16 車輛研測資訊 106期 2015-06

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電動車是目前車輛產業為對應能源多樣性及綠

能政策的重要產品之ㄧ，國內多家車廠亦皆積極發

展中。然而，開發全新的電動車專用底盤，必須重

新設定車輛各次系統的空間配置，不僅耗時，且成

本極高，因此許多車廠是使用原本內燃機車輛的車

體架構施以改良，再重新安裝電動車之動力系統、

控制系統、充電系統及電池組等。不過，由於車輛

的車姿與前後軸的配重改變，偏離了原始設計的設

定，勢必會影響車輛的動態性能，使得車輛行為變

得不易預測，或是出現轉向過於敏感或舒適度變差

等情況。因此，配置電動車底盤系統時也必須針對

這些變化加以考慮並作改良。

為能符合設計目標，讓電動車的動態性能與

原本內燃機車種相近，甚至更好，此時可藉助電腦

輔助工程分析(Computer Aided Engineering, CAE)技

術，以預先得知改成電動車之後對車輛的運動性

能有何影響，並且可以透過敏感度分析(Design of

Experiment, DOE)找出有效的底盤調校參數，進行

優化分析，藉此不但可以提升車輛的運動性能，也

可降低產品的開發週期與成本。

一、先模擬再試作，底盤研改流程

簡單來說，一般將內燃機車輛改成電動車的底

盤研改流程(如圖1所示)，首先會從選定目標車種開

始，量測目標車原況的底盤特性與整車的運動性能

數據，此外也會量測其他廠牌競爭車的數據作為參

考，並且考量品牌特性與市場定位，設定車輛的性

能規格目標；接著再利用CAE分析技術建立半車機

構(Kinematics and Compliance, K&C)分析與整車分

析模型，同時利用實測的數據對模型進行調校，以

確認CAE分析的準確性，此時這一部由電腦所建立

的虛擬車輛便已足以用來代表真實的車輛。

後續便可將車上的動力系統由引擎系統替換為

電動馬達，分析計算出動力系統改變後對車輛運動

性能的影響，由此變更相關底盤參數，進而找到可

以符合設計目標的研改方案；然後，再以有限元素

分析(Finite Element Analysis, FEA)軟體對結構件進

行結構強度分析與確認後即可進行試作，最終才是

對試作之原型車進行主客觀評價，以確認車輛的操

控性與乘適性是否符合預期，並進行細部的微調。

其中尤以避震器之阻尼設定，會因為個人主觀喜好

不同而有很大差異，需要較多人參與調校，如圖1

所示。

電動車底盤運動性能 分析技術介紹

車輛研究測試中心 許新村

車輛研測資訊 106期 2015-06 17

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二、掌握各種路況回饋，底盤運動性能分析

目前，國際上對於車輛機構行為的動態模擬，

多是採用多體動力學(Multi Body Dynamic, MBD)方

式建立車輛的運動方程式並進行求解，分析流程說

明如下:

(一) 車輛參數量測

要建立車輛底盤分析模型之前，首先必須要

取得車輛的相關設計參數，項目如圖2所示，其中

透過K&C試驗所獲得之前後半車的底盤系統性能

曲線，可用來驗證使用前述之參數所建立的半車模

型，以評估其所表現出來的底盤系統特性是否與實

車一致。

(二) 半車模型建立與分析

取得前述之設計參數後，接續就是將這些參

數輸入到專用的MBD分析軟體內建立半車模型(如

圖3所示)，並且建立與K&C實驗相對應的實驗工況

(如表1所示)，一般會進行的工況如加速、煞車、轉

彎與經過凸起物或坑洞等，而這些分析工況其實也

是在模擬車輛在路面上行駛時會遇到的各種路面狀

況。

▲ 圖1、電動車底盤研改流程

▲ 圖2、車輛參數量測說明圖

▲ 圖3、半車模型建立示意圖

選定目標車種

設定底盤參數

及性能規格

汽油車CAE模型

建立/分析/比對

電動車CAE模型

建立/分析/研改

FEA結構強度

試作

主/客觀評價測試

(調校)

電動系統搭載

實車測試評價

彈簧特性彈簧特性

襯套特性襯套特性阻尼特性阻尼特性

輪胎特性輪胎特性

K&C試驗K&C試驗VIMF試驗VIMF試驗

硬點座標硬點座標

元件慣性矩元件慣性矩

彈簧與阻尼彈簧與阻尼

曲線特性曲線特性

力量力量

運動運動

輸出輸出

硬點硬點

物體物體

接頭接頭

襯套襯套

▼ 表1、K&C分析9種工況的目的

項次 模擬項目 圖 示 目 的

1 同向垂直向試驗

模擬懸吊在受到兩輪同向之垂直作用力時的機構行為，如：凸起物彈跳與直線加速

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以圖4為例，即為左右輪受到同向垂直方向運

動時，輪胎所受到的力量變化，藍色線為使用CAE

軟體的模擬結果，紅色線為經由K&C測試所獲得的

結果，若想要了解底盤參數的改變對底盤特性有何

影響，只需直接在軟體內更改設計參數即可。

(三) 整車運動模擬分析

在進行整車運動分析模擬時，除了需要組合前

述所建立的前後半車模型，還需要加入傳動系統，

並且給定輪胎參數與配置車體和相關測試設備的重

量，以及測試工況的條件，一般在評估車輛操控性

時會進行的工況包括：加速、煞車、步階轉向、頻

率響應、定圓迴轉，車道變換等。

以圖5為例，即為模擬車輛變換車道的分析結

果，當車輛要變換到左側車道時，因車身會向右側

傾斜，而產生重量移轉，左側輪胎的垂向受力會

減少，反之，右側輪胎的垂向受力會增加，此時若

輪胎的摩擦力不足以抵抗因車輛激烈操控所產生的

側向力，車輪就會產生側滑；同樣地，分析模型的

準確性也可透過與實測結果的比較獲得驗證，而對

於電動車整車模型，只要將引擎系統替換為馬達系

統，即可知重量配置改變對整車性能有何影響。

三、尋找完美組合，敏感度與最佳化分析

當汽油車改成電動車時，由於重量的配置完全

不同，使得整車的運動性能也會因此而改變，此時

就可以利用敏感度分析來協助找出關鍵性的設計參

2 反向垂直向試驗

模擬懸吊在受到兩輪反向之垂直作用力時的機構行為，主要是考量車輛轉彎或受到側風時，防傾桿的效應

3 同向側向力試驗

模擬懸吊在轉彎時受到同向之側向力時，懸吊、副車架 (subframe) 和車體的撓性 (compliance)

4 對向側向力試驗

模擬懸吊在轉彎時受到反向之側向力時，懸吊的撓性

5 同向回正力矩試驗

模擬懸吊受到兩輪同向之回正力時的機構行為，主要是要考量懸吊和轉向系統的撓性

6 對向回正力矩試驗

模擬懸吊受到兩輪反向之回正力時的機構行為，主要是考量不含轉向系統的懸吊撓性，如：輪轂 (hub)

7 縱向煞車試驗

模擬懸吊受到路面衝擊或煞車力時的影響，尤其是煞車轉向 (brake steer)

8 縱向加速試驗

模擬懸吊受到路面衝擊或加速力時的影響

9 轉向試驗主要用於模擬轉向比 (steering ratio)和阿克曼角 (ackerman angle)

▲ 圖4、輪心垂向位移與輪胎受力變化圖

▲ 圖5、整車之變換車道分析

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數。圖6即為設計參數對響應值的敏感度關係圖，

曲線斜率越大代表該設計參數對於此項運動特性越

敏感，當關鍵的設計參數找出之後，除了可單獨針

對設計參數進行探討之外，也可透過優化程式的計

算找出較優的設計參數組合。

四、可靠度的關鍵密碼，結構強度分析

當汽油車車體結構被更改為電動車時，結構的

受力自然跟著改變，因此結構件的強度也必須要重

新進行設計確認；此時通常會以整車模型進行機構

模擬分析，求得相關硬點上的受力所示，再將硬點

上的力量施加到結構件的硬點上，再進行結構強度

分析，如圖7。

此外，由於電池的危險性較高，故而電池架的

強度也必須詳加考量，但是又不可增加過多的重量，

最好的方式便是透過優化分析技術來降低電池架的重

量，如圖8，即為利用形貌優化技術輔助電池架進行

設計之應用案例[3]，當完成結構件之強度確認之後，

最後就可進行試作與

組裝，並且進行整車

的主客觀評價，以驗

證實車的性能是否達

到設計目標。

五、事半功倍，善用CAE好幫手

歐美先進國家將CAE分析技術運用在車輛產品

開發上，已有非常多年的歷史，就技術發展來看可

謂相當成熟而多元，最大的好處在於透過電腦輔助

工程分析的方法，不但可快速提供模擬分析結果供

設計者參考，提升產品設計的效率與品質，相對來

說，也就減少了日後實車測試調校的時間，大大降

低了開發時間與成本，成為業者在設計與開發新車

型時的最好幫手。　　

參考文獻

[1] 葉智榮，車輛操控安定性測試技術介紹，車輛

研測資訊40，財團法人車輛研究測試中心。

[2] 葉重宇，車輛底盤乘適性評價技術介紹，車輛

研測資訊88，財團法人車輛研究測試中心。

[3]楊偉良、吳建勳，電動車電池搭載結構強

度優化設計分析，The 9th Int. Forum of

Automotive Traffic Safety, Changsha, China,

December 2011

▲ 圖6、設計參數對響應值的敏感度關係圖

▲ 圖8、電池架經形貌優化

後之應力圖

▲ 圖7、整車機構受力模擬分析