内燃机汽车经过100多年的持续研发与应用,相关部件和整车技术早已成熟,在此基础上,内燃机汽车的相关开发流程也已经趋于完善。电动汽车的研发与传统燃油车类似,但纯电动汽车是以电力电子和信息技术深度应用为主要特征的车辆产品组成,相应动力蓄电池、驱动电机、整车电控、电助力制动、电动助力转向、电动空调等高低压电动化部件的搭载,对整车的设计与验证环节提出了新的需求。各纯电动汽车研发生产企业在制定开发流程时,多是在世界知名内燃机汽车研发生产经验的基础上,针对纯电动汽车的特性进行了更改升级。
通用汽车的整车开发流程(GVDP)、大众汽车的整车开发流程(PEP)和丰田的精益整车产品开发流程,都是得到实践验证的整车正向开发流程,并成为全球范围内各主机厂制订自主整车开发流程的主要参考对象。
图2-2所示为通用汽车整车正向开发流程图。在车型产品开发项目的初期,首先要进行架构设计、战略规划和概念设计。
图2-2 通用汽车整车正向开发流程图
①架构设计是整车开发过程中的先导工作,主要是根据性能能力和带宽要求,完成架构开发及验证,同时发布整车结构件初版数据,为下一步项目论证和产品开发明确前提。
②战略规划阶段是产品型谱向产品项目的转化阶段。在这个阶段,需要完成公司对原有产品型谱和未来产品战略的再平衡,决定是否启动产品项目的开发工作。这一阶段的工作重点是更为深入地分析产品在产品型谱中的定位和产品项目需要达到的边界条件,比如销量、投资、成本、产品特征、开发周期、赢利能力等。
③概念设计阶段是在产品战略明确并且可行性得到批准的基础上,完成产品项目方案的开发。这些方案包括动力总成的方案、整车技术规范(Vehicle Technical Specif ication,VTS)目标、全尺寸主题模型、关键零部件的设计、整车的物料成本、制造规划方案、产品质量目标等。
概念设计完成后,车型开发正式开始。开发阶段的工作是对产品概念的实现,通过产品工程、制造工程、前期质保和采购的同步工作完成产品概念的早期验证,最终完成产品数据冻结。
最后的产品/生产成熟阶段主要是完成产品本身的设计有效性验证,同时推动零部件和整车达到制造质量成熟的状态,实现产品的批量生产制造 [14] 。
纯电动汽车的开发流程大致分为两种:
①由燃油汽车平台衍生而来的纯电动汽车平台,即衍生改造平台。随着我国电动汽车市场产品种类的不断增多,竞争越来越激烈,且国家及地方政府推出一系列电动汽车推广政策,促使衍生改造成为我国车企向新能源汽车市场进军的“快行道”。所谓衍生改造平台,是指利用现有燃油汽车平台,在车体结构基本不变的情况下将包括发动机在内的动力总成换为包括动力蓄电池、电机在内的电动动力总成,车辆外观、内饰等方面与原型燃油车基本没有区别,如图2-3所示的利用大众MQB
燃油平台改造研发的e-Golf。
图2-3 在大众MQB燃油平台改造研发的e-Golf
②完全正向开发专用于纯电动汽车的平台,例如大众/奥迪汽车的MEB
平台、长城汽车的ME平台等,绝大部分造车新势力车企都采用这种路线。接下来将重点讲述纯电动汽车全新平台的开发流程。
纯电动汽车全新平台是指采用新技术、新设计构思、研制、生产专门应用电动架构的汽车平台。虽然各汽车公司对电动汽车整车开发阶段各有侧重,但是其项目开发的思想和方法却十分相似。如图2-4所示,整车开发流程包括从项目启动直到标准作业流程(Stanclard Operation Procedure, SOP)整个过程,共分为六个阶段:市场定位阶段、项目立项阶段、方案和造型阶段、详细设计阶段、产品验证阶段和量产准备阶段。
图2-4 新产品开发流程框架
一般而言,在一套完整的正向电动汽车整车开发流程中,各阶段的主要工作应具备以下共同点:
QG10之前的阶段为市场定位阶段,通过分析国家政策、基础设施、市场及客户需求、竞争态势,结合车企自身能力和战略,制订和描绘出在目标市场上战胜竞争对手的初步整车方案,并基于历史数据和经验进行评估修正。
①在此阶段应规划车型的续驶里程、能耗等指标。
②在配置规划时需要考虑目标区域的能量补充设施完善程度,以确定车辆能否配置换电、直流充电等。
③针对目标客户群体明确应用的商业模式,据此规划纯电动汽车的功能配置、续驶里程目标等。
④在面向分时租赁市场需求进行设计时,应预留防盗防劫报警器的安装接口、第三方行驶记录与远程控制接口等;在电动商用车应用于公交车、团体客户时,应注意在车辆布置阶段考虑载客量需求,并根据行驶距离设计续驶里程。
⑤根据确立的当前市场的先进竞争车型进行项目定位,是本阶段重要的工作内容。当前市场有一定销量的车型在政策符合性、能量补充便利性、商业模式等方面已被市场认可,具有重要的参考价值。
QG10之后、QG9前的阶段为项目立项阶段。本阶段的工作目标是明确车辆概念的可实现性、投资合理性、各类计划是否可行,要针对整个开发周期中所有工作目标、方案和计划进行梳理,确认项目管理基线。
在本阶段,需要评审当前型谱设定的产品是否具备条件进入项目前期的论证阶段,从产品战略和公司目标来考量其必要性,做出是否启动立项研究的决定。本阶段需要开展以下的关键控制活动:
①批准初始的项目生命周期及产品定位。
②批准初始的车身型式及品牌。
③批准初始的业务计划。
④申请项目代号。
⑤批准初始目标市场和主要竞品。
⑥批准项目立项工作计划、费用概算及资源需求。
⑦批准项目总监和立项准备工作小组的建议人选。
QG9之后、QG7前的阶段为方案和造型设计阶段。在此阶段,通过概念设计来修订及最终确定整车及零部件的造型、结构、工艺、技术、品质等方案的可执行性,以及理论上可达到目标的程度及风险。整车概念设计包括造型设计、架构设计、总布置设计、整车匹配仿真、第一批FP Car(Function Prototype Car-1,在项目QG7前支持电动汽车电驱动系统初始验证和标定工作的样车)试制等工作,并最终冻结数据。电动汽车搭载较多高压及低压零部件,在确定总体方案时,需要特殊考虑动力蓄电池、驱动电机、电动空调系统的布置及由此带来的对整车布置的影响。此外,整车高压及低压电气系统设计的主体工作也在本阶段完成。
QG7之后、QG5前的阶段为详细设计阶段。在此阶段,首先进行第二批FP Car(Function Prototype Car-2,为支持整车/系统方案进一步的设计和验证,包括整车布置、电气原理、电驱动系统匹配、电辅助系统及全车通信联合验证的样车)试制。
在此基础上,需要完成工程数据及零部件设计,并试制以完成结构和功能验证,进行第一批EP Car(Engineering Prototype Car-1,结合零部件设计进展,进行整车设计方案全面优化,满足整车及零部件设计规范和整车产品技术条件要求,进行零部件调试等的样车)试制,最终完成工程数据发布及开模指令发布。
此阶段工作是明确产品的图样结构得到验证,图样和技术协议已确定并满足供应商和工艺部门针对工装设计及制造的要求,关键属性初步验证达到指标或风险较小。
电动汽车上配备包括动力蓄电池、电机以及电控系统的“大三电”,以及包括电制动、电转向、电空调的“小三电”等特有的零部件及系统。这就要求在详细设计阶段,除了传统的材料、功能、尺寸等方面的验证和确认外,还需要对高压、低压有关的电性能方面进行设计、分析及认可。此外,根据《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》,动力蓄电池系统在设计阶段需要为车辆报废后的梯次利用或回收预留接口。
QG5之后、QG3前的阶段为产品验证阶段,主要工作内容有开展模具制造、OTS(硬模件)生产、法规认证、工装验证。在此阶段进行第二阶段EP Car(Engineering Prototype Car-2,用于零部件精细调试、公告法规验证等的样车)试制及PPV Car(Production Process Validation Car,用于总装顺序验证、生产线工艺验证等的样车)小批量装车验证,启动产品推广及营销策划。
此阶段需明确产品的结构、性能、品质、可靠性和成本已达到项目目标,生产线、工装、器具和设备已验证并准备就绪,以确定车辆是否可以批量生产。在产品验证阶段,电动汽车与传统燃油汽车相比,由于搭载较多的电气件,更强调基于整车网络的整车功能性及可靠性表现。另外,由于电动汽车的结构特殊性,法规认证及准入也是产品认证阶段的重中之重。
QG3之后、QG1前的阶段为量产准备阶段,主要工作内容是开展生产线验证,进行工装验收、生产培训、销售培训、上市推广方案实施及上市准备情况检查,验证零部件厂商的爬坡能力和零部件生产一致性能力。此阶段通过PP Car(Pre-Pilot Car,使用工装件按照工艺要求在生产线上装配,以完成产品和/或过程的最终验证和认可的样车)、P Car(Pilot Car,主要用于验证完全工装和工艺条件下批量提供的零部件质量的样车)生产,最终明确项目目标达成、上市准备度检查及产品可以批量生产销售。电动汽车在准备量产阶段与传统燃油汽车基本类似。
QG1节点通过后进入正式投产,同时进行项目总结。
纯电动汽车架构平台化开发需求主要是在新车型开发前期的市场定位阶段确定的。产品规划负责人根据市场调查、行业趋势和产品技术趋势分析,从覆盖市场不同车型、配置需求,降低成本,缩短各车型开发周期的角度,制定新产品平台开发需求。需求包括平台下基础车型的外形尺寸变换、主要功能配置扩展计划等。在整车总体和部件系统开发负责人开展设计时,需要满足平台化需求,各阶段设计需要覆盖本平台下不同车型配置的需求,注重通用性,并在所采用设计标准、规范及工具应用方面做到各车型统一。其中,整车驱动构型方案、悬架形式、电压平台方案,以及动力蓄电池、电驱动系统、高压附件等开发是电动汽车平台化开发特有的重要环节。
当前,国内车企的车型平台化开发主要以关键部件系统平台化为着手点,在驱动电机及控制系统、动力蓄电池系统、整车控制架构及控制器等关键部件上实现多车型共用,并通过控制器写入配置字进行具体车型的配置。在整车平台化开发方面,大众汽车公司是平台化开发最成功的汽车制造商之一。它于2018年推出了应用于纯电动汽车产品的MEB平台,如图2-5所示。该平台采用模块化设计,尺寸可被缩短、伸长或进行其他修改,其特点如下:
图2-5 大众MEB纯电动汽车平台
①该平台可用于多种汽车制造,按尺寸划分,囊括了从SUV到掀背式轿车的各种车型,规划未来有1500万辆电动汽车将基于此平台开发。
②MEB平台具有前舱短、轴距长、质心低、空间大、坐姿高的特点。为了配合电池包的布置,轮胎尺寸规划为18~21in(1in=2.54cm)。
③MEB平台采取后驱形式,车辆的前后重量接近50∶50,更利于驾驶性能提高。
④车身及底盘整体材料采用轻量化结构,并以钢为主要材料,而电池箱体采用铝合金为主要材料。
⑤通过轴距拉伸和轮距拓宽,MEB平台能够满足不同车型的变换需求。