純電動汽車新能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成設(shè)計

張顯波 張春才 于長虹 張?zhí)鞆?郭源科 楊振 張宇鵬 石強

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

縮略語

PDU Power Distribution Unit

OBC On-Board Charger

DC/DC Direct Current-Direct Current

BDU Battery Disconnect Unit

BMS Battery Management System

PTC Positive Temperature Coefficient

0 引言

2020 年11 月2 日，國務(wù)院印發(fā)了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，規(guī)劃指出到2035年純電動汽車成為新銷售車輛的主流，并部署了強化新能源汽車集成技術(shù)創(chuàng)新[1]。純電動汽車是新能源汽車最重要的一個分支，在新能源汽車中的滲透率達(dá)到80%以上，因此，對于純電動汽車的深入研究勢在必行。

純電動汽車新能源系統(tǒng)主要包括驅(qū)動電機、減速器、電機控制器、動力電池、整車配電盒、直流轉(zhuǎn)換器和車載充電機[2]。隨著研究深入，新能源系統(tǒng)逐步由分布式向集成式方向發(fā)展，黃波[3]分析了純電動汽車三合一集成式電驅(qū)動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式,對比了同類型產(chǎn)品的集成構(gòu)型,得出了三合一電驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型方案。侯磊等[4]創(chuàng)新設(shè)計了一款多合一電驅(qū)動系統(tǒng)，由電機、減速器、電機控制器、直流轉(zhuǎn)換器、車載充電機、整車配電盒、整車控制器、壓縮機和水泵組成。車建華等[5]對電機控制器、直流轉(zhuǎn)換器、車載充電機以及整車配電盒組成的四合一總成進(jìn)行了控制研究。

目前，某車型的新能源系統(tǒng)中，除電驅(qū)、減速器和電機控制器集成為三合一外，其他總成仍然是獨立的、零散的，比如整車配電盒、車載充電機、直流轉(zhuǎn)換器等布置在前機艙內(nèi)，動力電池等布置在車身地板下，總成零件過多、線束過長和連接器過多，進(jìn)而導(dǎo)致占用的空間增大和質(zhì)量增多的問題。

2018年11月25日，由中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院牽頭承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃“高海拔高寒地區(qū)金屬礦山開采安全技術(shù)研究與裝備研發(fā)”項目啟動暨實施方案論證會在北京召開。彭蘇萍院士、王國法院士、呂敬民教授級高工等項目咨詢專家組、科技部社發(fā)司、21世紀(jì)中心、應(yīng)急管理部科信司和安全生產(chǎn)基礎(chǔ)司、項目牽頭承擔(dān)單位以及項目骨干等110余位代表參加了會議。

本文為了解決新能源系統(tǒng)分布式方案存在的問題，開展動力電池、電池管理系統(tǒng)、電池分線盒、整車配電盒、車載充電機和直流轉(zhuǎn)換器集成設(shè)計，交流充電座與直流充電座的二合一集成設(shè)計和壓縮機高壓線束與正溫度系數(shù)熱敏加熱器（Positive Temperature Coefficient，PTC）高壓線束的集成設(shè)計研究。

1 新能源系統(tǒng)集成高壓原理

通過優(yōu)化純電動汽車高壓系統(tǒng)原理，可以大幅減少接插件的使用數(shù)量和冗余高壓線束[6-7]。黃江濤等[8]通過優(yōu)化高壓系統(tǒng)原理，將整車配電盒與電驅(qū)三合一集成，節(jié)約一套電機控制器線束。此外，將空調(diào)高壓線束和PTC 高壓線束合并，減少一個高壓回路，優(yōu)化高壓系統(tǒng)原理后，線束成本降低約730 元。李松原[9]通過整車線束原理和布置方面進(jìn)行平臺化設(shè)計，并應(yīng)用到某車型開發(fā)，減少了問題點，并實現(xiàn)縮短設(shè)計和開發(fā)周期、降低新能源系統(tǒng)成本。黃江波[10]以汽車線束布置原則和注意事項為前提，重點分析優(yōu)化了電動汽車高壓線束的布置，優(yōu)化后可降低高壓線束的使用量，實現(xiàn)進(jìn)一步降低成本。

本文以平臺化設(shè)計理念，結(jié)合整車布置，優(yōu)化高壓系統(tǒng)原理。優(yōu)化前為分布式方案，其高壓原理示意見圖1，車載充電機和直流轉(zhuǎn)換器采用二合一總成，與高壓配電盒線束連接。高壓配電盒為獨立總成，與動力電池線束連接。交流充電座與直流充電座為2個獨立總成，交流充電座與車載充電機和直流轉(zhuǎn)換器二合一總成連接，直流充電座與動力電池連接。壓縮機和PTC分別與高壓配電盒連接。分布式方案的線束及連接器多，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布置困難和成本增加的問題。

圖1 新能源系統(tǒng)分布式高壓原理

為了解決上述問題，提出一種新能源系統(tǒng)集成方案，其高壓原理示意見圖2。其中，能量分配管理總成集成了整車配電盒、電池分線盒、直流轉(zhuǎn)換器、車載充電機，并實現(xiàn)與動力電池集成。整車配電盒與電池分線盒進(jìn)行深度集成，減少繼電器使用數(shù)量，并利用DC/DC進(jìn)行反向預(yù)充。交流充電座與直流充電座采用集成設(shè)計，形成二合一充電座總成。壓縮機高壓電線束和PTC 高壓電線束采用二合一集成技術(shù)。此方案具有集成度高、占用空間小和總成質(zhì)量低的優(yōu)點。

圖2 新能源系統(tǒng)集成式高壓原理

2 能量分配管理總成設(shè)計

2.1 整車布置空間分析

在分布式方案中，動力電池布置在地板下，二排座椅與動力電池之間的空間未得到充分利用，存在空間浪費。而整車配電盒、車載充電機、直流轉(zhuǎn)換器布置在前機艙內(nèi)，又會導(dǎo)致前機艙內(nèi)空間緊張。因此，可將這些部件布置在二排座椅與動力電池之間的空間，前機艙可設(shè)計儲物箱，從而增大儲物空間，提升用戶體驗。另外，該車型系列是以后驅(qū)為主，將這些部件布置在此處，還可以減短后驅(qū)直流母線的長度。

2.2 能量分配管理總成設(shè)計

能量分配管理總成由殼體、功率模塊、高壓配電模塊和高壓驅(qū)動模塊以及連接器和水嘴構(gòu)成，見圖3。殼體由主箱體、下蓋板和上蓋板組成。鋁合金屬是一種輕質(zhì)材料，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品輕量化設(shè)計[11-12]。與其他材料及工藝相比，壓鑄鋁合金具有明顯優(yōu)勢（表1），適用于能量分配管理總成殼體。

表1 壓鑄鋁合金優(yōu)點

圖3 能量分配管理總成結(jié)構(gòu)

功率模塊包括上功率板和下功率板，分別固定在主箱體左側(cè)的上部和下部。高壓配電模塊固定于主箱體的中部，并與功率模塊相鄰。高壓驅(qū)動模塊固定于主箱體的右側(cè)。另外，水道蓋板與主箱體上的水道結(jié)構(gòu)配合后形成立體水道，用于功率模塊的散熱。為了避免水道內(nèi)的冷卻液在流動過程中形成湍流，水道結(jié)構(gòu)設(shè)有擾流組件。為了更好地把功率板上器件的熱量帶走，水道蓋板上設(shè)有電磁屏蔽導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)。水道蓋板上的密封膠槽打滿結(jié)構(gòu)密封膠后，通過螺栓緊固到主箱體上，實現(xiàn)水道蓋板與主箱體的密封。上蓋板與下蓋板采用相同的方式與主箱體實現(xiàn)密封。多個部件集成在一個總成內(nèi)，電磁兼容性設(shè)計從2個方面著手：（1）降低功率器件產(chǎn)生的電磁噪聲；（2）提高功率器件對電磁環(huán)境的抗擾能力。

具體措施有：

（2）車載充電機的交流電輸入采用AC濾波電路，經(jīng)過繼電器、功率因數(shù)校正（Power Factor Correction,PFC）電路、LLC 電路及濾波電容轉(zhuǎn)換后，最后經(jīng)由輸出濾波電路輸出直流電。同樣直流轉(zhuǎn)換器的直流輸入側(cè)和輸出側(cè)均采用濾波電路。

（3）配電模塊的輸入與輸出設(shè)置有磁環(huán)和濾波板。

（4）磁性器件設(shè)置在獨立的封閉金屬腔體內(nèi)，減少電磁輻射。

基于以上措施，通過測試能量分配管理總成的電磁兼容性等級達(dá)到了Class 3的要求。

2.3 能量分配管理總成與動力電池集成設(shè)計

能量分配管理總成與動力電池主要涉及結(jié)構(gòu)固定與密封、高壓電連接和低壓電連接，其集成結(jié)構(gòu)見圖4。為了保證能量分配管理總成與動力電池的可靠固定，能量分配管理總成前部和后部分別設(shè)置了2個固定點和3個固定點，其中能量分配管理總成的前部通過支架固定在動力電池內(nèi)部橫梁上，后部固定在動力電池箱體的后橫梁上。

圖4 能量分配管理總成與動力電池集成結(jié)構(gòu)

為了避免線束手動插接裝配，提高了裝配效率與操作安全性，高壓電連接和低壓電連接采用了集成電連接器。集成電連接器由上連接板和下連接板組成，通過上連接板與下連接板的接插配合，實現(xiàn)高壓電和低壓電連接。集成電連接器的上連接板固定在能量分配管理總成上，下連接板固定在動力電池上。上連接板設(shè)計有錐形導(dǎo)向銷，下連接板設(shè)計有導(dǎo)向孔，通過導(dǎo)向銷和導(dǎo)向孔的配合，保證插接過程中對中準(zhǔn)確，避免裝配時發(fā)生磕碰，導(dǎo)致電連接失效。

2.4 能量分配管理總成集成方案CAE分析

計算機輔助工程設(shè)計（Computer Aided Engineering，CAE）經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，其理論和算法日趨成熟，現(xiàn)已成為汽車產(chǎn)品必不可少的數(shù)值計算工具。隨著計算機技術(shù)的普及和不斷提高，CAE系統(tǒng)的功能和計算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的CAE系統(tǒng)應(yīng)運而生，并已成為結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具[14-17]。

根據(jù)開發(fā)需求，新能源系統(tǒng)集成方案分析了靜強度、疲勞強度、隨機振動疲勞、定頻振動、掃頻振動和后面碰撞安全等共10個工況，箱體的主要部件材料參數(shù)見表2。經(jīng)過2輪CAE分析，分析結(jié)論見表3。

表2 能量分配管理總成箱體材料參數(shù)

表3 新能源系統(tǒng)集成方案CAE分析結(jié)論

第1輪垂直工況下的強度分析結(jié)果顯示能量分配管理總成固定結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中的問題，如圖5 所示。為了有效地分散集中應(yīng)力，優(yōu)化加強筋的結(jié)構(gòu)，使其超過螺栓固定中心，優(yōu)化后的分析結(jié)果滿足目標(biāo)要求，見圖6。最終，新能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成方案10 個工況均達(dá)到設(shè)計要求。

圖5 第1輪垂直疲勞工況主箱體安全系數(shù)

圖6 第2輪垂直疲勞工況主箱體安全系數(shù)

3 二合一充電座集成設(shè)計

分布式方案中，交流充電座和直流充電座是2 個獨立的零件，占用空間較大，且存在材料浪費問題。為解決分布式方案存在的問題，提出一種集成式充電座，見圖7。交流充電口與直流充電口共用充電座殼體，形成集成式充電座，其通過4點固定在車身充電座固定支架上。此方案，節(jié)約了充電座殼體用料，并減少了充電座固定支架的數(shù)量和固定標(biāo)準(zhǔn)件。

圖7 二合一充電座集成方案

4 高壓線束集成設(shè)計

分布式方案中，空調(diào)壓縮機高壓線束與PTC高壓線束是相互獨立的2根線束。空調(diào)壓縮機用于制冷，而PTC用于制熱，兩者用于調(diào)節(jié)乘員艙和動力電池的溫度?？照{(diào)壓縮機高壓線束與PTC 高壓線束存在共用線束段。在高壓線束上應(yīng)用超聲波焊接技術(shù)，實現(xiàn)高壓線束共用段的集成設(shè)計，并簡化整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，見圖8。

圖8 高壓線束集成方案

5 新能源系統(tǒng)集成式與分布式對比分析

與分布式方案對比分析，新能源系統(tǒng)集成方案中總成數(shù)量減少了4 個，高壓線束長度減短了6.5 m，高壓連接器數(shù)量減少了5個，并且能量分配管理總成的體積節(jié)約了6.4 L，質(zhì)量減輕8 kg，見表4。單車成本可降低1 016元，見表5。

表4 新能源系統(tǒng)集成式與分布式方案對比

表5 新能源系統(tǒng)集成式與分布式成本對比

6 結(jié)束語

本文沿著新能源系統(tǒng)集成化的發(fā)展方向，從結(jié)構(gòu)集成角度將整車配電盒、車載充電機、直流轉(zhuǎn)換器、電池分線盒集成為能量分配管理總成，并與動力電池實現(xiàn)固定與密封、電連接，最終形成一體方案，通過CAE分析及優(yōu)化達(dá)到了工況要求?；诮Y(jié)構(gòu)特征分析，將交流充電座和直流充電座集成為交直流二合一充電座。應(yīng)用超聲波焊接技術(shù)，將壓縮機高壓線束與PTC高壓線束集成為一體。與分布式方案對比，新能源系統(tǒng)集成方案充分地利用了整車空間、減少了總成數(shù)量和連接器數(shù)量、減短了線束長度、減小體積和減輕質(zhì)量。此項研究為相關(guān)車型設(shè)計和開發(fā)提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。