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純電動(dòng)乘用車總布置設(shè)計(jì)研究

2019-09-14 20:02:30·  來源：汽車技研  
　
隨著以石油為代表的不可再生礦物能源的逐漸消耗, 能源危機(jī)、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展成了擺在人們面前亟待解決的問題。在占世界能源消耗大約1/3的汽車方面, 世界范圍內(nèi),
隨著以石油為代表的不可再生礦物能源的逐漸消耗, 能源危機(jī)、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展成了擺在人們面前亟待解決的問題。在占世界能源消耗大約1/3的汽車方面, 世界范圍內(nèi), 以美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家為首, 世界上大部分有實(shí)力的國(guó)家都投入巨資進(jìn)行電動(dòng)汽車的研發(fā), 日本三菱的 i?m iev及日產(chǎn)的 leaf等純電動(dòng)乘用車將于近一兩年內(nèi)逐步上市。純電動(dòng)汽車以其環(huán)保、高效和可持續(xù)發(fā)展的巨大優(yōu)勢(shì)吸引著人們的目光。
 
由于跟傳統(tǒng)汽車區(qū)別較大, 純電動(dòng)乘用車在結(jié)構(gòu)方面需要較大變化的設(shè)計(jì)和布置才能滿足一定的性能需求。本文將從純電動(dòng)乘用車幾個(gè)關(guān)鍵部件及系統(tǒng)的總布置方面進(jìn)行論述, 同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際過程中的一些問題進(jìn)行闡述。
1 純電動(dòng)乘用車整體結(jié)構(gòu)
圖 1所示為純電動(dòng)乘用車的關(guān)鍵部件位置。純電動(dòng)乘用車主要由電池 ESS系統(tǒng)總成、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速箱總成、電機(jī)控制器、充電器、充電口及其他相關(guān)附屬部件組成。
在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中, 兼顧空間和軸荷匹配、高壓安全等方面考慮, 關(guān)鍵部件的布置顯得特別重要。一方面, 這些部件大部分工作在高壓狀態(tài),如果布置在很容易變形或者磕碰的地方, 那么可能會(huì)造成系統(tǒng)的漏電, 對(duì)人員安全造成極大威脅;另一方面, 這些部件普遍重量較大, 如果不進(jìn)行整車特別是底盤的動(dòng)力、操控性能的全面分析, 部件重量分布不合理, 對(duì)整車的性能和安全同樣會(huì)留有很大的隱患。
 
因此, 根據(jù)對(duì)底盤和整車性能的分析, 以及對(duì)高壓安全等角度的考慮, 對(duì)純電動(dòng)乘用車的關(guān)鍵部件進(jìn)行了多輪的驗(yàn)證性布置, 逐漸趨于圖 1所示位置。
整車采用前置動(dòng)力前驅(qū)的方式, 電機(jī)及減速箱、電機(jī)控制器布置在前艙內(nèi), 有利于提高驅(qū)動(dòng)效率; 電池布置于底板下面, 有利于平衡前后軸荷,提高操控性能, 同時(shí), 利于電池的安裝, 為以后電池快換技術(shù)留有可研究的余地; 充電器放在后部,在防水和防塵方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。充電口放在原加油口位置, 有利于減少車身的變化量, 提高與傳統(tǒng)車的兼容效率。
 
2 整車動(dòng)力系統(tǒng)選型計(jì)算及布置
2. 1 整車動(dòng)力性能計(jì)算
本車定位為 A00級(jí)車型, 相關(guān)參數(shù)需求見表 1。
2. 2 電機(jī)選用及相關(guān)傳動(dòng)形式定型
 
目前, 電動(dòng)乘用車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主流有兩種形式的驅(qū)動(dòng)電機(jī): 永磁同步交流電機(jī)和永磁異步交流電機(jī)。
 
電機(jī)是電動(dòng)汽車最為核心的零部件之一, 根據(jù)電動(dòng)汽車的需求, 對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)有以下要求: 結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小, 重量輕, 可靠性高、失效模式可控,效率高, 成本低, 低噪聲、低震動(dòng), 恒功率調(diào)速范圍寬。
 
受電流以及電壓的限制, 以及根據(jù)以上要求和計(jì)算的結(jié)果, 選用永磁同步交流電機(jī)。并通過設(shè)計(jì)特殊的水冷系統(tǒng)和匹配相應(yīng)的電力電子系統(tǒng)盡量滿足電動(dòng)乘用車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求。在同樣功率輸出的情況下, 匹配合理的減速機(jī), 有利于提高輸出扭矩, 增強(qiáng)電動(dòng)汽車的加速性能和優(yōu)化傳動(dòng)效率, 根據(jù)計(jì)算匹配, 本車專門設(shè)計(jì)了一個(gè)單級(jí)減速器, 實(shí)現(xiàn)上述功能; 同時(shí), 由于區(qū)別于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī), 電動(dòng)機(jī)無法實(shí)現(xiàn)輔助制動(dòng)的功能, 減速器還設(shè)計(jì)了駐車鎖止機(jī)構(gòu)以及倒車機(jī)構(gòu)。

3 前艙關(guān)鍵零部件的布置設(shè)計(jì)
 
在傳統(tǒng)汽油機(jī)車上, 前艙是核心部件的集成地, 發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等關(guān)鍵零部件基本都布置在前艙里面。同樣, 電動(dòng)汽車也把一定的關(guān)鍵部件放在了前艙, 主要有: 電機(jī)控制器、電機(jī)、減速器、電動(dòng)真空泵、電動(dòng)空調(diào)等, 主要是因?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面的原因。
 
( 1)電動(dòng)汽車專用零部件比較多, 整車內(nèi)其它位置基本已經(jīng)沒有空間, 而前艙去掉了發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等相關(guān)零部件后, 空出了一定的空間。
 
( 2)對(duì)于電動(dòng)乘用車來說, 前置動(dòng)力前驅(qū)依然是比較有效的驅(qū)動(dòng)形式, 因此目前大部分車型均將驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在前艙內(nèi)。
 
( 3)電機(jī)控制器、電機(jī)等都是大體積零部件,并且集成在一起更有利于整體的工作效率, 加上減速器, 需要一個(gè)更有效的布置方式, 因此, 基本選擇在前艙。
當(dāng)然, 在實(shí)際的項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中, 由于 A00級(jí)純電動(dòng)乘用車前艙空間有限, 同時(shí), 因零部件多、高壓走線等方面的原因, 布置起來非常困難, 需要進(jìn)行多輪協(xié)調(diào)和相關(guān)零部件不斷改進(jìn)。目前由于國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平原因, 驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電力電子箱普遍在重量和體積方面要比國(guó)外 (歐美等國(guó)家)超標(biāo)很多, 而且接口技術(shù)不成熟, 造成空間需求過大, 同時(shí), 電動(dòng)汽車額外增加了電動(dòng)真空泵、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)、高壓電器盒等部件, 這些部件基本都布置在前艙, 對(duì)空間需求提出了很大的挑戰(zhàn), 如何做好前艙的布置工作十分關(guān)鍵。這些零部件的布置, 不僅關(guān)系到各個(gè)部件功能的實(shí)現(xiàn), 同時(shí)也關(guān)系到整車性能, 比如, 對(duì)整車軸荷的影響、轉(zhuǎn)向性能的影響、制動(dòng)性能的影響、電子電器元件的電磁干擾影響。各部件的距離, 對(duì)高壓電的電磁防護(hù)、運(yùn)動(dòng)干涉、碰撞安全、高壓安全等都對(duì)前艙的總布置工作提出了非常苛刻的要求。
 
根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際布置經(jīng)驗(yàn), 主要依據(jù)以下原則進(jìn)行:
 
( 1)重要零部件按等級(jí)劃分、按照重要程度進(jìn)行優(yōu)先布置;
( 2)按照占據(jù)空間的程度進(jìn)行;
( 3)對(duì)有高壓電磁干擾要求的零部件進(jìn)行隔離或者布置在安全距離;
( 4)依據(jù)制造、安裝、維修的相關(guān)要求;
( 5)依據(jù)碰撞的要求;
( 6)相關(guān)零部件集成的可行性分析;
( 7)國(guó)家法規(guī)中行人保護(hù)的要求;
( 8)避開運(yùn)動(dòng)件的要求;
( 9)機(jī)械振動(dòng)的要求。
 
4 動(dòng)力電池系統(tǒng)的布置
 
動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車上最核心的部件, 動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車唯一的能源提供者, 它決定了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程、輸出動(dòng)力最為關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)。
由于目前世界范圍內(nèi)動(dòng)力電池技術(shù)不成熟,能量密度較低, 以磷酸鐵鋰電池為例, 以納米科技制作的單體, 能量密度基本處于 120~ 140Wh/kg的水 平, 而 系 統(tǒng) 的 能 量 密 度 基 本 上 都 低 于90Wh/kg, 整個(gè)能量密度僅相當(dāng)于傳統(tǒng)化石燃料的幾十分之一, 這就決定了要達(dá)到相應(yīng)續(xù)駛里程,需要龐大的電池系統(tǒng)。
基于以上原因, 再加上布置對(duì)象為 A00級(jí)乘用車, 空間有限, 還需要搭載接近 300 kg的電池系統(tǒng), 對(duì)總布置提出了非?？量痰囊蟆８鶕?jù)總結(jié), 動(dòng)力電池系統(tǒng)對(duì)整車布置具有以下要求:
( 1) 需要 250 L左右比較齊整的空間;
( 2) 具有承載 300 kg左右的車身結(jié)構(gòu);
( 3) 具有防護(hù)一定碰撞的要求;
( 4) 具有密封等級(jí)的要求;
( 5) 具有一定隔熱和散熱性能的要求。
 
以上要求對(duì)整車的布置影響很大, 由于 A00級(jí)小車離地間隙小, 整車寬度較小, 前發(fā)動(dòng)機(jī)艙以及行李艙容積很小。
目前對(duì)于動(dòng)力電池的主流布置位置主要有:在行李艙、前后座椅底下、前艙以及行李艙、地板下面。以上 4種布置各有其優(yōu)劣, 對(duì)比見表 2。
根據(jù)上表分析, 綜合各種因素, 以及目前世界上比較先進(jìn)的純電動(dòng)乘用車基本也布置在地板,第 4種布置方案是比較有優(yōu)勢(shì)的, 因此, 本車選用了布置在地板下面的方案。
 
但是, 對(duì)于 A00級(jí)車來說, 大多數(shù)采用的是非獨(dú)立懸架, 進(jìn)一步減少和限制了電池的布置空間,加劇了動(dòng)力電池的布置難度, 如圖 2。
 
此種非獨(dú)立懸架擺臂較長(zhǎng), 在縱向空間上占比較大的位置, 同時(shí), 有一根較粗的貫通軸連接兩端輪轂, 懸架運(yùn)動(dòng)的時(shí)候很容易跟動(dòng)力電池系統(tǒng)干涉, 因此, 此種懸架方式對(duì)于電池的布置不利,需要對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行比較大的形狀改進(jìn), 以便于能安裝以及規(guī)避與懸架的運(yùn)動(dòng)干涉, 如圖 3所示。
綜上所述, 動(dòng)力電池布置既要滿足能量密度的要求, 同時(shí)也要滿足空間的要求, 綜合考慮分析碰撞安全, 運(yùn)動(dòng)件干涉等方面, 才能減少對(duì)整車性能的影響, 提高系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。
 
5 車載充電器、快慢充電口的布置
 
動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車的唯一能源提供者,因此, 在一段時(shí)間的使用后, 需要進(jìn)行充電以補(bǔ)充能量。根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況, 晚間谷電比較便宜,同時(shí)在家里就能充電, 所以需要一個(gè)車載充電器和慢充接口, 用于家庭充電用。
 
由于目前的純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程普遍比較低, 如需要進(jìn)行長(zhǎng)途旅行或者由于駕駛者忘記充電而造成電池電量不足, 又不能返回家中進(jìn)行充電, 這時(shí)就需要進(jìn)行快速充電, 以能繼續(xù)旅程。根據(jù)調(diào)查和現(xiàn)有的技術(shù), 目前消費(fèi)者能接受的充電時(shí)間普遍低于 20m in。而由于電池的技術(shù)尚沒有大的突破, 80%的充電量依然需要 30m in的時(shí)間。
 
純電動(dòng)車在充電上還面臨一個(gè)非常大的障礙, 那就是各個(gè)企業(yè)、國(guó)家的接口不一樣, 歐洲、日本的接口有 5PIN、7PIN, 國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)也沒有統(tǒng)一,同時(shí), 快充接口的通訊協(xié)議也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 這在一定程度上阻礙了整個(gè)純電動(dòng)車行業(yè)的發(fā)展。
 
由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 在車上的布置就比較困難, 本項(xiàng)目先按照與國(guó)家電網(wǎng)等相關(guān)合作企業(yè)的約定進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置。
 
充電器由于體積比較大, 而且有一定發(fā)熱量,對(duì)空間需求較大, 同時(shí)需要進(jìn)行強(qiáng)制冷卻, 因此可以考慮布置在行李艙或者前艙。如果布置在前艙的話, 可以借助前艙風(fēng)扇自然冷卻; 如果布置在行李艙, 那么就需要設(shè)計(jì)專用的排風(fēng)管道, 用于充電器的強(qiáng)行制冷。
 
充電口的布置形式也比較多, 目前主流的布置主要有以下幾種:
( 1)快慢充電口均布置在原來的加油口位置;
( 2)快慢充電口分開布置在加油口位置, 車身一邊一個(gè);
( 3)布置在前艙蓋前端位置?？紤]其他關(guān)鍵零部件的空間布置, 同時(shí)綜合人機(jī)工程、高壓走線等方面的因素, 本項(xiàng)目布置在原來加油口位置, 并分開布置, 即第二種布置方式。 
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