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简析各大车企平台演变过程以及模块化技术与经济性、规模性的特点

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导读:纯电平台车型从立项之初就根据电动车的特点开发、设计以及调教,由于没有传统燃油车平台的“束缚”,它可以将“三电”系统布局的更加紧凑合理。所以无论在空间使用率,还是操控性、安全性都要优于“油改电”车型。通过分析各大车企平台演变过程以及模块化技术与经济性、规模性的特点,得出一些模块化平台的特点及思考建议。

一、前言

随着电动汽车的快速发展,在众多新推出的纯电车型中,俨然已经划分出两种路径。一种最常见,即以传统燃油车为基础,将发动机、变速器等部件换成电机和电池开发的方式,俗称“油改电”。另一种则是基于电动化开发的全新专属平台,针对电池、电机进行重新布局,并利用高效的电控程序进行精确控制,拜托传统燃油车平台的“束缚”,简称“纯电平台”。

纯电平台车型从立项之初就根据电动车的特点开发、设计以及调教,由于没有传统燃油车平台的“束缚”,它可以将“三电”系统布局的更加紧凑合理。所以无论在空间使用率,还是操控性、安全性都要优于“油改电”车型。但是由于研发成本十分高昂,所以目前市面上真正使用纯电专属平台的电动车并不多并且售价昂贵。“油改电”平台其实是车企为了节省研发经费而采取的措施,但这种车型会有许多弊端。

由于整车的基本架构还是燃油车型,所以底盘不会预先留有“三电”的空间,但为了将其改装成新能源,就只能将电池嵌入“改造”的燃油车底盘,这样会导致结构安全和底盘均衡性等也均无法达到最佳状态。

从而就会产生三电布局受限制、内部空间小、安全有风险等缺陷。

二、汽车模块化平台

车企一直在寻找大规模化生产过程中问题的最佳解决方案,优秀的模块化平台战略能帮助车企在全球竞争中脱颖而出。

通过开发通用性强的平台,车企能够进一步控制成本,衍生出更多新车型产品,实现汽车研发、工艺设计、采购和制造等环节的多方合作和盈利。

在竞争激烈的汽车制造业,拥有灵活、多产、全球兼容的“超级平台”才是未来车企屹立不倒的关键所在,为未来汽车制造提供了无限可能。

汽车平台决定了车辆的主要产品特征和技术能力。

在经历了同底盘、平台化生产后,现代汽车业发展的趋势已经非常明显,即推行欧洲厂商积极推进的“模块化平台”战略。

汽车模块化平台是指汽车从开发阶段到生产制造过程中的设计方法、设备基础、工艺流程乃至汽车零部件及质量控制的一整套体系。

一般而言,模块化平台涉及4个层面:

1)产品设计模块化;

2)生产与制造模块化;

3)供应形式模块化,即价值链的分解与外包;

4)生产网络模块化,企业间联盟。

在延续平台化优势的基础上,发挥其灵活性并规避平台化带来的结构性风险,同时具有能在保留车企系列品牌特征的前提下实现各车型规模效应的优势。

汽车模块化平台可以把不同车型的众多零部件进行标准化生产,同时又可以灵活搭载其他新技术。

带来的好处是,使低级别车型的生产标准可以向高级别看齐,尽可能多地共享零部件技术;高级别车型在保证品质的同时,制造成本又更具竞争优势。

模块化最核心的部分在于,可以根据自身产品规划和定位来与未来发展方向进行特定的匹配和调整。

三、底盘的平台化

底盘平台即是在开发过程中使用类似底盘和下车体的一组公共架构,其可承载不同车型的开发与生产制造,并生产出外形和功能都不尽相同的产品,最终实现提高零部件的通用性,降低整车开发周期和技术风险的目的。

平台化最大的特点即是以规模优势获取效益的最大化。

在燃油车时代,大众率先提出了了汽车平台的概念,如大众早期的PQ35、PQ46等平台,通过平台共享的模式显著地降低了整车开发周期和技术风险,极大的降低了单车成本及固定资本投资费用等。

到今天,汽车开发已经由平台化开发转变为模块化平台开发,全新的模块化平台,可进一步缩短汽车研发的周期并降低风险,而且更有利于零部件采购成本的降低。

四、底盘的模块化平台

如果说汽车的平台化是通过底盘的大批量生产从而以规模效应实现成本最优控制策略推手的话,那么模块化无疑就是实现这种策略的加速器。

模块化即根据不同功能将底盘拆分为具有特定接口而各部分之间相对独立的功能模块,以模块为最小功能单位,通过对不同功能模块的组合而衍生出差异化的平台底盘。

模块化极大地提高了不同车型之间零部件的通用性,可取得最优的规模效应,降低整车成本;同时也有效的减少了整车的开发费用、周期及生产环节的制造费用等。

大众的MQB即是最成功的模块化平台产品,涵盖了从A00级到B级车超过60款车型。

MQB模块化平台

电动车时代,差异化及个性化必将是汽车最显著的特征,并且在汽车更新节奏逐步加快的今天,如何迎合市场多样化的需求,以最优的成本,在最短的时间内推出符合要求的车型,成为设计师们面临的首要问题。

模块化无疑是现阶段的最优解。

整车功能的模块化、底盘功能部件的模块化乃至功能模块中子部件的模块化,可以最大限度地提高零部件及功能模块在不同车型之间的通用性(如MQB平台中,底盘零部件的通用率达到60%以上),显著降低零部件的采购成本,同时可以显著的降低车型的开发周期(节约开发周期30%以上)及技术风险,标准化通用模块的采用也更有利于不同车型的并线生产,不仅极大地提高了生产效率,同时也节省了新产线的投资费用。

深谙此道的狼堡在开发MEB时完整的继承了MQB模块化开发的理念,只是这一次更加彻底。

新能源汽车底盘区别于传统底盘最大的差异在于以电机电控及电池为核心的电驱动系统取代了以发动机及变速器为核心的动力系统,大众在进行MEB开发时,围绕电池包进行了底盘架构开发,对电驱动系统及电池包进行了高度模块化的设计,以便于根据需求进行不同的动力组合。

MEB平台架构如下图所示:

MEB平台架构下的ID.底盘

MEB搭载了可拓展的模块化电池组,可根据不同的续航里程需求来选择对应的电池包,同时通过调整电池包的结构及尺寸,即可调整底盘轴距以满足不同的车型需求。

大众的首款MEB平台电动汽车ID.3已正式投产,其电池包电量分别为48kWh、62kWh、82kWh,电池包尺寸从1.3米到1.7米,续航里程,WLTP标准下续航里程分别为330km、420km、550km。

MEB电池包系统

MEB电池包结构

MEB的驱动形式有后驱及四驱两种,采用主后驱结构。

前、后驱动系统的功率分别为78kW(ASM)及150kW(PSM),均采用电机电控及减速器集成的方式,通过标准的接口作为独立模块布置于底盘前副及后副,这种模块化设计的方式为后续的底盘动力调整与升级保留了充分的灵活性。

MEB后驱EDS布置结构

可以看出,在MEB模块化平台的架构下,各功能模块保持相对独立,便于根据需求通过不同模块的组合搭建出全新的底盘平台,极大的方便了整车的开发。

或许这正如日野先生所说的那样:设计模块化的终极目标就是玩具的塑料积木,塑料积木将少数零件进行多种组合,能够设计出各种各样的产品。

Tesla同样是模块化平台设计理念的拥趸,其第二款SUV车型Model Y与Model 3为共平台开发车型,其与Model 3共用了75%的零部件,从而大幅降低了车型开发费用、节省了大量的开发时间。

模块化开发的理念同样适用于模块化平台下的子模块开发,如电池模块、电驱动模块等。

在电驱动系统的开发中,可根据不同需求将其子系统按功能等进行模块划分,如电机系统中的冷却模块、密封模块等;电机控制器开发中的IGBT模块、母排模块等;变速器开发中的齿轴模块等。

Audi e-tron的前驱系统为平行轴方案,后驱系统采用同轴方案,在前后电动系统的冷却中均采用了电机转子水冷的方案,转子冷却密封部分便采用了相同的密封模块。

Audi e-tron 前后EDS冷却系统图示

Audi e-tron 转子水冷模块组件

电机控制器的开发中,根据设计需求将平台开发的不同功率的IGBT模块采用相同结构的封装,有利于统一外部接口,提高生产效率,同时也有利于冷却设计方案的统一。

变速器的开发中,可以一级传动齿轴为最小功能模块,根据需求进行组合开发两档乃至多档变速器产品,有效的并行开发可以极大的缩短产品开发周期。

五、电驱动系统的集成化

如果说模块化加速了平台化的发展,那么集成化便拓宽了模块化的边界。

电驱动系统的集成化即将电机、电控和变速器采用共用壳体或部分连接结构的形式集成在一起,组合为一个新的电驱动单元。

由于分体结构的组合型电驱动单元其整机功率密度较低,所占空间较大,已经很难适应新的电动底盘架构下的空间布局,因此下一代电驱动系统势必要进行集成化开发。

集成化开发带来的好处是显而易见的。

首先,设计紧凑,尺寸减小,底盘布置更加灵活,便于进行模块化设计;

其次,深度集成的电机、电控及变速器系统可以最大程度地进行内部接口设计,使得零部件数量减少,整机质量减轻(减轻10%以上),功率密度提高;

第三, 外部接口减少,尤其是高压接口减少,可以有效地降低系统的EMC风险;

第四,零部件数量的减少及深度集成的结构件质量的减小能极大地促进电驱动系统采购成本的降低;

最后,电驱动系统的深度集成,可以有效地简化系统部件的生产工艺及装配方式,促进系统制造成本的降低。

已经来到第五代的BMW eDrive电驱动系统就采用了集成化开发的理念,将电机、电机控制器及减速器进行深度集成,三个子系统共用壳体,子系统之间的接口集成在壳体内部。

整机结构紧凑,无外部冗余连接,只预留有必须的悬置、高压连接、低压通讯、冷却等接口。

BMW eDrive 第五代电驱动系统

BMW eDrive 电驱动系统爆炸图

六、广汽AION S平台

由于Aion S全新的3合1驱动模块,将电机总成、控制器总成和减速机高度整合。

另外,纯电平台的布局也让机械结构分布更加紧凑合理。

以往的电动车由于电池布局不合理,会让车的地台变得高。

例如特斯拉的Model 3就一个典型的例子,坐在后排一是坐垫长度不够,其次地台由于电池排布的原因会很高,同时为了“偷”头部空间又把座椅臀点设计的很低,所以Model 3会有一种坐“小板凳”的感觉。

在平台架构建立上Aion S有很好的先天优势,它采用了广汽新能源最新的采用了第二代纯电专属平台GEP,区别于传统“油改电”平台。

整车架构以“电池+电驱”为中心布局,打破传统燃油车的布局壁垒,整个“三电”系统的布局更加合理高效。

在Aion S采用的第二代纯电专属平台GEP上有一个很大的亮点,它首创了3合1驱动模块将电机总成、控制器总成和减速机集成为一个驱动模块。

以往的电动车型这三个部分都是分离的,通过线缆连接,体积比较大,稳定性不佳且传输效率低。

而Aion S的3合1驱动模块则避免了电机控制器与驱动电机之间的线缆连接,降低体积和重量,大幅提升了传输效率、扭矩密度和电驱动模块的稳定性。

合理的布局换来的就是加倍的安全性能,Aion S的第二代纯电专属平台以“电池+电驱”为中心布局,就是为了提升电池、电机及电驱的安全性。

通过最新一代BMS电池管理系统,Aion S可实现智能温控,让电池工作在高效的工作区间,并且可以高精度的采集及监控温度、电流、电压、高压互锁、绝缘阻值数据。

精确控制及主动干预电池工况,打造出全球最安全电池系统。

七、大众

或许是急于摆脱尾气门的影响,或许是笃定地要在新能源的赛道上完成卡位,大众向新能源转型的态度无疑是坚定与决绝的,这从其发布的雄心勃勃的开发计划中便可见一斑:

大众官方对外最新公布的计划中表明大众将在2020年至2024年间将在混合动力、电动出行以及数字化领域投资600亿欧元(约4646亿人民币),其中纯电动领域的投资就高达330亿欧元(约2555亿人民币)。

计划到2029年将推出75款纯电动车,销量将达2600万辆;到2029年将有近2000万辆的电动汽车在大众电动车平台MEB的基础上生产,近600万辆电动汽车则使用大众的PPE平台。

大众在新能源及数字化领域投资概览

大众MEB平台的ID.家族车型

在大众的开发计划中着重强调了两款电动车平台MEB和PPE,这两款平台承载了大众在未来十年的雄心与荣耀。

MEB和PPE究竟是什么?

梳理这背后的策略或许能对我们大有脾益。

八、PPE平台猜想

PPE平台为大众旗下高端电动车平台,主要供奥迪、宾利等豪华品牌使用,是由保时捷和奥迪共同开发,首款车型将于2022年发布。

这一平台从大众MEB平台和保时捷SPE平台中吸取经验,并利用两个平台的的技术模块,将PPE平台进行优化,以便开发出更高性能的豪华电动车。

基于MEB平台模块化开发的理念及已经上市的保时捷Taycon搭载的800V系统和两档变速箱技术,考虑到PPE平台的定位及2022年电机、电控及变速箱可能会出现的形式,可以推测, PPE平台大概率会采用800V系统,基于模块化开发的理念,围绕电池包进行底盘架构的开发,采用与MEB类似的可拓展模块化电池组。

根据其应用车型的续航里程推测,其电量应涵盖从75kWh~100kWh的两到三款电池包。

在电驱动系统方面,出于提高效率和整车性能表现的考虑,电控部分必然会搭载SiC IGBT;电机可能存在三种不同功率版本;减速器部分会同时存在两档变速箱及减速器产品,以满足不同车型的匹配需求。

保时捷 Taycon底盘俯视图

至此,再加上电动超跑专属的SPE平台,大众即以MEB、PPE、SPE三个平台即涵盖了新能源赛道上的所有的车型应用。

平台搭建完成后的下一个问题就是推向市场,分摊开发费用。

当然,最重要的是利用技术壁垒建立起长期收割利润的护城河,所以我们看到大众开放了MEB及PPE平台,或许这才是大众实现雄心的底气所在。

九、奔驰

奔驰目前的模块化平台主要有前轮驱动架构平台(MFA)、后驱轿车架构平台(MRA)、模块化高端架构平台(MHA)及模块化跑车架构平台(MSA)。

其中,MFA平台是一款以前轮驱动为基准结构的高扩展性模块化平台,类似于大众的MQB平台,可以适用于各种不同的车身结构,还可以适用于四驱系统。

奔驰EQ比奔驰GLC略大,采用新开发的电动汽车结构平台,平台由热成型高强度钢和铝材组合而成。

传动系统采用双电机,输出功率超过400马力,也就是说比362马力的奔驰AMG GLC 43动力更强。

EQ拥有70kwh的电池和超过500公里的续航能力。

其不莱梅(Bremen)工厂将在2019年投产EQ电动汽车。

同时北京奔驰将在北京生产EQC,美国市场预计由塔斯卡卢萨工厂负责。

总的来说,梅赛德斯-奔驰打算在未来10年内开发超过10种全电动车型(2025)。

为了实现这个雄心勃勃的目标,奔驰将投入高达10亿欧元作为研发经费。

其中,顶级车型的动力系统总功率将高达407马力,峰值扭矩700Nm,起价大约为49000欧元。

梅赛德斯集团计划到2025年,纯电动车的产量将占到奔驰总产量的25%。

不同于B级Electric Drive这样在现有的内燃机车型上推出电动车型,全新的EQ品牌不仅意味着这家百年车企将专注电动车领域,也让其成为特斯拉强有力的竞争对手。

十、总结

实施模块化平台的具体方法各不相同。大众首先实施了覆盖旗下所有品牌的模块平台理念;丰田应用了全球平台架构下的零部件标准化;沃尔沃则强调技术的共享等。

由此可见,模块化平台并没有全球统一的解决方案,企业必须根据自身战略和市场渠道制定适合自己的发展战略。

通过分析各大车企平台演变过程以及模块化技术与经济性、规模性的特点,得出一些模块化平台的特点及发展建议:

1)整车模块化平台的核心都是基于动力模块,并在此基础上,完成其他系统的标准化零部件模块。

模块化平台的进化,基本要在如下方面入手:核心发展动力总成的模块化;通用化的标准零部件是基础;在车型平台总布置上,重要子系统总成的布置是一致的;主要制造工艺流程是相似的;许多电子接口及界面是相同的,特别是在未来电气化领域。

2)模块平台化战略是建立在正向研发基础之上的,需要确立稳定的品牌框架和长期的产品投放策略。

发展模块化平台架构必须有新技术的支撑和一定的经济性条件。

总体上,未来模块化平台的发展方向都是削减平台数量、发展核心平台、增加核心平台的产量,并且把重点放在平台内模块化的共享和全球柔性化生产。

3)从“平台化战略”到“模块化战略”需要跨越模块共享论证阶段和规模化阶段这2个“关口”,估计主力平台规模至少达到年产100万辆级别才有可能实施成熟的模块化战略。

国内车企由于技术能力资源有限,其模块化的范围和程度将受影响,在某些关键系统方面十分依赖系统供应商。

在发展模块化战略初期,为了技术资源的优化配置,应该让重要供应商尽早参与到模块化战略中;同时,应该集中精力研发至少2款明星车型产品,以该高销量车型产品结构作为未来模块化平台的主体。

4)从大众的MQB、宝马的UKL、奔驰的MFA及沃尔沃的SPA等模块化平台上看,各大主流汽车厂商都在大力发展以紧凑级为主的核心模块化平台,增加该平台的车型种类和产量,以提高首次购车或年轻消费者的使用体验,吸引客户对品牌的终身认可。

5)伴随着市场盈利环境结构的变迁,基于模块化战略全球兼容的“超级平台”,主流知名汽车厂商正在逐渐向着集成共享移动出行等服务的智能科技公司转型;从汽车制造商转型成为以人为本、可持续发展的移动出行服务提供商。

华夏EV网综合编辑 

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