純電動(dòng)汽車的整車布置

張華清

（中國(guó)第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)以及改善人類生存環(huán)境的呼聲的日益增高，新能源汽車（純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車及燃料電池汽車）被越來(lái)越多的人所重視。我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)在國(guó)家政策的引導(dǎo)及推動(dòng)下，以純電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車從起步階段迅速進(jìn)入到加速階段?；陔妱?dòng)汽車當(dāng)前快速發(fā)展的形式以及廣闊的發(fā)展前景，對(duì)于純電動(dòng)汽車的研究已勢(shì)在必行。文章將從純電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件的選型及布置方面進(jìn)行闡述。

1 純電動(dòng)汽車的整體結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件及其一般位置，如圖1所示。純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)布置形式多樣、比較靈活，概括起來(lái)分為電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)3種形式。

圖1 純電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)布置

1.1 電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)形式

電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)形式共有3種。

1）直接借用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的驅(qū)動(dòng)方案，由發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)發(fā)展而來(lái)。它由電動(dòng)機(jī)、離合器、變速器和差速器組成，用電驅(qū)動(dòng)裝置替代了發(fā)動(dòng)機(jī)，通過離合器對(duì)電動(dòng)機(jī)動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行連接或動(dòng)力切斷，變速器提供不同的傳動(dòng)比以滿足轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的需求，差速器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時(shí)兩車輪以不同車速行駛。

2）由電動(dòng)機(jī)、固定速比減速器和差速器組成。在這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，利用電動(dòng)機(jī)在大范圍轉(zhuǎn)速變化中具有恒功率的特性，采用固定速比減速器，由于沒有離合器和變速器，因此可以減少機(jī)械傳動(dòng)裝置的體積和質(zhì)量。

3）與前輪驅(qū)動(dòng)、橫向前置發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油汽車的布置形式相似，它將電動(dòng)機(jī)、固定速比減速器和差速器集成為一個(gè)整體，2根半軸連接2個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪。

1.2 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)形式

電動(dòng)機(jī)電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)形式，即使用2個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)代替機(jī)械差速器，2個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)各自車輪，每個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以獨(dú)立調(diào)節(jié)與控制，實(shí)現(xiàn)電子差速控制，省掉了機(jī)械差速器。

1.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式

輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式共有2種。1）電動(dòng)機(jī)和固定速比的行星齒輪減速器安裝在車輪里面，沒有傳動(dòng)軸和差速器，從而簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)。但是這種方式需要2個(gè)或4個(gè)電動(dòng)機(jī)，其控制電路也比較復(fù)雜，這種驅(qū)動(dòng)方式在重型電動(dòng)汽車上有較廣泛的應(yīng)用。2）采用低速外轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，舍棄電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間的機(jī)械傳動(dòng)裝置，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制等價(jià)于輪速控制[1]301。

目前，大部分主機(jī)廠的純電動(dòng)車型多為利用現(xiàn)有平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展衍生，考慮到平臺(tái)車的車身結(jié)構(gòu)，一般采用電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)形式。同時(shí)，考慮到電動(dòng)機(jī)本身的轉(zhuǎn)矩及功率特性，可以取消變速器，即采用第3種電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)的布置形式，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器及減速器布置在前機(jī)艙內(nèi)并采用前輪驅(qū)動(dòng)的形式。

2 動(dòng)力系統(tǒng)的選型及布置

整車動(dòng)力系統(tǒng)的選型計(jì)算主要包括對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩功率的要求以及對(duì)減速器的要求。

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇直接影響到純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能，選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠使電機(jī)高效工作，且能夠更好地保護(hù)電機(jī)，延長(zhǎng)其使用壽命。

不同工況下，純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能要求各不相同，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型應(yīng)同時(shí)滿足額定輸出功率與峰值輸出功率的參數(shù)需求。一般由最高車速目標(biāo)來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最低額定輸出功率，由加速性能和爬坡能力來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最低輸出峰值功率。

根據(jù)最高車速目標(biāo)以及估算的整車滿載總質(zhì)量，通過式（1）即可計(jì)算出最高車速下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定輸出功率，該值應(yīng)小于所選驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率。

式中：Pe——驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率，kW；

ηT——機(jī)械效率，一般取90%；

m——汽車滿載總質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，取9.8 m/s2；

f——汽車的行駛阻力系數(shù)，可取0.008；

va——汽車車速，km/h；

CD——空氣阻力系數(shù)；

A——汽車迎風(fēng)面積，m2。

由于純電動(dòng)汽車峰值功率的大小是由加速性能和爬坡能力來(lái)決定的，可以通過式（2）計(jì)算出最大爬坡角度情況下，汽車以目標(biāo)速度行駛時(shí)，需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的最大功率。

式中：Pm1——最大爬坡角度下的電機(jī)功率，kW；

α——最大坡道角度，（°）；

μa1——最大爬坡角度下的車速，km/h。

通過式（3）計(jì)算出汽車以最大加速度行駛時(shí)，需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的最大功率。

式中：Pm2——最大加速度下的電機(jī)功率，kW；

μa2——加速度最大時(shí)車速，km/h；

δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，δ=1.05。

結(jié)合Pe通常是驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率（Pmax）的1/3的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，即可確定Pe1及Pmax應(yīng)滿足：

式中：Pe1——驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)滿足的額定功率，kW；

λ——峰值功率與額定功率的比值，λ=3；

Pmax1——驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)滿足的峰值功率，kW。

根據(jù)額定功率及峰值功率的要求，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)供應(yīng)商的產(chǎn)品類型，即可選出符合以上參數(shù)性能及空間布置要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.2 確定傳動(dòng)比

合適的傳動(dòng)比能夠減少功率的損耗，減輕電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷。

根據(jù)最高車速目標(biāo)以及估算的整車滿載總質(zhì)量，通過式（6）可計(jì)算出最高車速下的傳動(dòng)比，該值應(yīng)大于最終選擇的傳動(dòng)比。

式中：i——主減速器傳動(dòng)比。

根據(jù)爬坡度目標(biāo)值及所選驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩參數(shù)，通過式（7）和式（8）即可計(jì)算出傳動(dòng)比最小值。

式中：Ft——汽車的行駛阻力，N；

γ——車輪滾動(dòng)半徑，m；

T——驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

在以上傳動(dòng)比范圍內(nèi)即可確定一個(gè)傳動(dòng)比值。后續(xù)根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合傳動(dòng)比及電池容量選擇，可對(duì)整車性能目標(biāo)進(jìn)行比對(duì)計(jì)算驗(yàn)證。

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的布置

參考第3種電動(dòng)機(jī)中央驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)布置形式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)控制器帶減速器總成布置在前機(jī)艙中，通過懸置固定在車身上。當(dāng)然，為提高駕駛性及動(dòng)力性，部分車型會(huì)采用雙電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)布置，即后軸采用同樣的布置形式布置驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)后軸，但此種布置形式可能會(huì)壓縮電池的布置空間，且會(huì)增加后懸架的設(shè)計(jì)難度。而且應(yīng)注意，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，布置時(shí)需考慮驅(qū)動(dòng)軸初始工作角度，應(yīng)盡量小以保證驅(qū)動(dòng)軸不被扭斷。

3 動(dòng)力電池的選型及布置

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車上的核心部件，也是純電動(dòng)汽車唯一的能源提供者，它決定了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程和輸出動(dòng)力大小這2個(gè)重要參數(shù)[2]。

3.1 動(dòng)力電池的選型

動(dòng)力電池的選型計(jì)算需要結(jié)合選定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓來(lái)確認(rèn)串聯(lián)電池?cái)?shù)量，結(jié)合工況續(xù)駛里程性能要求下的消耗能量來(lái)確定電池組的并聯(lián)電池?cái)?shù)量，從而確定電池容量。

動(dòng)力電池布置既要滿足空間、能量密度、功率密度以及碰撞安全方面的要求，同時(shí)還要注意防水防塵。目前世界范圍內(nèi)的動(dòng)力電池能量密度較低。以三元鋰電池為例，其單體能量密度基本處于180 W·h/kg的水平，而系統(tǒng)的能量密度基本上都低于110 W·h/kg，這就決定了要達(dá)到相應(yīng)的續(xù)駛里程，需要龐大的電池系統(tǒng)[3]。

綜合各種類型電池的安全穩(wěn)定性、能量密度及循環(huán)壽命，并參考成本及目前市場(chǎng)上的主流車型搭載情況，三元鋰電池以其突出的能量密度受到市場(chǎng)的青睞。

3.2 動(dòng)力電池的布置

目前，動(dòng)力電池在整車的布置位置主要有：行李艙、座椅下、前機(jī)艙+行李艙、地板下。圖2示出動(dòng)力電池在地板下的布置圖。

圖2 動(dòng)力電池在地板下的布置圖

如圖2所示，這種布置能使前后軸荷分配更合理，提高碰撞時(shí)車身對(duì)電池的保護(hù)，而且電池整塊布置能顯著提高電池的能量密度，并便于拆卸及更換；但布置在地板下的動(dòng)力電池應(yīng)高于整車的最小離地間隙，所以具體位置或結(jié)構(gòu)需根據(jù)人機(jī)布置、車身結(jié)構(gòu)、空間及整車的碰撞安全性、通過性、操縱穩(wěn)定性等性能要求進(jìn)行布置，即最小離地間隙及人機(jī)布置限制其Z向尺寸，碰撞安全性限制其Y向尺寸，后懸架結(jié)構(gòu)等限制其X向尺寸。

4 前機(jī)艙其他零部件的布置

在純電動(dòng)汽車的布置過程中，由于前機(jī)艙去掉了發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器等，空出了大量的空間。而目前電動(dòng)機(jī)及電機(jī)控制器等都在趨近模塊化以便于提高工作效率，再加上減速器，這就需要一個(gè)充足的布置空間。另外，前置動(dòng)力前驅(qū)依然是有效的驅(qū)動(dòng)形式，因此目前大部分純電動(dòng)車型依然將一些關(guān)鍵零部件，如：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、減速器、電動(dòng)真空泵、空調(diào)壓縮機(jī)、冷凝器、車載充電機(jī)、配電盒及DCDC等布置在前機(jī)艙。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，如整車軸荷、制動(dòng)性能、熱量管理以及對(duì)電子電器元件的電磁干擾影響。各部件的距離，特別是高壓電的電磁防護(hù)、運(yùn)動(dòng)干涉、碰撞安全及高壓安全等對(duì)前機(jī)艙的總布置工作提出了非常苛刻的要求，因此零部件的布置主要依據(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)行隔離或者布置出安全距離；4）依據(jù)制造、安裝及維修的相關(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)中對(duì)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[1]303。

5 結(jié)論

純電動(dòng)汽車的總布置設(shè)計(jì)工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要協(xié)調(diào)車身、動(dòng)力系統(tǒng)、電池、內(nèi)外飾及造型等相關(guān)部門同時(shí)進(jìn)行?？偛贾迷O(shè)計(jì)工作的開展需建立在對(duì)純電動(dòng)汽車的整車性能、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池及高壓安全等相關(guān)知識(shí)相當(dāng)熟悉的基礎(chǔ)上，總布置工程師需對(duì)純電動(dòng)汽車布置進(jìn)行深入的研究。