純電動(dòng)前置前驅(qū)轎車(chē)機(jī)艙關(guān)鍵部件布置研究

石強(qiáng) 張尚明 張顯波 何忠青 李大鵬 霍云龍

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司 新能源開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春130013）

主題詞：純電動(dòng)汽車(chē) 前置前驅(qū)轎車(chē) 機(jī)艙布置 電驅(qū)總成 高壓部件

1 前言

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人民生活水平顯著提升，私家車(chē)幾乎成了家庭必備的交通出行工具。截至2018年底，全國(guó)汽車(chē)保有量達(dá)2.4億輛，比2017年增加2 285萬(wàn)輛，增長(zhǎng)幅度達(dá)10.51%[1]。燃油汽車(chē)的迅猛發(fā)展，導(dǎo)致我國(guó)對(duì)石油資源的需求日益增加。2018年中國(guó)原油進(jìn)口量遠(yuǎn)超美國(guó)，成為全球最大的原油進(jìn)口國(guó)，中國(guó)原油對(duì)外依存度也增至70.9%[2]。

為了緩解能源壓力，國(guó)家大力推行新能源汽車(chē)研發(fā)及使用。純電動(dòng)轎車(chē)由于具有完全依靠電能驅(qū)動(dòng)、污染物“零”排放、噪音低等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已被各汽車(chē)企業(yè)深入研究、推廣，并有取代傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的趨勢(shì)[3]。

純電動(dòng)前置前驅(qū)轎車(chē)在電動(dòng)汽車(chē)中使用最為廣泛，機(jī)艙布置相對(duì)純電動(dòng)后驅(qū)轎車(chē)也更為復(fù)雜，需遵循以下5點(diǎn)基本原則：

（1）“先主后次”、“先大后小”原則，優(yōu)先

布置關(guān)鍵部件及體積相對(duì)大一些的部件；

（2）機(jī)艙符合整車(chē)碰撞安全要求；

（3）各部件符合機(jī)艙布置間隙要求；

（4）考慮涉水、NVH等試驗(yàn)要求[4]；

（5）滿(mǎn)足美觀(guān)及裝配、維修方便性要求。

本文對(duì)純電動(dòng)前置前驅(qū)轎車(chē)機(jī)艙關(guān)鍵部件布置設(shè)計(jì)及相關(guān)要求進(jìn)行闡述。

2 純電動(dòng)前置前驅(qū)轎車(chē)機(jī)艙部件構(gòu)成

純電動(dòng)前置前驅(qū)轎車(chē)機(jī)艙包括車(chē)輛的動(dòng)力系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、剎車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。在純電動(dòng)轎車(chē)機(jī)艙布置時(shí)，首先以差速器中心為基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)布置動(dòng)力總成，進(jìn)而確定電驅(qū)總成在機(jī)艙中的位置。其它部件根據(jù)電驅(qū)總成定位進(jìn)行適應(yīng)性布置，各部件根據(jù)位置需要可進(jìn)行相互調(diào)整，從而滿(mǎn)足達(dá)到最優(yōu)布置。圖1是某純電動(dòng)前置前驅(qū)轎車(chē)典型機(jī)艙布置。

圖1 某純電動(dòng)前置前驅(qū)轎車(chē)機(jī)艙布置

①風(fēng)窗洗滌液罐；②ESP；③電機(jī)冷卻水泵；④高壓配電盒；⑤前端冷卻模塊；⑥制動(dòng)真空罐；⑦空調(diào)壓縮機(jī)；⑧膨脹水箱；⑨電池冷卻水泵；⑩Chiller；?熱交換器；?空調(diào)水泵；?EPS；?電子三通閥；?充電機(jī)、DC-DC二合一；?電驅(qū)系統(tǒng)；?真空助力器；?水暖PTC；?12V蓄電池；?低壓配電盒

3 純電動(dòng)前置前驅(qū)轎車(chē)機(jī)艙布置方案

由于純電動(dòng)前置前驅(qū)轎車(chē)機(jī)艙需要布置的部件較多且布置空間有限，因此，常采用分層布置方法來(lái)充分利用有限的空間[5]?？梢圆捎迷趦蓚?cè)縱梁之間布置一個(gè)橫梁支架，作為分層支架，上層用來(lái)固定充電機(jī)、高壓配電盒等部件；也可以借助電驅(qū)動(dòng)總成出支架固定點(diǎn)來(lái)固定充電機(jī)、水泵、PTC、高壓配電盒等部件。支架下層空間用來(lái)布置壓縮機(jī)、電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器、真空泵等部件，如圖2所示。

圖2 機(jī)艙分層布置方案（車(chē)頭方向視圖）

在純電動(dòng)轎車(chē)部件中，盡量采用集成方案。這樣不僅可以大大降低開(kāi)發(fā)成本、節(jié)省布置空間，還有利于車(chē)輛平臺(tái)化發(fā)展[6]。例如：DC-DC、充電機(jī)二合一集成方法（圖3）；電機(jī)、電機(jī)控制器和逆變器、減速器三合一的集成方法（圖4）；集成充電機(jī)、DC-DC、高壓配電盒、BMS的特斯拉功率轉(zhuǎn)換組件等方案（圖5）。

圖3 充電機(jī)、DC-DC二合一集成

圖4 電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器及逆變器集成

圖5 特斯拉功率轉(zhuǎn)換組件[7]

4 機(jī)艙關(guān)鍵部件布置分析

4.1 電驅(qū)總成布置分析

純電動(dòng)轎車(chē)常采用電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器和逆變器三合一的電驅(qū)動(dòng)總成。對(duì)于電驅(qū)總成布置約束，主要體現(xiàn)為“2個(gè)角度”和“8大間隙”。

4.1.1 “2個(gè)角度”主要包括“驅(qū)動(dòng)軸夾角”和“減速器傾角”。

（1）“驅(qū)動(dòng)軸夾角”是指驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)外節(jié)心連線(xiàn)和減速器輸出軸中心線(xiàn)的夾角（圖6）。從理論上講，驅(qū)動(dòng)軸夾角（θ）越小，萬(wàn)向節(jié)軸向力和徑向力越小，傳動(dòng)時(shí)振動(dòng)越小，傳動(dòng)軸壽命越長(zhǎng)[8]。經(jīng)驗(yàn)要求驅(qū)動(dòng)軸極限夾角小于7°，一般控制在5°以?xún)?nèi)。

圖6 驅(qū)動(dòng)軸夾角示意

（2）“減速器傾角”是指通過(guò)電機(jī)輸出軸線(xiàn)與減速器輸出軸線(xiàn)的平面與水平面的夾角。為了保證減速器內(nèi)部潤(rùn)滑狀態(tài)，結(jié)合減速器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，不同的減速器廠(chǎng)家對(duì)減速器傾角（α）的要求不同，一般在0～30°之間。

圖7 減速器傾角示意

4.1.2 “8大間隙”

“8大間隙”是指電驅(qū)動(dòng)總成布置時(shí)，為了防止出現(xiàn)干涉、振動(dòng)、噪音、撞擊等缺陷，在X+、Y+、Z+、X-、Y-、Z-6個(gè)自由度方向上與其它部件的合理間隙要求。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)純電動(dòng)前置前驅(qū)轎車(chē)電驅(qū)總成合理間隙要求如表1所示。其中“總成距發(fā)罩外板距離要求”為電驅(qū)總成上剛性連接的部件最高點(diǎn)與發(fā)罩外板的距離。

表1 電驅(qū)總成布置間隙要求

4.1.3 電驅(qū)總成“Y方向”位置

電驅(qū)總成的Y方向位置主要受機(jī)艙左右縱梁約束。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)半軸有“兩軸”、“三段軸”方案。在電驅(qū)總成布置時(shí)盡量考慮使用“三段軸”方案（圖8），從而保證左右半軸等長(zhǎng)、兩側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平衡，防止車(chē)輛發(fā)生“跑偏”。

圖8 “三段軸”式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4.2 高壓部件布置分析

4.2.1 整體布置方案

純電動(dòng)轎車(chē)高壓部件較多，前置前驅(qū)電動(dòng)車(chē)輛目前基本都采用將高壓部件布置在前機(jī)艙的方案。高壓電氣部件典型工作原理如圖9所示，高壓配電盒作為高壓電氣件的供電中樞，與較多高壓電氣件相連。因此，高壓部件和高壓線(xiàn)束的布置，在機(jī)艙布置中尤為重要，直接影響高壓安全和機(jī)艙美觀(guān)程度[5]。

圖9 高壓電氣原理

對(duì)于高壓部件盡量采用集中布置方法（圖10），這樣既可以節(jié)省布置空間、降低布置難度，又可以縮短高壓線(xiàn)長(zhǎng)度，從而在一定程度上降低了開(kāi)發(fā)成本，減少高壓線(xiàn)壓降對(duì)電機(jī)性能的影響。同時(shí)，考慮到高壓安全方面，高壓部件布置位置應(yīng)盡量避開(kāi)車(chē)輛碰撞潰縮嚴(yán)重區(qū)域，同時(shí)避免高壓線(xiàn)束出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。在布置空間允許的前提下，高壓接頭插接方向盡量選擇Y方向。

4.2.2 電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)布置分析

圖10 高壓部件集中布置方案

（1）電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)在工作時(shí)振動(dòng)較大，為了減少振動(dòng)對(duì)整車(chē)舒適性的影響，通常將電動(dòng)壓縮機(jī)固定到電驅(qū)總成上，或者通過(guò)壓縮機(jī)支架固定到電驅(qū)總成上，這樣可以通過(guò)總成懸置起到有效避震作用。

（2）為保證電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)內(nèi)部潤(rùn)滑油儲(chǔ)存，壓縮機(jī)布置允許回轉(zhuǎn)角度為±15°，允許傾斜角度為10°，如圖11所示。

圖11 電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)布置角度要求

4.3 電動(dòng)水泵布置分析

電動(dòng)水泵布置需考慮以下3個(gè)方面：

（1）電動(dòng)水泵入水口不能朝下布置，通常采用水泵入水口水平布置或者垂直向上布置（圖12）。

（2）為避免水泵工作時(shí)混入空氣，電動(dòng)水泵中應(yīng)盡量布置在所在冷卻回路的最低點(diǎn)。

（3）由于電動(dòng)水泵工作時(shí)振動(dòng)較大，因此，通常將電動(dòng)水泵通過(guò)減震支架固定到電驅(qū)總成上，這樣可以通過(guò)總成懸置起到有效避震作用。

圖12 電動(dòng)水泵布置示意圖

4.4 真空泵布置分析

（1）真空泵工作時(shí)振動(dòng)和噪聲較大，為了減少振動(dòng)和噪聲對(duì)整車(chē)舒適性的影響，通常將真空泵通過(guò)支架固定到電驅(qū)總成上（圖13），這樣可以通過(guò)總成懸置起到有效避震作用。一些對(duì)NVH要求較高的高端車(chē)型，通常采用增加隔音罩來(lái)減弱真空泵工作時(shí)的噪音[9-10]。

圖13 真空泵固定方案

（2）由于真空泵工作時(shí)擺動(dòng)量較大，因此，布置時(shí)應(yīng)結(jié)合真空泵的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)對(duì)周?chē)悴考M(jìn)行間隙校核，保證10 mm安全距離，防止出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

圖14 真空泵包絡(luò)

5 結(jié)語(yǔ)

純電動(dòng)前置前驅(qū)轎車(chē)機(jī)艙布置是一項(xiàng)復(fù)雜的、系統(tǒng)的、反復(fù)的工作過(guò)程。尋找最優(yōu)的布置方案，不僅可以使得機(jī)艙整潔、美觀(guān)、便于操作，更能夠降低開(kāi)發(fā)成本，提升整車(chē)可靠性和舒適性。同時(shí)，對(duì)于純電動(dòng)轎車(chē)機(jī)艙內(nèi)的高壓部件，持續(xù)完善高壓安全規(guī)范，避免出現(xiàn)高壓事故。在部件集成方面，應(yīng)加強(qiáng)企業(yè)、高校合作，同時(shí)與世界先進(jìn)電動(dòng)車(chē)企業(yè)學(xué)習(xí)、對(duì)標(biāo)，開(kāi)發(fā)部件高度集成方案，使得產(chǎn)品合理化、通用化、平臺(tái)化。