原創： 王朋波

來源：模態空間

7 動力電池的形式

續航里程是純電動汽車最關鍵的性能指標。因此在相當一段時間內，純電動汽車架構設計應盡量考慮增加動力電池空間，純電動車總布置應圍繞電池空間進行。

動力電池是由多個電芯堆積而成，電芯先打包成模組，然后再組合成整個電池包。電池包里面除電芯之外，還有安全開關、繼電器、保險絲、主動冷卻和加熱設備、電池控制器（BMS）等。

電芯按形狀分成3種：圓柱形電芯、方形電芯和軟包電芯。如圖12，特斯拉 Model S 使用18650圓柱型電芯，大眾汽車使用三星方形電芯，奧迪則采用了LG軟包電芯，均為立式放置。

圖12 從左到右分別是：大眾、奧迪和特斯拉的電池模組

動力電池包的高度主要由電芯高度決定。在電芯高度方向還要布置水冷板、絕緣隔熱材料和上下殼體結構，所以電池包的高度一般比電芯高度高40-60mm，例如特斯拉Model S所使用的圓柱電芯高度為65mm，電池包整體高度則是110mm。

因此，動力電池電芯形式和尺寸對整車架構設計相當重要，應作為前期設計中的關鍵參數，由主機廠和電池廠家根據車輛布局、電芯通用性和多車型適應性在早期進行規劃。如三星根據不同主機廠的要求，開發了不同尺寸的方形電池。LG則嘗試采用不同的電芯堆疊方式，以適應不同車型，如圖13，因為電芯電極位置不同，對散熱方式有不同要求。

圖13 LG化學用不同的電芯堆疊方式來實現不同的電池包高度

8 動力電池的布置

在電動汽車的發展歷史上，除了車頂，幾乎所有位置都安裝過動力電池。最早的電動汽車將電池安裝在后備箱，如圖14所示。這種布置方式可以不更改地板，在車身座椅后面焊接支架即可，能大幅節省開模費用。所以初期的很多油改電車型都將動力電池都布置在這個位置，甚至前兩年的第一代長安逸動EV，其第二號電池包也是放在后備箱內。

圖14 后備箱動力電池布置

在后備箱位置布置動力電池，將嚴重影響行李箱空間，還會導致車輛重心靠后，影響操控性能。此外在碰撞時候非常危險，正面碰撞時幾十g的加速度，車身鈑金可能無法拉住電池，鈑金撕裂后電池會撞到后排乘員，后面碰撞時電池還容易起火爆炸。因此這種布置是一種為節約成本和周期而犧牲性能的開發方案，量產車不宜采用。

現在最主流的動力電池布置位置是地板下方，這個位置可以再細分為：前座椅下方、后座椅下方、中通道位置以及腳踏位置。

沃爾沃XC90混合動力汽車的動力電池布置在中通道位置，如圖15，這個位置對電池高度的限制最小。但顯然中通道位置空間不大，只適合混動車型。而且還需要車輛比較寬，一般中大級（A+級）以上的車輛才能在中通道位置布置下動力電池。

圖15 動力電池中通道布置方式

由于人在車內的臀部位置較高，很多基于傳統車架構的車輛會充分利用前后排座椅下部的空間來布置動力電池。前排座椅下面會有導軌和執行機構，而通常后排是固定座椅，沒有導軌，因此后排座椅下部空間很大，一般來說，這個位置布置兩層電芯沒有問題，如圖16所示。

圖16 在后座下部布置電池

由于滑軌的原因，前排座椅下部的空間就不如后排那么好，但也比腳踏位置的空間要好一些，一般可以高出60mm左右，可布置單層電芯，如圖17。日產Leaf就是同時利用了前后排座椅下方位置來布置電池，前排一層電芯，后排兩層電芯。

圖17 前排座椅的電池布置

最后一種布置方式是將電池布置在腳踏和前后排座椅下方，這種布置方式用于平板型電池，電池覆蓋了大部分地板，如圖18所示。這種布置方式是將電芯模組平鋪到地板下方，能夠最大限度的獲得可用面積。但它的主要缺點是，因為要在乘員腳下位置布置電池，將導致整車高度比常規轎車要高，所以不適合開發轎車，適合開發MPV和SUV車型。

圖18 地板下部平板電池布置方案

除了上述布置方式之外，還有一些特殊的布置方案。例如奔馳SLS amg 跑車電動款是在燃油款基礎上改的，為匹配原車型設計，將電池布置在前艙，如圖19所示。這種布置方案要求車輛有非常長的前艙，且在正面碰撞時安全性極差，所以不具有參考價值。再比如蔚來EP9，將電池布置在左右門檻上，如圖20所示，在側碰時門檻的電池極不安全，還嚴重影響進出便利性，所以也沒有參考價值。

圖19 奔馳SLS amg 電動款的電池在前艙和中通道布局

圖20 蔚來EP9電池布局在門檻

上述座椅下方、腳踏、后備箱等位置，可以組合起來使用以獲取更大的電池空間。如圖21所示，大眾golf e mission概念車在后備箱、前后排座椅下部和中通道位置設計兩層電池電芯。實際上已經有多種基于傳統燃油車架構的電動車產品在應用這種異形電池包，并且已經上市。

圖21 大眾golf e mission概念車型

但是這種多層電芯的異型電池安全性是比較差的，動力電池通常采用液體冷卻，在碰撞沖擊過程中，上層電池冷卻液體一旦泄露，則會導致下層電池對應位置的電芯短路，有較高起火風險。而且異型電池的殼體結構工藝實現困難，電池冷卻系統也非常難布置。

目前國際上發布的幾大電動車平臺和電動車專用架構均采用了單層電芯的平板型電池。平板型電池的殼體結構更加簡潔，工藝容易實現，液冷系統也容易布置；平板電池更容易實現通用化和平臺化，用一種設計可以給用戶提供多種規格的電池包容量；平板型電池采用法蘭邊與下車身穩固連接，電池包結構能明顯提升車身剛強度，整車結構也可對電池包形成有效防護。此外，對于大型7座SUV、MPV車型而言，中間排座椅同樣需要滑軌，因此后排座椅下空間也不會像轎車那樣充裕，所以平板型電池應為最佳選擇。

9 整車高度的變化

圖22為一張簡化的總布置圖。粉紅色的框為平板型電池，采用軟包或方形電芯的平板型電池包，其高度一般不會低于140mm，所以我們假定電池包高度為150mm，再按經驗值假定最小離地間隙為130mm，軸距則設定為2700mm。

圖22 純電動汽車總布置簡圖

緊湊級車（A級）的空間要求是前后排恰好可以坐下95%的人體，也就是1米88的人坐在車里，后面的人的膝蓋恰好頂在前排座椅靠背上。按照一般布局方式，前排人腳踏位置是包住前輪的鈑金位置。而后排人要和后車輪錯開。后排人的坐高要比前排人高20-40mm，否則后排乘客會有壓抑感。

按上述布置規則，要保證后排人的頭部空間，整車高度是1545mm。這還是沒有布置天窗，沒有考慮造型優化的結果。如果加上這兩項，整車高度還會再增加50-60mm，達到1600mm左右，這個高度已經超越了一些小型SUV。

所以，如果采用平板型電池，電動汽車的高度很難控制到轎車的水平，這也是現在新興電動汽車企業都只開發SUV車型的原因。現有的純電動轎車，除特斯拉models外，都采用了不規則的電池造型。

特斯拉Model S 能夠做的比較低矮，一是18650電池高度低，電池包高度控制到110mm，比其他車企的電池包低30mm以上。并且Model S軸距長2960mm，后排人坐姿舒展（身體后仰）。最重要的，特斯拉采用了單層玻璃車頂,沒有活動天窗結構。因為沒有辦法像天窗那樣做一個遮陽簾，所以需要用隔熱玻璃,這樣勉強將整車高度壓在了1500mm以下。

圖23 Model S 后排乘客頭部空間不足且沒有后排頭枕

雖然特斯拉Model S做了諸多努力，后排頭部空間也只有897mm，如圖23，遠低于95%人體需要的930mm頭部空間。除了影響后排舒適性外，最大的問題是后排座椅靠背距離頂棚太近，無法安裝后頭枕，追尾時無法保護后排乘客安全。目前C-NCAP中的鞭打試驗并不考查后排，但考慮到未來法規變化趨勢，Model S 的設計并不是好的參考。相比Model S，新車型Model 3高度明顯增加，而Model Y 是SUV。

所以，我們認為，傳統的轎車形式并不適合純電動汽車，純電動汽車的趨勢是SUV或者MPV形式。

10 車輛高度比例

對于使用平板電池的全新純電動架構車型而言，整車高度增加不可避免。同時由于電池是一塊規則的結構，處于整車最下部，電動汽車如果毫無 修飾，側面會顯得臃腫。如圖24所示的特斯拉Model X 側面，下部增加了一點黑色裝飾條，但仍有臃腫感。

圖24 特斯拉Model X 與大眾ID概念車側面對比

為解決側面臃腫感問題，除了上一篇提到的增大輪胎直徑外，還可通過壓低車門水切線和增加側圍下裝飾件兩種方法解決，如圖24右側的大眾ID概念車，玻璃水切下移，且成向下彎曲形式，下部再增加向上拱起的藍色裝飾件，較好的規避了車身側面臃腫的問題。

但量產車型的水切設計成類似大眾ID的彎曲形式在工藝上難以保證。因此將下部裝飾件做大或利用陰影在視覺上掩蓋應該是更好的選擇。如圖25所示的捷豹I-pace，在車門中下部增加了大面積黑色裝飾件，基本消除了側面的臃腫感。

圖25 捷豹 I-pace 車門黑色裝飾件

11 CP點位置

純電動汽車造型變化中最明顯的一點就是CP點的前移。CP點是前風擋玻璃與前機罩延長線在側視圖上的焦點，對整車造型比例有決定性影響。在以寶馬、奔馳等豪華車引領的燃油車汽車造型美學中，CP點是偏后的,一些電動概念車繼承了這一特點，例如榮威光之翼、標致概念車E-Legend等。但寶馬i3、捷豹I-Pace、法拉第未來FF91等車型則將CP點大幅提前，造型上與傳統車型有明顯不同。而蔚來ES8、特斯拉Model X則是選擇了與前橫置前驅燃油車相似的CP點配置，因而造型偏傳統。圖26展示了上述三種CP點布局方案。

圖26 CP點靠前、居中和靠后布局

CP點前移是否是電動車發展方向，目前行業內并沒有明確結論。有人認為CP點前移可以增加艙內的空間。但是，通過寶馬i3和大眾polo的對比圖27，我們可以看出，駕駛員腳部都踩在前輪鼓包上，盡管兩輛車的CP點不同，但是方向盤位置是相似的，內部乘員的實際可使用空間是相似的，沒有明顯差別。

圖27 寶馬i3和大眾polo的對比

雖然CP點前移并不能有效地增加艙內空間，但我們仍然認為CP點前移是純電動車的發展趨勢。原因有以下幾點：

1. 電動車由于維修維護較少，不需要留出發動機點火線圈的維修空間，且電機上部空間充裕，冷卻水路也不需要加壓，整體水路高度低，補水壺高度也可以降低，因此CP點前移具有可行性。

2. 地板下需要布置動力電池，導致地板抬高，駕駛員的頭部空間減少，面部更接近風擋玻璃。此時將CP點前移，即增加前風擋玻璃角度，可以減少前排駕駛員和乘客的視覺壓迫感。

3. CP點前移使前罩和風擋的過渡更為順滑，有助于降低風阻，減少能耗。這點能耗的減少對于燃油車來講可能微不足道，但對于純電動汽車則意味著續駛里程的提升。

4. CP點前移，使前壁板和地板的交接線也跟著前移，該交接線實際是動力電池布置的前端邊界，所以CP點前移可能可以給動力電池提供更大的布置空間。

5. CP點前移對降低水切高度有好處，可改善電動車側面的視覺效果。

目前來看，量產的純電動車型還是以CP點前移居多，這在消費者概念中也有共識。例如28所示的榮威光之翼概念車的CP點靠后，但到了量產車Marvel X，其CP點則明顯前移了。

圖28 榮威Marvel X（上）和光之翼概念車（下）

有人認為CP點前移意味著車輛造型更動感時尚但不夠穩重，不太符合中國人的審美偏好。其實只要設計功力足夠，這個問題完全可以解決。比如圖29展示的FF91這款車，CP點非常靠前，但整車外觀是何等的大氣。

圖29 法拉第未來FF91

12 前后懸長度變化

由于軸荷分配問題，純電動車后輪應為驅動輪，因此后部需要橫置電機和減速器，并布局相關的電機控制器等附件。一般來說無法布置備胎。因此后懸不需要為包容備胎而做的過長。

同樣的，驅動電機和減速器的尺寸小于內燃機和減速器，前置動力總成一般也不會超過輪胎尺寸，因此對于前驅的電動車，前艙的空間要求也小于燃油車，前懸長度可以減小。

對于固定的整車長度，前后懸縮短意味著軸距加長，地板下方可用面積加大，可以布置更大容量的平板電池，有利于續航里程的提升。

前后懸減小也與如今的審美潮流相符，在造型定義前期需準確估計前后懸尺寸。

13 本篇小結

動力電池電芯形式和尺寸對整車架構設計相當重要，應作為前期設計中的關鍵參數，應在早期進行合理規劃。

單層平板型電池結構簡潔可靠，易實現平臺化和通用化，能夠與車身形成一體化結構，所以是全新純電動車架構的首選方案。

采用平板電池后，整車高度將會增加，所以傳統的轎車形式并不適合全新純電動架構，主流趨勢是SUV或者MPV形式。

造型方面，CP點前移和前后懸縮短是純電動汽車發展趨勢；為了克服車身加高導致的側面臃腫感，可考慮壓低車門水切線和增加側圍下裝飾件兩種方法解決。

聲明：本文主要內容由盧元甲完成，本人只做了部分修改和補充。

作者簡介

王朋波，清華大學力學博士，汽車結構CAE分析專家。重慶市科協成員、《計算機輔助工程》期刊審稿人、交通運輸部項目評審專家。專業領域為整車疲勞耐久/NVH/碰撞安全性能開發與仿真計算，車體結構優化與輕量化，CAE分析流程自動化等。王朋波私人微信：poplewang；加微請注明：單位+姓名。

盧元甲，前總布置工程師，現京東無人配送車產品經理，盧元甲私人微信：IRain_Lu