【技研】纯电动乘用车总布置设计研究

由于跟传统汽车区别较大, 纯电动乘用车在结构方面需要较大变化的设计和布置才能满足一定的性能需求。本文将从纯电动乘用车几个关键部件及系统的总布置方面进行论述, 同时结合项目实际过程中的一些问题进行阐述。

1  纯电动乘用车整体结构

图 1所示为纯电动乘用车的关键部件位置。纯电动乘用车主要由电池 ESS系统总成、驱动电机及减速箱总成、电机控制器、充电器、充电口及其他相关附属部件组成。

在实际设计的过程中, 兼顾空间和轴荷匹配、高压安全等方面考虑, 关键部件的布置显得特别重要。一方面, 这些部件大部分工作在高压状态,如果布置在很容易变形或者磕碰的地方, 那么可能会造成系统的漏电, 对人员安全造成极大威胁;另一方面, 这些部件普遍重量较大, 如果不进行整车特别是底盘的动力、操控性能的全面分析, 部件重量分布不合理, 对整车的性能和安全同样会留有很大的隐患。

因此, 根据对底盘和整车性能的分析, 以及对高压安全等角度的考虑, 对纯电动乘用车的关键部件进行了多轮的验证性布置, 逐渐趋于图 1所示位置。

整车采用前置动力前驱的方式, 电机及减速箱、电机控制器布置在前舱内, 有利于提高驱动效率; 电池布置于底板下面, 有利于平衡前后轴荷,提高操控性能, 同时, 利于电池的安装, 为以后电池快换技术留有可研究的余地; 充电器放在后部,在防水和防尘方面具有很大的优势。充电口放在原加油口位置, 有利于减少车身的变化量, 提高与传统车的兼容效率。

2 整车动力系统选型计算及布置

2. 1  整车动力性能计算

本车定位为 A00级车型, 相关参数需求见表 1。

2. 2 电机选用及相关传动形式定型

目前, 电动乘用车驱动电机主流有两种形式的驱动电机: 永磁同步交流电机和永磁异步交流电机。

电机是电动汽车最为核心的零部件之一, 根据电动汽车的需求, 对驱动电机有以下要求: 结构紧凑、尺寸小, 重量轻, 可靠性高、失效模式可控,效率高, 成本低, 低噪声、低震动, 恒功率调速范围宽。

受电流以及电压的限制, 以及根据以上要求和计算的结果, 选用永磁同步交流电机。并通过设计特殊的水冷系统和匹配相应的电力电子系统尽量满足电动乘用车对驱动电机的要求。在同样功率输出的情况下, 匹配合理的减速机, 有利于提高输出扭矩, 增强电动汽车的加速性能和优化传动效率, 根据计算匹配, 本车专门设计了一个单级减速器, 实现上述功能; 同时, 由于区别于传统的内燃机, 电动机无法实现辅助制动的功能, 减速器还设计了驻车锁止机构以及倒车机构。

3  前舱关键零部件的布置设计

在传统汽油机车上, 前舱是核心部件的集成地, 发动机、变速器等关键零部件基本都布置在前舱里面。同样, 电动汽车也把一定的关键部件放在了前舱, 主要有: 电机控制器、电机、减速器、电动真空泵、电动空调等, 主要是因为以下几个方面的原因。

( 1)电动汽车专用零部件比较多, 整车内其它位置基本已经没有空间, 而前舱去掉了发动机、变速器等相关零部件后, 空出了一定的空间。

( 2)对于电动乘用车来说, 前置动力前驱依然是比较有效的驱动形式, 因此目前大部分车型均将驱动电机布置在前舱内。

( 3)电机控制器、电机等都是大体积零部件,并且集成在一起更有利于整体的工作效率, 加上减速器, 需要一个更有效的布置方式, 因此, 基本选择在前舱。

当然, 在实际的项目设计过程中, 由于 A00级纯电动乘用车前舱空间有限, 同时, 因零部件多、高压走线等方面的原因, 布置起来非常困难, 需要进行多轮协调和相关零部件不断改进。目前由于国内的技术水平原因, 驱动电机以及电力电子箱普遍在重量和体积方面要比国外 (欧美等国家)超标很多, 而且接口技术不成熟, 造成空间需求过大, 同时, 电动汽车额外增加了电动真空泵、电动空调压缩机、高压电器盒等部件, 这些部件基本都布置在前舱, 对空间需求提出了很大的挑战, 如何做好前舱的布置工作十分关键。这些零部件的布置, 不仅关系到各个部件功能的实现, 同时也关系到整车性能, 比如, 对整车轴荷的影响、转向性能的影响、制动性能的影响、电子电器元件的电磁干扰影响。各部件的距离, 对高压电的电磁防护、运动干涉、碰撞安全、高压安全等都对前舱的总布置工作提出了非常苛刻的要求。

根据本项目的实际布置经验, 主要依据以下原则进行:

( 1)重要零部件按等级划分、按照重要程度进行优先布置;

( 2)按照占据空间的程度进行;

( 3)对有高压电磁干扰要求的零部件进行隔离或者布置在安全距离;

( 4)依据制造、安装、维修的相关要求;

( 5)依据碰撞的要求;

( 6)相关零部件集成的可行性分析;

( 7)国家法规中行人保护的要求;

( 8)避开运动件的要求;

( 9)机械振动的要求。

4  动力电池系统的布置

动力电池是电动汽车上最核心的部件, 动力电池是纯电动汽车唯一的能源提供者, 它决定了电动汽车的续驶里程、输出动力最为关键的两个参数。

由于目前世界范围内动力电池技术不成熟,能量密度较低, 以磷酸铁锂电池为例, 以纳米科技制作的单体, 能量密度基本处于 120~ 140Wh/kg的水 平, 而 系 统 的 能 量 密 度 基 本 上 都 低 于90Wh/kg, 整个能量密度仅相当于传统化石燃料的几十分之一, 这就决定了要达到相应续驶里程,需要庞大的电池系统。

基于以上原因, 再加上布置对象为 A00级乘用车, 空间有限, 还需要搭载接近 300 kg的电池系统, 对总布置提出了非常苛刻的要求。根据总结, 动力电池系统对整车布置具有以下要求:

( 1) 需要 250 L左右比较齐整的空间;

( 2) 具有承载 300 kg左右的车身结构;

( 3) 具有防护一定碰撞的要求;

( 4) 具有密封等级的要求;

( 5) 具有一定隔热和散热性能的要求。

以上要求对整车的布置影响很大, 由于 A00级小车离地间隙小, 整车宽度较小, 前发动机舱以及行李舱容积很小。

目前对于动力电池的主流布置位置主要有:在行李舱、前后座椅底下、前舱以及行李舱、地板下面。以上 4种布置各有其优劣, 对比见表 2。

根据上表分析, 综合各种因素, 以及目前世界上比较先进的纯电动乘用车基本也布置在地板,第 4种布置方案是比较有优势的, 因此, 本车选用了布置在地板下面的方案。

但是, 对于 A00级车来说, 大多数采用的是非独立悬架, 进一步减少和限制了电池的布置空间,加剧了动力电池的布置难度, 如图 2。

此种非独立悬架摆臂较长, 在纵向空间上占比较大的位置, 同时, 有一根较粗的贯通轴连接两端轮毂, 悬架运动的时候很容易跟动力电池系统干涉, 因此, 此种悬架方式对于电池的布置不利,需要对电池系统进行比较大的形状改进, 以便于能安装以及规避与悬架的运动干涉, 如图 3所示。

综上所述, 动力电池布置既要满足能量密度的要求, 同时也要满足空间的要求, 综合考虑分析碰撞安全, 运动件干涉等方面, 才能减少对整车性能的影响, 提高系统的协调性。

5  车载充电器、快慢充电口的布置

动力电池是纯电动汽车的唯一能源提供者,因此, 在一段时间的使用后, 需要进行充电以补充能量。根据我国的实际情况, 晚间谷电比较便宜,同时在家里就能充电, 所以需要一个车载充电器和慢充接口, 用于家庭充电用。

由于目前的纯电动汽车续驶里程普遍比较低, 如需要进行长途旅行或者由于驾驶者忘记充电而造成电池电量不足, 又不能返回家中进行充电, 这时就需要进行快速充电, 以能继续旅程。根据调查和现有的技术, 目前消费者能接受的充电时间普遍低于 20m in。而由于电池的技术尚没有大的突破, 80%的充电量依然需要 30m in的时间。

纯电动车在充电上还面临一个非常大的障碍, 那就是各个企业、国家的接口不一样, 欧洲、日本的接口有 5PIN、7PIN, 国内的标准也没有统一,同时, 快充接口的通讯协议也没有统一的标准, 这在一定程度上阻碍了整个纯电动车行业的发展。

由于没有统一的标准, 在车上的布置就比较困难, 本项目先按照与国家电网等相关合作企业的约定进行设计和布置。

充电器由于体积比较大, 而且有一定发热量,对空间需求较大, 同时需要进行强制冷却, 因此可以考虑布置在行李舱或者前舱。如果布置在前舱的话, 可以借助前舱风扇自然冷却; 如果布置在行李舱, 那么就需要设计专用的排风管道, 用于充电器的强行制冷。

充电口的布置形式也比较多, 目前主流的布置主要有以下几种:

( 1)快慢充电口均布置在原来的加油口位置;

( 2)快慢充电口分开布置在加油口位置, 车身一边一个;

( 3)布置在前舱盖前端位置。考虑其他关键零部件的空间布置, 同时综合人机工程、高压走线等方面的因素, 本项目布置在原来加油口位置, 并分开布置, 即第二种布置方式。