電動(dòng)汽車充電器布置研究

甄溢軍

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電動(dòng)汽車充電器布置研究

甄溢軍

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

文章介紹了電動(dòng)汽車開發(fā)階段充電器布置研究的過程，結(jié)合某項(xiàng)目充電器布置實(shí)例，總結(jié)了充電器布置時(shí)需要考慮的因素，并對(duì)布置位置提出了建議，可以對(duì)新車型開發(fā)過程中充電器布置提供指導(dǎo)。合理的充電器布置可以降低成本、提高系統(tǒng)可靠性和整車性能。

充電器；電動(dòng)汽車；布置

引言

為了應(yīng)對(duì)環(huán)境問題的挑戰(zhàn)，世界各國(guó)都投入大量資源到新能源汽車的研發(fā)工作，尤其是電動(dòng)汽車，并且取得了顯著的成果。特斯拉的Model S 和Model X、日產(chǎn)的Leaf已經(jīng)在世界范圍銷售并得到用戶的廣泛認(rèn)可，大眾、豐田、通用等各大主機(jī)廠也在積極投入電動(dòng)汽車的技術(shù)研發(fā)。國(guó)內(nèi)的各大主機(jī)廠也投入資源研發(fā)并推出各自的電動(dòng)汽車。另外，國(guó)家政策對(duì)新能源汽車積極扶持，客戶對(duì)電動(dòng)汽車的接受程度也日漸提高。根據(jù)2017年四月份工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、科技部印發(fā)的《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》內(nèi)容顯示，計(jì)劃到2020年，新能源汽車年產(chǎn)銷達(dá)到200萬輛，到2025年，新能源汽車占汽車產(chǎn)銷20%以上。電動(dòng)汽車的在整個(gè)汽車保有量中的占比正處于一個(gè)快速增長(zhǎng)的階段。

1 充電器介紹

圖1 高壓線路圖

電動(dòng)汽車充電方式分非接觸式（感應(yīng)式）和接觸式（傳導(dǎo)式），傳導(dǎo)式充電可以分為交流和直流充電，交流充電就是我們常稱的低壓充電，通過充電口連接220V交流電由經(jīng)充電器到動(dòng)力電池；直流充電是通過外部充電樁對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，車載端只有充電口以及和電池連接的高壓線束。感應(yīng)式充電是利用電磁感應(yīng)等原理，無金屬觸點(diǎn)即可向車輛提供電力，通過地面端和車載端感應(yīng)線圈工作而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充電。以上充電方式都需要電流都需要經(jīng)由分電箱（PDU）。圖1是以后驅(qū)電機(jī)為主的四驅(qū)電動(dòng)汽車項(xiàng)目高壓線路圖，該項(xiàng)目配置傳導(dǎo)式充電和感應(yīng)式充電，傳導(dǎo)式充電同時(shí)配備了直流充電（快充）和交流充電（慢充）。

1.1 傳導(dǎo)式充電器

傳導(dǎo)式充電器由于在充電過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，需要對(duì)充電器進(jìn)行冷卻。根據(jù)充電功率的大小，冷卻方式分風(fēng)冷和水冷兩種。風(fēng)冷充電器通過在充電器上增加冷卻風(fēng)扇以及風(fēng)道，在充電過程中通過強(qiáng)行排風(fēng)冷卻，水冷充電器通過串聯(lián)或者并聯(lián)進(jìn)入車輛本身的冷卻系統(tǒng)，通過水冷的方式實(shí)現(xiàn)充電器的冷卻。充電器本身尺寸會(huì)隨著充電功率的增加而增大，在充電功率一定的情況，充電器有機(jī)會(huì)在保持體積不變的前提下，通過調(diào)整充電器的長(zhǎng)寬高比例來適應(yīng)特殊的車輛環(huán)境。

1.2 感應(yīng)式充電器

感應(yīng)式充電器是通過車載端和地面端之間的電磁感應(yīng)等形式，實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，感應(yīng)式充電器的原理包括電磁感應(yīng)、磁諧振和微波。車載端根據(jù)充電感應(yīng)線圈和充電元器件的關(guān)系，可以分集成式和分體式。集成式是充電元器件和感應(yīng)線圈面板做成一個(gè)整體，外觀表現(xiàn)為零件Z向厚度較高，有一個(gè)充電器元器件的鼓包，布置約束比較大。分體式將充電元器件和感應(yīng)線圈單獨(dú)拆分后中間通過導(dǎo)線連接，相對(duì)而言，感應(yīng)線圈布置Z向要求空間較小，布置自由度更大。

2 充電器的布置

2.1 布置要求

充電器布置過程中的總體原則是滿足充電器本身性能要求，考慮零件裝配可行性。基于經(jīng)濟(jì)性考慮，在充電器布置過程中需要綜合考慮周邊能夠提供的空間環(huán)境以及充電口位置、大電池接線位置以及其他充電器相關(guān)零部件的布置位置，從而選擇一個(gè)連接線束總長(zhǎng)度最短，經(jīng)濟(jì)可行的充電器布置方案。

感應(yīng)式充電器的布置位置受到能量傳遞效率的要求，從而對(duì)車載端和地面端之間的距離（氣隙）有要求，一般要求距離為不超過150mm。為了提高充電效率，車載端和地面端的中心線偏差要求小于±100mm，這要求工程師在布置過程中考慮顧客的使用過程中如何對(duì)準(zhǔn)車輛的場(chǎng)景。

通過以上的約束條件，需要總布置工程師在整車上尋找滿足充電器功能和性能要求的位置，并且避免或減少對(duì)車輛性能指標(biāo)和外觀品質(zhì)的影響，如離地間隙，接近角和離去角度以及前后軸荷比等。同時(shí)需要一并考慮充電器對(duì)其他系統(tǒng)要求，例如采用需要冷卻系統(tǒng)的支持，如水冷管路及充電器水位高度需要在布置中考慮。

2.2 布置環(huán)境匹配及分析

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展和車型的更新，現(xiàn)在越來越多主機(jī)廠采用專門的電動(dòng)汽車項(xiàng)目全新開發(fā)，而不是根據(jù)傳統(tǒng)動(dòng)力車型改型來上電動(dòng)汽車項(xiàng)目，這樣的好處就是能夠有更大的自由度來布置電動(dòng)汽車的相關(guān)零部件，使得車輛的集成程度更高，提高布置效率，減少空間浪費(fèi)，使得電動(dòng)汽車整體的外觀質(zhì)量更好，消除了明顯的更改痕跡。但是，全新開發(fā)也對(duì)工程師提出了更高的要求，在大量未知和不確定的情況下，如何安排零件的布置位置，如何規(guī)劃三電系統(tǒng)的合理布局，實(shí)現(xiàn)高壓線束總長(zhǎng)度的最小化，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化等都提出了新的挑戰(zhàn)。

從傳導(dǎo)式充電器的布置要求來看，針對(duì)充電功率較小，例如3.3KW風(fēng)冷的充電器，在布置過程中需要考慮風(fēng)道的布置位置以及風(fēng)道長(zhǎng)度對(duì)壓降的影響，如果是考慮布置在艙內(nèi)，一般布置位置優(yōu)先考慮布置在后備艙內(nèi)車身泄壓閥附近，這樣能夠利用泄壓閥門作為排風(fēng)口，同步可以讓風(fēng)道盡量短，從而減輕風(fēng)道的重量，降低成本。如果考慮布置在前艙內(nèi)，則可以借助冷卻風(fēng)扇來冷卻充電器，布置位置考慮布置在風(fēng)扇工作覆蓋區(qū)域內(nèi)。

針對(duì)功率相對(duì)較高的需要水冷的充電器，布置位置選擇過程中需要考慮連接到冷卻管路的形式，是采用串聯(lián)還是到主回路還是和其他零件并聯(lián)到冷卻管路，不同的聯(lián)接形式會(huì)對(duì)冷卻系統(tǒng)水路的整體阻力產(chǎn)生影響。

感應(yīng)式充電器車載端在整車上的布置位置受到氣隙要求，布置區(qū)域只能選擇在下車體區(qū)域，一般電動(dòng)汽車動(dòng)力電池布置在下車體前后軸中間，所以車載端布置選擇基本在動(dòng)力電池以外的前副車架或者后副車架區(qū)域，但是該區(qū)域又有驅(qū)動(dòng)單元存在，這對(duì)感應(yīng)式充電器的布置提出了更大的挑戰(zhàn)。

以上兩類三種充電器的布置位置選擇，都受到充電口以及大電池連接線束端口位置的影響，在高壓線成本較高的情況下，各個(gè)相關(guān)零件之間的連接長(zhǎng)度，是布置工程師需要考慮的問題。一般情況下充電口位置的選擇會(huì)根據(jù)大電池線束端口位置選擇，可以是布置在車頭區(qū)域如進(jìn)氣格柵和翼子板，或者是布置在車尾區(qū)域如加油口或尾燈附近。而大電池線束端口的確定則根據(jù)動(dòng)力總成位置確定，四驅(qū)車型則建議高壓線束端口靠近主驅(qū)動(dòng)力單元附近。

綜合考慮以上因素及電動(dòng)汽車上有可能的布置空間,針對(duì)傳導(dǎo)式充電器而言，可能的布置位置是前艙、后備箱和座盆下方，而感應(yīng)式充電器車載端的布置位置則集中在前后副車架下方。

3 布置案例

3.1 背景

在某電動(dòng)汽車開發(fā)過程中，研究了3.3KW風(fēng)冷充電器、7KW水冷充電器和感應(yīng)式充電器的布置工作，布置過程中考慮的因素以及綜合評(píng)估后最終選擇的布置方案對(duì)后續(xù)充電器布置有參考和借鑒意義。

該開發(fā)車型為純電動(dòng)四驅(qū)車型，以后驅(qū)為主，這樣的策略就確定了動(dòng)力電池的線束接口靠近后驅(qū)動(dòng)單元，充電口的位置選擇在了加油口位置，項(xiàng)目研發(fā)早期采用的是2個(gè)3.3KW充電器，后續(xù)切換到7KW充電器加感應(yīng)式充電配置。

3.2 布置過程

一般零件布置過程中需要考慮以下因素：安全碰撞、售后維修、裝配空間、物理空間、熱管理、水管理、EMC、顧客使用場(chǎng)景、人機(jī)以及貴重零件的布置保護(hù)等要求。在布置過程中，首先需要布置工程師向零件工程師收集零件的尺寸和重量信息，以及零件結(jié)合的系統(tǒng)中的原理圖或者結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，結(jié)合要求和原理綜合考慮零件布置位置。

在項(xiàng)目早期采用的是2個(gè)3.3KW充電器的方案，經(jīng)過研究布置位置選擇在后備箱內(nèi)兩側(cè)輪包區(qū)域，布置在該區(qū)域的優(yōu)勢(shì)是距離電池線束端和充電口近，充電高壓線束整體長(zhǎng)度短；風(fēng)道可以從車身泄壓閥排氣，風(fēng)道長(zhǎng)度較短，整體排氣阻力小，重量輕。相關(guān)布置位置和斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 3.3KW充電器布置結(jié)構(gòu)斷面

在項(xiàng)目開發(fā)過程中，充電器的技術(shù)升級(jí)驅(qū)動(dòng)單個(gè)充電器功率提升，由兩個(gè)3.3KW充電器升級(jí)為一個(gè)7KW充電器，降低了充電器的單車成本。由于充電器功率加大，冷卻模式由風(fēng)冷切換為水冷，從而需要考慮冷卻管路的布置和充電器接入冷卻系統(tǒng)的位置要求。根據(jù)布置考慮高壓線總體長(zhǎng)度，布置空間等因素，充電器仍選擇布置在后備箱輪包附近，同時(shí)需要考慮充電器加入到水冷系統(tǒng)中，充電器冷卻水道的最高點(diǎn)位置不高于膨脹水壺的MIN 線，以防冷卻管路中的空氣在充電器中積聚從而影響充電器冷卻，該系統(tǒng)要求約束了充電器的Z向最高高度。在各個(gè)方向的約束限制下，充電器的布置位置研究簡(jiǎn)化為幾何空間的尋找，布置過程直觀明了。

該項(xiàng)目感應(yīng)式充電器車載端采用的是集成式感應(yīng)式充電器，所以車載端厚度最大區(qū)域接近100mm，長(zhǎng)和寬度分別為400mm和600mm，且零件重量接近25kg，尺寸及重量導(dǎo)致該零件的布置困難較大。由于感應(yīng)式充電器厚度較大，直接增加到前副車架區(qū)域的話，會(huì)嚴(yán)重影響離地間隙，并且考慮到中國(guó)駕駛習(xí)慣和倒車入庫(kù)，布置在前端也會(huì)對(duì)車載端和地面端的對(duì)準(zhǔn)過程對(duì)駕駛員使用過程產(chǎn)生不便。若是布置到后副車架區(qū)域，則由于該處離地距離較大，不能滿足感應(yīng)式充電器地面端和車載端之間的氣隙要求。經(jīng)過權(quán)衡比較，布置在后端不影響整車離地間隙，且有利于感應(yīng)式充電器車載端和地面端的對(duì)準(zhǔn)，對(duì)客戶體驗(yàn)相對(duì)布置在前副車架下方好。同步氣隙的問題通過地面端基建過程中將線圈高度凸出地面解決，滿足了充電氣隙的要求。

3.3 結(jié)論

在電動(dòng)汽車型研發(fā)的過程中，充電器的布置是必然會(huì)遇到的研究?jī)?nèi)容，從該項(xiàng)目布置過程來看，針對(duì)傳導(dǎo)式充電器，布置過程中需要考慮以下內(nèi)容，以便做到滿足性能要求、降低重量，節(jié)約成本、提高車輛性能的目的。

1）根據(jù)車輛驅(qū)動(dòng)單元位置按就近原則布置充電口和充電器；

2）充電器布置過程中需要考慮冷卻形式及冷卻系統(tǒng)的要求；

3）在開發(fā)早期識(shí)別和充電器相關(guān)零件并綜合考慮它們的布置位置。

感應(yīng)式充電器車載端的布置需要注意以下因素：

1）感應(yīng)式充電器車載端布置在兩驅(qū)車型中考慮布置在非驅(qū)動(dòng)端。

2）四驅(qū)電動(dòng)汽車則考慮布置在前后副車架下方，而在X向考慮布置在驅(qū)動(dòng)單元和電池之間的空隙中。

3）布置過程中需要考慮客戶的使用習(xí)慣以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要求，針對(duì)國(guó)內(nèi)車型優(yōu)先考慮布置在車輛后端。

4 展望

隨著電池充電技術(shù)的發(fā)展和為解決車輛使用過程中充電時(shí)間長(zhǎng)這個(gè)痛點(diǎn)，車載充電器的功率逐步在往大的方向發(fā)展，功率的增大就要求冷卻方式采用水冷。感應(yīng)式充電器這項(xiàng)配置會(huì)在新開發(fā)車型中研究和普及，也同樣存在著功率增加的趨勢(shì)，所以冷卻方式也會(huì)向水冷轉(zhuǎn)變，同時(shí)為了解決下車體布置空間限制，感應(yīng)式充電器車載端可以將控制器、冷卻水路和線圈分離，做成分體式以增加更大的布置自由度。

在實(shí)際項(xiàng)目的研發(fā)過程中，由于上文提到的布置策略，會(huì)將相關(guān)零部件往動(dòng)力單元就近布置，這可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力單元端驅(qū)動(dòng)軸載荷分配過多的情況，而感應(yīng)式充電器車載端重量有30kg左右，同時(shí)其布置位置可前可后，這部分重量可以在布置過程中實(shí)現(xiàn)前后軸載荷調(diào)整。

電動(dòng)汽車相關(guān)零件的布置和傳統(tǒng)車型肯定存在差別，這些差別的識(shí)別和影響分析需要逐步的研究和積累，其中采用能量由化學(xué)能往電能的轉(zhuǎn)變，零件布置考慮內(nèi)容需要從幾何的層面往物理性質(zhì)層面進(jìn)一步延伸，在考慮零件布置的幾何特征如點(diǎn)，線、面、體和物理特征的重量、熱場(chǎng)、空氣流場(chǎng)等的同時(shí)，需要加入新的電磁場(chǎng)這個(gè)考慮因素，這對(duì)后續(xù)電動(dòng)汽車智能化過程中，傳感器工作和信號(hào)傳遞的可靠性都有很大的影響。

[1] 周厚建,柯江林,張光慧.電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件的布置研究[J].上海汽車,2016（3）.

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[5] 汽車工程手冊(cè)10 新能源車輛設(shè)計(jì)篇[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2014.

Study on Charger Layout of Electric Vehicle

Zhen Yijun

( Technical Center, Shanghai automotive group Co., LTD., Shanghai 201804 )

This paper introduces the process of charger arrangement during Electric Vehicle development, combined with a project work, summarizes the factors to consider the charger layout, and proposes some suggestions for the location, can provide guidance for the development of new models in the process of charger layout. The reasonable charger layout can reduce the cost, improve the reliability of the system and the performance of the vehicle.

charger; electric car; layout

U469.72

B

1671-7988(2019)07-26-03

甄溢軍（1985.6-），男，工程師，主要從事整車開發(fā)過程中零部件的布置集成工作。

U469.72

B

1671-7988(2019)07-26-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.008