架和仪表盘横梁均采用镁合金材料。

所述外覆盖件包括顶盖总成、侧围外板、前舱盖、车门外板以及行李箱盖，所述顶盖总成、侧围外板、前舱盖、翼子板、车门外板以及行李箱盖均采用长碳纤维复合材料。

所述前后保险杠结构和吸能结构以及车身地板均采用连续碳纤维复合材料。

所述车架骨架包括A柱和前风挡上横梁以及中空的接头，所述A柱穿过接头，前风挡上横梁一端插入设在接头内侧的接筒。

所述车身骨架包括门槛梁，所述车身地板两侧边固定在门槛梁上部，电池包固定框板的两侧边固定在门槛梁的底部，电池包壳体位于两门槛梁之间。

所述减振塔座包括竖直支撑部，所述竖直支撑部为中空腔体结构，中空腔体结构中设有蜂窝状加强结构。

该纯电动汽车轻量化车体的设计方法，包括以下设计步骤：

1)构建一体化车体-整车参数化建模-初始结构设计及结构优化-计算载荷分布及优化-载荷解耦-接头、截面力学性能分析-结果评估；

2)结果评估通过依据采用的材料类型再进行结构设计以及优化设计-CAD建模-CAE优化计算；

3)依据计算结果，判定是否满足轻量化整车要求；

4)如满足整车轻量化要求-再进行验证、测试、评价，完成轻量化车体结构设计。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、中空铝合金的车身骨架结构设计合理，提升了轻量化车体空间框架结构优化以达到整车性能要求，改善车体整体刚度；

2、碳纤维复合材料吸能应用，以破坏力学为基础对碰撞能量不可逆转换系统进行全新车身设计，建立碳纤维复合材料碰撞能量不可逆转换系统的仿真模型，实现碳纤维复合材料碰撞能量不可逆转换系统与一体化车身集成；

3、采用低成本化生产工艺的碳纤维复合材料，该碳纤维复合材料为长碳纤热塑性维复合材料，成本低；

4、采用铝型材与车体一体化集成设计，而不采用分离式设计的铝合金电池框架，并考虑电池的重量、布置位置和前后轴荷分布，集成在车身底板下部，配合车身的框架提高车身的扭转与弯曲刚度，有利于车身的轻量化设计；

5、通过性能试验，结合结构拓扑优化，自顶而下设计满足车身性能的型材及其截面，通过复杂截面铝型材的应用，减少整车框架零件数与焊缝数量，增强车身弯扭刚度，提高零件功能集成度；

6、通过焊接工艺研究并结合仿真分析，设计出符合铝合金材料和结构的焊接工艺，采用激光填丝、激光复合焊接技术实现铝合金车身框架连接，可达到焊接接头强度由母材强度的60％提高到80％，保证车身框架的安全性、可靠性，并实现连续稳定生产。

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明轻量化车体结构示意图一。

图2为本发明轻量化车体结构示意图二。

图3为本发明轻量化车体结构示意图三。

图4为本发明轻量化车体结构示意图四。

图5为本发明电池包框架结构示意图。

图6为本发明接头结构示意图。

图7为本发明设计方法逻辑框图。

图中：

1.车身骨架、2.A柱、3.减振塔座、4.前保横梁、5.前纵梁、6.门槛梁、7.接头、8.门槛加强板、9.B柱、10.车身地板、11.后排座椅骨架、12.电池包下壳体、13.电池包固定框板、14.电池包上壳体。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1至图6所示，该纯电动汽车轻量化车体，包括车身骨架1和电池包框架，车身骨架1上设有外覆盖件、翼子板、车身地板10、前后保险杠结构以及吸能结构，车身骨架和电池包框架均为铝合金型材空间框架结构，外覆盖件、翼子板、车身地板、前后保险杠结构以及吸能结构均采用碳纤维复合材料。

电池包框架位于车身地板10下方，电池包框架包括电池包壳体和设在电池包壳体下方的电池包固定框板13，电池包固定框板13的边缘通过紧固件固定在车身骨架底部。电池包壳体包括电池包上壳体14和电池包下壳体12，电池包上壳体14的边缘设有翻边，电池包下壳体12的边缘也设有翻边，电池包上壳体和电池包下壳体通过翻边配合，电池包下壳体通过电池包固定框板13集成在车身骨架上。

车身骨架1包括门槛梁6，车身地板10两侧边固定在门槛梁6上部，电池包固定框板的两侧边固定在门槛梁的底部，电池包壳体位于两门槛梁之间。铝合金电池包与车身骨架的一体化设计，提升轻量化车体空间框架结构优化以达整车性能要求。

采用多材料复合轻量化原则设计，以铝合金空间框架为受力主体，关键受力部位采用非热处理铸铝件接头和分布式碳纤维的一体化车体。车身骨架采用6系铝合金型材为整车骨架，为受力承载主体；外覆盖件包括顶盖总成、侧围外板、前舱盖、车门外板以及行李箱盖，顶盖总成、侧围外板、前舱盖、翼子板、车门外板以及行李箱盖均采用长碳纤维复合材料。前后保险杠结构和吸能结构以及车身地板均采用连续碳纤维复合材料。

车身骨架上设有减振塔座3和副车架，减振塔座和副车架均采用高压压铸铝合金材料。减振塔座3包括竖直支撑部，竖直支撑部为中空腔体结构，中空腔体结构中设有蜂窝状加强结构。

车身骨架上设有后排座椅骨架11和仪表盘横梁，后排座椅骨架和仪表盘横梁均采用镁合金材料。车架骨架包括A柱2和前风挡上横梁以及中空的接头7，A柱穿过接头，前风挡上横梁一端插入设在接头内侧的接筒。

前纵梁5为截面为“8”型中空铝合金型材结构，前纵梁5后端通过支架固定在前地板横梁上，前纵梁前端通过副车架与吸能结构相连，前保横梁4固定在吸能结构上。B柱9下端固定在门槛梁6上，并通过门槛加强板8加强。

如图7所示，该纯电动汽车轻量化车体的设计方法，包括以下设计步骤：

构建一体化车体-整车参数化建模-初始结构设计及结构优化-计算载荷分布及优化-载荷解耦-接头、截面力学性能分析-结果评估；

结果评估通过依据采用的材料类型再进行结构设计以及优化设计-CAD建模-CAE优化计算；

依据计算结果，判定是否满足轻量化整车要求；

如满足整车轻量化要求-再进行验证、测试、评价，完成轻量化车体结构设计。

复合材料-金属集成应用对轻量化车身的结构设计要求也与以往不同，结构设计的理念、方法也不断变化。性能、结构、材料一体化的设计方法得到广泛应用。随着结构分析技术和手段的不断完善，以及优化理论的不断发展，车身结构优化已经由单一目标逐渐发展到多目标优化设计。

本发明专利提出以整车轻量化目标为导向的铝合金框架分布式碳纤维一体化结构车体的“性能—材料—结构”集成设计方案流程图。如图7所示，本集成设计方案以整车轻量化为目标，以构造铝合金框架分布式碳纤维一体化结构车体为出发点，提出了铝合金框架(含电池框架)分布式碳纤维一体化结构车体的总体设计方案。

开展全新材料与结构形式下的载荷分布与结构优化技术和车用碳纤维低成本原材料和工艺技术研究；研究轻量化整车状态下碰撞、疲劳耐久、操稳极限工况的载荷分布与提取，碳纤维-铝合金复合材料纯电动轿车载荷分布研究。载荷分解到关键接头、截面的，提炼出相应的力学性能。评价关键接头、截面的载荷和应力分布的合理性；实现多种轻质材料(长碳纤维增强复合材料、连续碳纤维增强复合材料和铝合金为主)及多种先进成形工艺集成应用，建立铝合金框架(含电池框架)分布式碳纤维一体化结构车体，掌握轻量化的新能源轿车整车试验验证和评价等核心技术。开发一款满足整车C-NCAP五星碰撞、车身与底盘减重30％以上、集成应用多种轻量化技术的纯电动汽车，建立满足铝合金框架分布式碳纤维一体化结构车体要求的新材料-新结构-新工艺的设计平台。

外覆盖件、翼子板(车门、前舱盖、后背门)采用长碳纤维增强复合材料替代传统钢板材料来实现整个车辆的轻量化，前后保险杠结构、吸能结构、A/B柱加强板等结构件采用连续碳纤维增强复合材料。采用的轻量化材料具体情况如下所示：顶盖总成、侧围外板、前舱盖、翼子板、车门外板、行李箱盖均采用长碳纤维增强复合材料；前保险杠结构、吸能结构、A柱加强板、门槛加强板、B柱加强板、车身地板、后保险杠结构均采用连续碳纤维增强复合材料。

铝合金车身骨架与电池包框架一体化设计，铝合金电池框布置在地板下方，提升车身刚度的同时，降低整车的重心位置，同时使整车前后悬重量分配更加合理，对整车的操纵稳定性有利。

铝合金电池包上壳体布置在车身地板的下部；铝合金电池包下壳体通过连接螺栓与电池框架连接起来，实现了铝合金电池包与车身骨架的一体化设计。铝合金电池框是车身骨架的一部分，采用铝框架与车体集成设计，不需要单独设计铝合金电池框，充分考虑电池的重量、布置位置和前后轴荷分布，集成在车身底板下部，配合车身的框架能大大提更车身的刚度和强度，有利于车身的轻量化设计。

铝合金框架分布式碳纤维一体化结构车体轻量化集成设计方案主要体现在如下三方面：1)一体化结构车体设计：以性能目标为导向多材料复合轻量化空间框架(含电池框架)车体的集成设计；以的轻量化设计构造，建立通过铝挤框架和铝铸节点的设计及CAE预评方法，改善车体多处的局部刚度，达到提高整车刚度及性能要求；2)铝合金电池包与车身骨架的一体化设计：采用铝框架与车体集成设计，不需要单独设计铝合金电池框，充分考虑电池的重量、布置位置和前后轴荷分布，集成在车身底板下部，配合车身的框架能大大提更车身的刚度和强度，有利于车身的轻量化设计；3)碳纤维吸能系统设计：对吸能系统进行全新设计，建立碳纤维复合材料吸能系统的仿真模型，开发碳纤维复合材料吸能系统的量产工艺和碳纤维复合材料吸能部件的测试，实现碳纤维复合材料吸能系统与一体化车身集成。开发碳纤维复合材料吸能系统，其吸能总能量超过金属吸能系统，相对于金属吸能系统减重超过40％。

为了实现上述铝合金框架分布式碳纤维一体化结构车体轻量化集成设计方案，需要对所采用的主要轻量化材料(铝合金和碳纤维增强复合材料)采用一些全新的生产加工工艺。新加工工艺主要体现在如下两个方向：(1)开展车用碳纤维低成本原材料和工艺技术研究；(2)实现多种轻质材料及多种先进成形工艺集成应用。

车用碳纤维低成本原材料和工艺技术具体包含如下两个方面：(1)碳纤维主体多材质多轴向混编织物制备工艺：通过多种纤维混杂效应分析、车身各向异性分析与混编工艺优化、混杂纤维多轴向经编工艺分析、碳纤维复合材料的易回收技术等技术手段，开发碳纤为主体与玄武岩纤维、玻璃纤维等纤维的多层次多轴向混编工艺技术，在满足电动车载荷构件的前提下，有效降低成本，碳纤维混编织物较纯碳纤维成本降低30～40％；(2)长碳纤增强热塑性复合材料开发与应用技术：通过高速生产工艺开发、开展粘性流动特性研究、成型工艺性研究等开发程序，最终开发低成本高性能长碳纤增强热塑性复合材料，成本降低30％；开展碳纤增强汽车外覆盖件或结构件的结构设计和成型技术研究，制件减重目标40％。

实现多种轻质材料及多种先进成形工艺集成主要包括如下三个方面：(1)车用碳纤维复合材料的先进成形全流程工艺技术：针对车身承力部件、碰撞部件，采用碳纤维为主体多纤维多层次混编、浸渍、高效模压成形、自动化裁切、打磨等全流程工艺批量化制造；针对汽车表面件、加强件，采用长碳纤维复合材料在线模压成形工艺批量化制造；(2)铝合金材料和成形工艺技术：依据成熟的材料性能数据支撑，结合拓扑优化技术，开发满足铝合金框架车身结构需求的非对称截面、多腔体截面等复杂截面型材，研制铝合金型材精密挤压淬火工艺及其空间成形工艺，试制出铝合金前纵梁、门槛纵梁、A柱等轻量化零件，相对典型钢质零件减重35％以上，挤压截面尺寸精度达到超高精级，并实现连续稳定生产；(3)铝合金车体框架结构一体化制造技术：通过开发铝合金材料-铝合金材料连接技术、铝合金材料-碳纤维复合材料连接技术、碳纤维-碳纤维复合材料连接技术等技术手段，开发满足铝合金车体框架一体化结构的集成连接工艺。采用激光填丝、激光复合焊接技术，开发出适用于铝合金框架车体的先进焊接工艺，焊缝强度达到母材强度的80％，整车焊接变形控制在±1.5mm；汽车复合材料部件/轻合金部件间高效胶接连接技术，铝型材碳纤维联接强度满足部件载荷工况要求，定型时间小于1min，满足连续稳定生产需要。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纯电动汽车轻量化车体，包括车身骨架和电池包框架，所述车身骨架上设有外覆盖件、翼子板、车身地板、前后保险杠结构以及吸能结构，其特征在于：所述车身骨架和电池包框架均为铝合金型材空间框架结构，所述外覆盖件、翼子板、车身地板、前后保险杠结构以及吸能结构均采用碳纤维复合材料。

2.如权利要求1所述纯电动汽车轻量化车体，其特征在于：所述电池包框架位于车身地板下方，电池包框架包括电池包壳体和设在电池包壳体下方的电池包固定框板，电池包固定框板的边缘通过紧固件固定在车身骨架底部。

3.如权利要求1所述纯电动汽车轻量化车体，其特征在于：所述车身骨架上设有减振塔座和副车架，所述减振塔座和副车架均采用加压压铸铝合金材料。

4.如权利要求1所述纯电动汽车轻量化车体，其特征在于：所述车身骨架上设有后排座椅骨架和仪表盘横梁，所述后排座椅骨架和仪表盘横梁均采用镁合金材料。

5.如权利要求1所述纯电动汽车轻量化车体，其特征在于：所述外覆盖件包括顶盖总成、侧围外板、前舱盖、车门外板以及行李箱盖，所述顶盖总成、侧围外板、前舱盖、翼子板、车门外板以及行李箱盖均采用长碳纤维复合材料。

6.如权利要求1所述纯电动汽车轻量化车体，其特征在于：所述前后保险杠结构和吸能结构以及车身地板均采用连续碳纤维复合材料。

7.如权利要求1所述纯电动汽车轻量化车体，其特征在于：所述车架骨架包括A柱和前风挡上横梁以及中空的接头，所述A柱穿过接头，前风挡上横梁一端插入设在接头内侧的接筒。

8.如权利要求2所述纯电动汽车轻量化车体，其特征在于：所述车身骨架包括门槛梁，所述车身地板两侧边固定在门槛梁上部，电池包固定框板的两侧边固定在门槛梁的底部，电池包壳体位于两门槛梁之间。

9.如权利要求3所述纯电动汽车轻量化车体，其特征在于：所述减振塔座包括竖直支撑部，所述竖直支撑部为中空腔体结构，中空腔体结构中设有蜂窝状加强结构。

10.一种纯电动汽车轻量化车体的设计方法，其特征在于：所述设计方法包括以下设计步骤：

1)构建一体化车体-整车参数化建模-初始结构设计及结构优化-计算载荷分布及优化-载荷解耦-接头、截面力学性能分析-结果评估；

2)结果评估通过依据采用的材料类型再进行结构设计以及优化设计-CAD建模-CAE优化计算；

3)依据计算结果，判定是否满足轻量化整车要求；

4)如满足整车轻量化要求-再进行验证、测试、评价，完成轻量化车体结构设计。