本特勒电动汽车模块化底盘解析
为什么电动汽车的框架结构更为理想？
电动汽车的开发引发了整车制造的新变革。
由于将电驱动装置集成到动力系统，整车的结构设计也需做出相应的改变。
而与传统车身结构相比，框架式结构具有显著优势。
特别是对于电动车来说，框架式设计实现了从中小型到大型车的柔性扩展应用。
同时，框架式车身使得电池组的集成更为简单，能满足较高的碰撞安全要求，且易维修。
此外，该解决方案还允许底盘模块和E/E（电池和电机）架构的模块化，实现较高的设计自由度。
本特勒（Benteler）最新的电动汽车底盘系统（Benteler Electric Drive System，BEDS）为框架式车身结构轻量化做出了贡献。
整车不仅仅是各零件的总和
整车的设计和开发需考虑车型的市场预期、造型设计、以及标准法规要求等几方面。
这些汽车产品的目标需要通过将各总目标分解到各个系统和部件来实现。
汽车是由多个系统和部件组成的复杂系统，每个系统的设计都将对整车造成较大的影响。
但是并不是系统的高性能设计就可以获得整车较好的性能表现。
这对底盘系统的设计和开发，特别是模块化设计也较为重要。
铝合金底盘轻量化结构
为达到轻量化和成本的统一，同时保持较高的碰撞安全性，BEDS 的首选材料是铝合金。
其用于底盘的结构框架（Flexframe，柔性框架）、电池托盘以及碰撞管理系统（CMS）。
具体如图1所示，该设计保证了BEDS在x方向和y方向上可适应不同的车型。
Flexframe采用了铝挤压型材、压铸铝合金材料。
而电池包方面，如图2，设计了集成冷却系统的铝合金壳体结构，CMT、结构胶、自攻螺钉等工艺实现连接。
底座和电池托盘的盖子由铝片制成。
电池托盘拧到门槛和Flexframe的横杆上。
与Flexframe一起创建了一个刚性结构，具有较高的碰撞安全性，具体如图3和图4所示。
高能量密度电池模组
电池技术给新能源汽车的发展带来了许多挑战，锂电池种类繁多，目前没有哪个种类占据主导地位。
本特勒轻量化底盘系统采用75Ah棱柱状镍钴锰酸锂电池，集成92kWh的电池容量。
电池组设计为102S-3P配置：102个电池串联；3个电池并联。
电池由34个电池模块组成，每个模块有9个电池。
可产生372.3V的额定电压，电池pack的能量密度为153Wh/kg，峰值功率326千瓦，持续5秒，连续功率136.5千瓦。
所用的高能电池提供500 Wh/l和230 Wh/kg的体积和重量能量密度。
电池可以在40分钟内充电到80%，直流充电功率为100千瓦。
此外，电池管理系统（BMS）可较好的监控电压、电流和温度，确保安全性。
电池设计-20和+55℃（-4和+131℉）之间温度区间，电池使用寿命最大化。
热管理系统
BEDS配备了热管理系统，可确保电池、电驱动单元（EDU）和所有其他电气组件的热保护。
为此，其设计了三个单独的回路：一个高温回路，一个低温回路和一个冷却剂回路。
高温电路（用于EDU，充电电子设备和DC/DC转换器）的最高冷却水温度为65℃；低温电路为45℃；高压加热器加热电池，而冷却器则冷却电池。
冷却器与第三回路的连接，采用冷却剂R1234yf实现散热。
系统为电池提供10kW的最大冷却能力，为EDU提供30kW的最大冷却能力。
锂离子电池模块温度控制的核心是水-乙二醇冷却系统，其设计为具有大表面并集成在电池外壳中的电池冷却板。
铝制冷却板还实现了电池壳体的外部密封。
同时出于安全考虑，流体连接位于电池托盘外部。
为了达到最佳水平，团队在开发初期进行了静态和瞬态3-D CFD （CFD是英文Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）模拟。
结果表明，冷却管道呈U形排列，并带有独立的供应设计可获得最佳空气流厂效果。
各个回路的设置限制了冷却介质的不规则流动，且对温度均匀性有积极影响。
划分为几个部分限制了每个部分的流通体积，从而实现较低的反压力。
电动轴模块--驱动性和NVH
BEDS底盘的前后轴设计可根据OEM集成其他组件的需求进行缩放调整，'E-Chassis'可集成EDU。
如博世的e-axle电动轴就将将3个动力系统零件：马达、电力电子及变速箱合而为一。
下图5展示了不同的底盘模块，在B/C级前轴采用E-McPherson结构，后轴采用电动扭梁结构。
对于D、E和F级，前轴为电动双控制臂，后轴为五连杆结构。
该底盘前桥模块较低的碰撞路径设计满足了高安全性要求，后桥部分也进行了结构优化，并满足螺旋弹簧或空气弹簧的悬挂系统的安装需求。
EDU双重阻隔的结构设计同样满足了NVH的要求，减震元件与Vibracoustic合作设计，对安装位置、刚度、阻尼特性等参数进行研究，并通过详细的频率分析以避免产生共振。
E/E架构和安全性
BEDS的E/E架构具有可扩展性，可在所有相关电气元件之间实现良好的安全的能量和信号分配，如图6所示。
配电单元（PDU）从中心位置分配能量，中央车辆控制单元（VCU）控制所有电气部件。
这种方法可以实现灵活的变型，例如每轴有两个EDU或前轴/后轴只有一个EDU的变型。
VCU还适用于AC和DC充电以及无线充电。
用于DC充电的HV 接触器集成在HV电池容器中；车载充电器（AC充电）与DC/DC充电器一起集成在一个外壳中。
E/E架构还必须符合相关的安全标准，高压防护线路通过所有电气元件，确保电源断开单元（BDU）在拉动HV插头时立即停用高压（400V）。
成本效益和产业化生产
本特勒BEDS以客户需求为导向，满足了产品灵活的设计需求，模块化平台使得设备的单独配置和组装程度成为可能。
为了确保高水平的成本效率，即使是小批量生产，其装配系统和相关的供应链设计也将预留更大数量和类型灵活变更的空间。
该底盘系统将生产过程划分为几个模块，借助于组件载体（无驱动器传输系统）将这些模块和组装站物理分离，并且缺少跨模块的循环时间。
可实现生产过程的多变设计，过程的模块化也允许基于各组件的组装步骤交错设计，并且如果体积增加则不需要对整个组装线进行过度重复调整。
这使得BEDS成为实现制造高性能、成本化的电动汽车的关键一步。
汽车轻量化产业链翻译整理
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