純電動汽車布置技巧應(yīng)用

周站福 王振濤

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130013）

主題詞：電動汽車 總布置 通用化

1 前言

物理學家Nikola Tesla在上世紀初期認為純電動汽車簡單來說就是用電動機替代了普通內(nèi)燃機的汽車，動力電池替代了傳統(tǒng)車的油箱[1]。從結(jié)構(gòu)方面講，純電動車因取消了復雜的內(nèi)燃機和傳動系統(tǒng)，比傳統(tǒng)汽車或混合動力汽車都要簡單。電池-控制模塊-電機，即構(gòu)成了整車的傳動邏輯[2]。

為降低成本，縮短開發(fā)周期，電動乘用車在整車布置時，在保證前軸至前壁板間距不變的前提下，對整車其它參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整，以滿足設(shè)計需求；而由于技術(shù)因素，國內(nèi)電動乘用車開發(fā)設(shè)計理念，大多以傳統(tǒng)汽車為基礎(chǔ)、最小變動為原則，布置如圖1所示。

本文根據(jù)電動乘用汽車將其整車布置分為前機艙模塊化布置、動力電池包布置、乘員艙布置及控制系統(tǒng)布置4大模塊（圖2），分別研究其布置特性并進行分析。主要是電動汽車布置設(shè)計時考慮高壓化特點、運動空間、工藝、安全間隙等因素前提下展開。

圖1 電動車平臺架構(gòu)

圖2 電動車整車布置縮略圖

目前設(shè)計驗證工作已經(jīng)在奔騰X80EV、奔騰B30EV、以及賓果EV車型上得到應(yīng)用

2 整車關(guān)鍵硬點參數(shù)設(shè)定

在整車布置設(shè)計初期，應(yīng)對整車關(guān)鍵坐標點參數(shù)及汽車總布置圖進行詳盡研究，對后期產(chǎn)品優(yōu)劣起到關(guān)鍵作用。

2.1 載荷定義

對于電動汽車，一般有3種載荷，具體定義如下：

空載載荷：裝備車輛正常行駛所具備條件，如加滿冷凝劑、潤滑油、隨車工具和備胎等。

設(shè)計載荷：空載載荷加3個乘員質(zhì)量，2個乘員前排，1個乘員后排，乘員按75 kg/人。

滿載載荷：車輛定義的乘坐人數(shù)加上行李箱一定的行李（根據(jù)具體車型，定義行李質(zhì)量）。

2.2 整車整備質(zhì)量及軸核分配

整備質(zhì)量對汽車的動力性、經(jīng)濟性、平順性及操縱穩(wěn)定性都有重要的影響，在布置設(shè)計時，應(yīng)給出各部件的形狀和尺寸，確定各總成質(zhì)心位置，計算出軸荷分配和質(zhì)心位置。

整車整備質(zhì)量 Mc（kg）計算[3]：

No—用估算整車整備質(zhì)量全部總成數(shù)量[3]

空載后軸荷Mcr（kg）計算：

L—軸距（mm）

空載前軸荷Mcf（kg）計算：

空載質(zhì)心高度Hg0按下式計算：

Mi—各總成質(zhì)量

Xi—各總成質(zhì)心位置(一般規(guī)定在前輪中心后為正值，在前輪中心前為負值)

Zθ0—空載狀態(tài)下的離地高度

在整車軸核計算時，以設(shè)計載荷為基準。設(shè)計載荷時，整車靜止姿態(tài)與行車姿態(tài)最為接近，并且車身地板與地面線保持平行，對后期零部件布置有參考意義，其軸荷分布參見表1。

2.3 整車坐標設(shè)計

一般在設(shè)計載荷狀態(tài)下，輪心前1 000 mm，下1 000 mm，整車縱向?qū)ΨQ面Y=0，3個點的交點為整車坐標原點,電動汽車與傳統(tǒng)汽車設(shè)定方法一致。

表1 電動車軸荷分配表[3]/%

3 前機艙通用化布置

3.1 動力總成布置方法

3.1.1 設(shè)計原則

（1）采用搭載的體積最大動力總成來做分析；

（2）從零部件的共用性和開發(fā)效率的角度考慮，在同一車型內(nèi)統(tǒng)一考慮各動力總成的搭載位置和搭載角度，上述搭載角度為傳動軸中心線與水平面之間的角度。

3.1.2 動力總成定位布置總體分析順序

（1）以差速器中心為基準點，布置動力總成；校核驅(qū)動軸角度：目標值在4°以下（設(shè)計載荷）。但乘用車驅(qū)動軸極限角度：7°可以接受。傳動軸夾角。動力總成的布置應(yīng)使左右兩個半軸與水平面的夾角盡量相等，且滿載靜時4°≤α≤7°，角度越小傳動軸噪音越小、壽命越長[4]。

（2）電機控制器在整車高度上要滿足整個冷卻回路的要求；一般要求電機控制器內(nèi)部水套的最高點要低于補償水罐液面最小刻度線；布置過程中要考慮補償水罐的布置高度是否滿足間隙要求（比如與機艙罩的間隙），在補償水罐滿足間隙要求的前提下，再確定電機控制器的布置高度。

（3）驅(qū)動電機冷卻有水冷和風冷兩種方式，主流設(shè)計為電機與減速器集成為一體，綜合考慮傳動軸夾角、懸置結(jié)構(gòu)強度和重心位置等。

（4）DC/DC和充電機冷卻方式分為水冷和風冷。風冷散熱應(yīng)優(yōu)先選擇布置在通風條件好的位置。水冷則考慮方便管路連接的布置位置。

3.1.3 校核離地間隙

確保動力總成所需最小離地間隙，考慮最小離地間隙時應(yīng)考慮底護板等。

3.1.4 確保動力總成與發(fā)罩之間所需的間隙

主要是行人保護法規(guī)的要求，要求動力總成上金屬件與機艙罩內(nèi)板之間的間隙(如表2)。

3.1.5 校核與前圍擋板距離

確保動力總成和安裝在前圍擋板上的零件的間隙等(如表 2)。

3.1.6 校核與前端冷卻模塊的間隙

詳細見表2。

3.1.7 校核與縱梁的間隙

詳細見表2。

3.1.8 總布置調(diào)整

總體布置時，需要不斷調(diào)整，找到滿足上述所有條件的位置(如表2)。

3.1.9 總布置校核運動干涉

動力總成可能的運動干涉，包括生產(chǎn)線裝配性、維修方便性（工具、拆卸空間）、可視性（驅(qū)動電機號、差速器號等）。

3.1.10 動力總成懸置布置

動力總成常采用3點、4點懸置系統(tǒng)。對于動力總成橫置的日系、韓系車多用4點式懸置系統(tǒng)，德系車多用3點懸置系統(tǒng)。

3點式懸置系統(tǒng)與車架的順從性最好，因為3點決定一個平面，不受車架變形的影響，而且固有頻率低，抗扭轉(zhuǎn)振動的效果好[6]。圖3、4是典型的3點式懸置系統(tǒng)：

圖3 動力總成縱置3點式懸置布置形式

圖4 動力總成橫置3點式懸置布置形式

4點式懸置的穩(wěn)定性好、能克服較大的轉(zhuǎn)矩反作用力，不過扭轉(zhuǎn)剛度較大，不利于隔離低頻振動[6]。4點式懸置在6缸機上的使用最為普遍。圖5、圖6是典型4點式懸置系統(tǒng)。

3.2 前機艙布置原則

印博認為電動車前機艙布置一般分為上、下兩層,上層布置維修更換頻率高的部件,如整車控制器、電機控制器、高壓電器盒、DC-DC等部件;下層布置減速器、電機及不經(jīng)常維修的部件,如真空灌、電動制動真空泵、水泵、電動空調(diào)壓縮機等部件[5]，具體詳見圖7。

圖5 動力總成橫置4點式懸置布置形式

圖6 動力總成縱置4點式懸置布置形式

圖7 電動汽車詳細布置

在布置時，與用電器部件布置在一起時，縮短部件接線口間距離，簡化管線長度和走向。電機與電機控制器布置在一起，ESP與制動器布置要相近，避免管路彎折等。

此外，通過對主流車型的對標分析，在前機艙布置時還要遵循以下原則：

運動和總裝工藝間隙：剛性連接部件最小間隙10 mm，柔性連接部件最小間隙15 mm，電機與其他部件最小間隙20 mm；線束插頭預留空間A≥B+50 mm(B接插件厚度),便于拆裝維修。

熱害間隙：風冷充電機、電機和DC-DC等部件應(yīng)保留熱害間隙大于20 mm。

碰撞安全：一般乘用車若要取得C-NCAP四星以上碰撞成績，吸能空間L=C+D≥560 mm，C為動力總成距前保險杠外延最小距離；D為動力總成距前圍板最小距離。前保險杠潰縮空間較大，建議為280 mm～300 mm[5]。

3.3 蓄電池布置要求

蓄電池安裝位置應(yīng)便于加注電解液以及拆卸其線束端子；蓄電池拆卸和更換時間應(yīng)滿足從車上將蓄電池拆下及更換的總時間不超過0.6 h要求；蓄電池頂面與水平面夾角應(yīng)≤5°；在蓄電池傾斜到水平方向與水平面成30°時，不允許有電解液溢出。

拆除蓄電池隔熱罩，蓄電池必須在托盤內(nèi)按垂直方向安裝或拆除；蓄電池水平移動方向，必須局限到蓄電池托盤內(nèi)允許的空間內(nèi)進行，在安裝蓄電池時不允許有斜線方向的移動；除蓄電池緊固裝置、隔熱罩及蓄電池線束，在安裝和拆除蓄電池時不允許移動其它零部件。

3.4 校核間隙設(shè)定

動力總成在整車布置時要考慮與周圍零部件間隙，具體數(shù)值參見表2。

表2 校核間隙列表/mm

4 乘員艙布置

純電動汽車的加速踏板和制動踏板與傳統(tǒng)車功能一致，但作用原理不同，在純電動汽車上其加速踏板和制動踏板的位移量是將電信號輸出至整車控制器來實現(xiàn)對車輛的行駛和制動。

基于在傳統(tǒng)汽車基礎(chǔ)上開發(fā)的純電動汽車，在乘員艙布置時，主要關(guān)注駐車制動操縱桿、加速踏板及人機交互系統(tǒng)的布置方法，圖8為各系統(tǒng)位置點。

圖8 乘員艙布置

4.1 駐車制動操縱桿總成與周邊件關(guān)系

LIAO提出手柄的初始位置，與水平面所成角度A，以10度為最佳，一般不超過30度；手柄前端手握處距地板中通道（或副儀表板）距離L[8]，大于或等于35 mm（圖9）。

滿足駕駛員在換擋時的方便性，一般AT車型的換擋手球距離儀表板的距離為50 mm～60 mm，MT車型距離儀表板縱向距離為40 mm～50 mm。

4.2 加速踏板機構(gòu)布置設(shè)計

在加速踏板機構(gòu)布置時，要考慮踏板行程、人機工程、踏板力、回位力、阻尼力、間隙校核等方面，從人機方面考慮，電動汽車加速踏板一般不改變原有位置，其特殊匹配要求是整車布置時重點關(guān)注點。

行程與電子信號：匹配方式分兩種：其一，根據(jù)電控系統(tǒng)的HCU（Hybrid Control Unit）參數(shù)規(guī)格，選擇合適的電子參數(shù)和行程，再根據(jù)選擇的結(jié)果尋求合適的電子油門踏板供應(yīng)商，進行匹配設(shè)計；其二，先選擇合適的油門踏板資源，根據(jù)已選踏板的電參數(shù)輸出結(jié)果，對HCU進行標定集成工作。

此外，要關(guān)注電線束插接頭布置，不可布置在距離地板過近的位置，要求電線束插接頭需布置在車身地板高200 mm的位置，防止刷車或腳部積水浸濕電線束，致使功能失效。同時腳在踩踏過程中不可以接觸線束及插接頭。

4.3 安全性

對于乘員艙布置的安全性，主要涉及車身安全、被動安全，而被動安全主要是安全帶布置、氣囊布置數(shù)量，而車身安全主要是車身結(jié)構(gòu)安全，針對電動汽車的車身結(jié)構(gòu)安全涉及多個維度，下面以Morton對特斯拉Model S的評估舉例說明[9]:

特斯拉Model S（圖10）整車主要由吸能性較好的鋁合金材料打造，其車身框架采用高強度材料加固，撞擊時能夠吸收能量，乘員艙不易變形。

整車動力電池組位于地板正下方，這為車身安全提高了如下兩點幫助：

第一，較重的動力電池組降低了整車重心，提升了整車側(cè)傾穩(wěn)定性

第二，動力電池組框架堅固,提高了車身整體強度

圖10 整車電池布置圖[9]

如上說明：電動汽車的車身安全不僅可以通過改變車身結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)車身強度增加，也可以通過動力電池布置在地板以下的形式達到車身強度增大的目的[10]。

5 動力電池包布置

純電動汽車行駛完全依賴于動力電池系統(tǒng)的能量，要通過汽車的動力需求以及各種高電壓機器配件等所需的消耗電力、時間以及使用溫度來確定電池系統(tǒng)的容量,電池系統(tǒng)容量越大，可以續(xù)航里程越長，但所需電池系統(tǒng)的體積和重量也越大[11]。

動力電池布置時，要滿足散熱要求、碰撞要求、整車通過性要求、配置要求、電池包保護要求等，一般動力電池可布置乘員艙底板及乘員艙內(nèi)（圖11）。

圖11 動力電池整車布置示意

進行動力電池布置時，首先需要確定電池包的冷卻方式，冷卻方式不同，電池包布置間隙不同。根據(jù)車身地板結(jié)構(gòu)，并考慮底盤件、電器件、內(nèi)外飾件的影響，初步給出動力電池包可布置位置和可放置空間范圍邊界[12]，同時應(yīng)考慮以下要求：

（1）選擇布置方式:地板下方或行李艙內(nèi)，根據(jù)續(xù)航里程，初步推算出容量大小，估算出動力電池包的需求空間。

（2）根據(jù)整車配置要求，是否保留備胎，其影響動力電池包布置位置選擇。

（3）最小離地間隙，影響地板下方動力電池包布置高度,滿載最小離地間隙大于110 mm。

（4）選擇動力電池包的可布置位置時，也要考慮動力電池包的保護裝置。

（5）動力電池的質(zhì)量較大，影響前后軸荷分配，進而影響輪胎負荷、制動性能、懸架系統(tǒng)以及整車姿態(tài)。

綜上所述，初步確定電池包布置位置和空間大小[12]。

6 控制系統(tǒng)布置

整車各控制器硬件應(yīng)布置在振動較小、密封性較好的位置，必須保證足夠的安裝及拆卸空間，保證有足夠的空間進行連接器插拔，保證二次安裝的方便性。

電機控制器在整車高度上要滿足整個冷卻回路的要求：一般要求電機控制器內(nèi)部水套的最高點要低于補償水罐液面最小刻度線；布置過程中要考慮補償水罐布置高度是否滿足間隙要求（比如與機艙罩的間隙），在補償水罐滿足間隙要求的前提下，再確定電機控制器的布置高度。

整車控制器產(chǎn)生熱量少，無需考慮散熱的問題；由于抗振和防水能力差，應(yīng)布置在振動較小、密封性較好的位置，例如儀表臺下和座椅下等位置[5]。VCU(Vehicle Control Unit)及其固定支架組裝在一起后，應(yīng)在500 Hz以下沒有任何共振頻率點,VCU插接端子面應(yīng)朝下方布置，保證液體能從ECU插頭處沿著線束自動流走,VCU安裝位置距離已知的電磁場及射頻干擾源不小于150 mm。

7 結(jié)論

電動汽車總布置工作是系統(tǒng)工程，要保證整車各零部件性能實現(xiàn)最大化發(fā)揮，又要保證功能安全，并且要實現(xiàn)空間的合理分配，在保證這些工作的前提是需要了解整車各零部件的性能和功能要求，同時要考慮下游的工藝裝配，也需要在工作過程中與各零部件負責部門做充分的溝通，最后才能輸出一個滿足整車性能需求最合理的布置設(shè)計方案