关于微型电动车的外观以及性能介绍

随着城市人口稠密地区的不断扩展和交通流量不断增长，有害物排放和噪声辐射也随之而来，这对汽车动力驱动系统提出了新要求。因此德国亚琛工业大学汽车研究所( ika) 与欧洲项目的研发人员共同设计了1 种轻型车身结构的电动车方案。

关键词：车身结构 微型电动车 白车身设计

1起因和开发目标

目前，全球已有54%的人口居住在城市，而按照联合国的预测，至2050 年城市居民的比重将占到66%。随着城市化的快速发展，将加剧交通拥堵、城市噪声和环境污染等现象。为了降低CO2 排放，欧盟于2009 年通过了1 项法规，至2020 年汽车的平均CO2排放量必须降低到95 g /km。除了降低废气排放之外，在开发新车型时还必须考虑到用户的需求。由于仅有10%的城市居民的日平均行驶里程超过90 km，因此考虑到各种不同的气候条件，可设计城市微型电动车的蓄电池容量。车辆不仅要兼顾高性能和低成本，还必须考虑到安全性与可靠性，并且在发生交通事故时必须确保乘客及驾驶员的人身安全。

为此欧洲新车鉴定程序协会( NCAP) 于2014 和2016年对轻型电动车( L7e) 的被动安全性进行了试验。试验结果表明了其关键性的结构弱点，以及安全带回拉系统不足以起到保护作用，因而存在使乘客受伤的较高风险。德国工程师协会( VDI) 根据测试得出的安全性水平，与常规M1 级车辆相比较，于2013 年建议对质量在400 ～ 800 kg 之间的车辆实施M0 级车辆进行等级划分。这也促进了更安全可靠和高效的城市微型电动车的开发积极性。因此设计了一种新款微型电动乘用车Epsilon 兼具很高的安全性和轻型车结构，在设计之初按照M0 级设计，以填补L7e 与M1 车辆之间车型段的空缺。并在项目开始时确定了下列规范:

( 1) 单位里程电耗小于80 Wh /km;

( 2) 汽车质量小于600 kg;

( 3) 0 ～ 100 km/h 加速时间小于10 s;

( 4) 电动车行驶里程大于150 km;

( 5) 在按NCAP 为规范的碰撞试验中评为四星级。

2车辆方案的开发

开发过程中，Fiat 技术中心( CRF) 进行了市场分析和用户调研，确定了用户对微型电动车主要用于上班及闲暇之余使用，要求行驶安全性及舒适性，特别是要考虑到充电时间短，并具有足够的行驶里程，以及适用于城市的运载能力。同时在详细的用户调查中，已确认了运载4 人的运输容量及可变的行李舱装载空间等设计参数。根据城市交通运输中的用户需求，考虑较低的实际购置成本和维护保养成本，以此推断出最小轻型车方案的设计要求。首先，根据设计要求开发车辆外形。图1 示出了2个适合于95%体形的男性和5%体形的女性的装载容量方案。该车辆外形方案呈现出较小的基本尺寸、较低的车辆重心和后桥上紧凑的动力总成，其特点是驾驶员与副驾驶员座位在车辆长度方向上错位15 cm，高效利用了车内空间，有效减小了车辆宽度，而且驾驶员后方的第三个人能有充分放置腿部的空间。在设计开始时就调整好车辆外形方案，在后续的设计过程中为整车开发预留了结构空间，这样就能进行动力装置、底盘和白车身( BiW) 等总成的平行设计，并被整合在1 个整车虚拟模型中。这种车辆方案的重要技术数据汇总于表1。

3结构设计和被动可靠性

为了满足具有挑战性的轻量化和安全性的开发目标，为车身开发选择了1 种整体轻量化的结构型式，兼顾了布局优化、功能集成的设计理念，并从几何学角度发挥材料潜力来减轻质量。在布局优化方面，针对碰撞情况和静态负荷状况分析了基于车辆外形方案的结构空间，以便查明车身主要负载路径上的最佳材料分配，其优化结果用作BiW 设计的结构基础。图2 示出了碳素纤维增强塑料( CFK) 和铝混合结构型式空间框架车身的详细设计方案，又称为CFK-Al 空间框架。

前车、侧槛变形件和后缓冲装置都用铝挤压型材制成，而CFK 多腔型材则是采用Axon Automotive 公司专利制造工艺方法制成的，其中各个腔室都由碳素纤维编织层包裹的泡沫塑料芯构成。这种CFK 空间框架结构设计采用尺寸为60 mm × 60 mm 或60 mm × 120mm 的标准化型材横断面。通过使用标准化型材横断面的冲压模具降低了成本。这种CFK 空间框架结构用蒙板密封，同时与CFK 型材粘合，形成了结构接合件。外部蒙板塑造出车辆外形，但是在设计时并未考虑到其对车身机械性能的影响。

车身开发是本身质量达到600 kg，满足欧洲NCAP和美国联邦机动车标准( FMVSS) 安全性规定的关键因素。对于BiW 设计，包括BiW、车门和门锁零件、外部蒙板及车窗玻璃和装配件在内的极限质量为210 kg。为了达到该目标，借助于有限元模拟针对扭转和弯曲应力及图3 所示的动态负荷状况来设计BiW。从最大侵入程度和加速度方面来评定这些试验结果。Autoliv公司根据计算的加速度曲线设计了乘客安全带回拉系统，而且还由Graz 理工大学汽车安全性研究所分析了行人保护。

在这些试验研究结果的基础上，按照欧洲NCAP 进行评定，期望能达到四星级要求。为了保证模拟计算结果的正确性，Graz 理工大学汽车安全性研究所，按照欧洲NCAP 进行50 km/h 速度和100%覆盖坚硬障碍物真实整车碰撞试验。碰撞试验车辆包括CFK-Al 空间框架结构、底盘以及动力总成模拟系统和牵引蓄电池及重要封装部件，使得该试验车辆总质量为600kg，并附加设置了75 kg 重的H3 假人( 代表平均体重条件下的男性驾驶员) 。图4 示出了碰撞前后和图4 碰撞前后和变形过程期间试验车辆和模拟模型变形过程期间试验车辆和模拟模型的状况。通过模拟和真实试验之间的几何学比较，表明了铝前车结构变形特性具有良好的一致性。CFK 空间框架结构形成了1 个可靠的安全盒，在试验和模拟中仅呈现出最小的侵入程度。因此这些物理试验结果证实了模拟计算结果，并表明未来的M0 级微型车具有可靠安全的车辆结构，为行人保护提供了良好的理论基础。

4示范车辆

在虚拟车辆开发的基础上建造了1 辆可供行驶的样车( 图5) 。车辆外形在紧凑的尺寸条件下显示出一种独特设计。为了建造样车，首先开发了动力总成系统，并进行稳态运行试验，同时建造车身，并完成车体装饰和内饰，此外还使用了量产车的零部件，例如底盘部件、动力总成部件以及暖通空调( HVAC) 系统。另外，还为样车开发了容量为15． 6 kW·h 的空气冷却蓄电池系统，该系统配备了Panasonic 公司生产的1 530个18650PF 型蓄电池单元( 102 组串联，15 组并联) ，运行电压为367 V。100 mm 厚的地板下蓄电池装置与较小的车体宽度相结合能达到较小的1． 8 m2 正面面积。为了尽可能缩短充电时间，除了交流电接头之外还考虑了直流电接头，这样就能在25 min 内使800 V 和24kW 的蓄电池电量从15%快速充电到80%。

5结论和展望

Epsilon 车辆方案显示了轻型、安全、高效的微型电动车专门用于城市交通具备的潜力，并填补了L7e 与M1 级车型之间的空缺。特别是通过轻量化和安全性具佳的CFK-Al 空间框架结构，不仅在理论上，而且通过样车碰撞试验已证实了这种车型的安全性。在虚拟设计方案的基础上，还制造了可供行驶的样车。在后续工作过程中，将进行行驶试验和效率测试。此外，还将公开展示该车辆的道路试验情况，并进行详细的用户使用研究，促使市场接受从而投产这类车型。