纯电动汽车布置技巧应用

      纯电动车因取消了复杂的内燃机和传动系统，比传统汽车或混合动力汽车都要简单。电池-控制模块-电机，即构成了整车的传动逻辑。

为降低成本，缩短开发周期，电动乘用车在整车布置时，在保证前轴至前壁板间距不变的前提下，对整车其它参数进行相应调整，以满足设计需求；而由于技术因素，国内电动乘用车开发设计理念，大多以传统汽车为基础、最小变动为原则，布置如图1所示。

本文根据电动乘用汽车将其整车布置分为前机舱模块化布置、动力电池包布置、乘员舱布置及控制系统布置4大模块（图2），分别研究其布置特性并进行分析。主要是电动汽车布置设计时考虑高压化特点、运动空间、工艺、安全间隙等因素前提下展开。

图1 电动车平台架构

图2 电动车整车布置缩略图

目前设计验证工作已经在奔腾X80EV、奔腾B30EV、以及宾果EV车型上得到应用

2 整车关键硬点参数设定

在整车布置设计初期，应对整车关键坐标点参数及汽车总布置图进行详尽研究，对后期产品优劣起到关键作用。

2.1 载荷定义

对于电动汽车，一般有3种载荷，具体定义如下：

空载载荷：装备车辆正常行驶所具备条件，如加满冷凝剂、润滑油、随车工具和备胎等。

设计载荷：空载载荷加3个乘员质量，2个乘员前排，1个乘员后排，乘员按75 kg/人。

满载载荷：车辆定义的乘坐人数加上行李箱一定的行李（根据具体车型，定义行李质量）。

2.2 整车整备质量及轴核分配

整备质量对汽车的动力性、经济性、平顺性及操纵稳定性都有重要的影响，在布置设计时，应给出各部件的形状和尺寸，确定各总成质心位置，计算出轴荷分配和质心位置。

整车整备质量 Mc（kg）计算[3]：

No—用估算整车整备质量全部总成数量[3]

空载后轴荷Mcr（kg）计算：

L—轴距（mm）

空载前轴荷Mcf（kg）计算：

空载质心高度Hg0按下式计算：

Mi—各总成质量

Xi—各总成质心位置(一般规定在前轮中心后为正值，在前轮中心前为负值)

Zθ0—空载状态下的离地高度

在整车轴核计算时，以设计载荷为基准。设计载荷时，整车静止姿态与行车姿态最为接近，并且车身地板与地面线保持平行，对后期零部件布置有参考意义，其轴荷分布参见表1。

2.3 整车坐标设计

一般在设计载荷状态下，轮心前1 000 mm，下1 000 mm，整车纵向对称面Y=0，3个点的交点为整车坐标原点,电动汽车与传统汽车设定方法一致。

表1 电动车轴荷分配表[3]/%

3 前机舱通用化布置

3.1 动力总成布置方法

3.1.1 设计原则

（1）采用搭载的体积最大动力总成来做分析；

（2）从零部件的共用性和开发效率的角度考虑，在同一车型内统一考虑各动力总成的搭载位置和搭载角度，上述搭载角度为传动轴中心线与水平面之间的角度。

3.1.2 动力总成定位布置总体分析顺序

（1）以差速器中心为基准点，布置动力总成；校核驱动轴角度：目标值在4°以下（设计载荷）。但乘用车驱动轴极限角度：7°可以接受。传动轴夹角。动力总成的布置应使左右两个半轴与水平面的夹角尽量相等，且满载静时4°≤α≤7°，角度越小传动轴噪音越小、寿命越长[4]。

（2）电机控制器在整车高度上要满足整个冷却回路的要求；一般要求电机控制器内部水套的最高点要低于补偿水罐液面最小刻度线；布置过程中要考虑补偿水罐的布置高度是否满足间隙要求（比如与机舱罩的间隙），在补偿水罐满足间隙要求的前提下，再确定电机控制器的布置高度。

（3）驱动电机冷却有水冷和风冷两种方式，主流设计为电机与减速器集成为一体，综合考虑传动轴夹角、悬置结构强度和重心位置等。

（4）DC/DC和充电机冷却方式分为水冷和风冷。风冷散热应优先选择布置在通风条件好的位置。水冷则考虑方便管路连接的布置位置。

3.1.3 校核离地间隙

确保动力总成所需最小离地间隙，考虑最小离地间隙时应考虑底护板等。

3.1.4 确保动力总成与发罩之间所需的间隙

主要是行人保护法规的要求，要求动力总成上金属件与机舱罩内板之间的间隙(如表2)。

3.1.5 校核与前围挡板距离

确保动力总成和安装在前围挡板上的零件的间隙等(如表2)。

3.1.6 校核与前端冷却模块的间隙

详细见表2。

3.1.7 校核与纵梁的间隙

详细见表2。

3.1.8 总布置调整

总体布置时，需要不断调整，找到满足上述所有条件的位置(如表2)。

3.1.9 总布置校核运动干涉

动力总成可能的运动干涉，包括生产线装配性、维修方便性（工具、拆卸空间）、可视性（驱动电机号、差速器号等）。

3.1.10 动力总成悬置布置

动力总成常采用3点、4点悬置系统。对于动力总成横置的日系、韩系车多用4点式悬置系统，德系车多用3点悬置系统。

3点式悬置系统与车架的顺从性最好，因为3点决定一个平面，不受车架变形的影响，而且固有频率低，抗扭转振动的效果好[6]。图3、4是典型的3点式悬置系统：

图3 动力总成纵置3点式悬置布置形式

图4 动力总成横置3点式悬置布置形式

4点式悬置的稳定性好、能克服较大的转矩反作用力，不过扭转刚度较大，不利于隔离低频振动[6]。4点式悬置在6缸机上的使用最为普遍。图5、图6是典型4点式悬置系统。

3.2 前机舱布置原则

印博认为电动车前机舱布置一般分为上、下两层,上层布置维修更换频率高的部件,如整车控制器、电机控制器、高压电器盒、DC-DC等部件;下层布置减速器、电机及不经常维修的部件,如真空灌、电动制动真空泵、水泵、电动空调压缩机等部件[5]，具体详见图7。

图5 动力总成横置4点式悬置布置形式

图6 动力总成纵置4点式悬置布置形式

图7 电动汽车详细布置

在布置时，与用电器部件布置在一起时，缩短部件接线口间距离，简化管线长度和走向。电机与电机控制器布置在一起，ESP与制动器布置要相近，避免管路弯折等。

此外，通过对主流车型的对标分析，在前机舱布置时还要遵循以下原则：

运动和总装工艺间隙：刚性连接部件最小间隙10 mm，柔性连接部件最小间隙15 mm，电机与其他部件最小间隙20 mm；线束插头预留空间A≥B+50 mm(B接插件厚度),便于拆装维修。

热害间隙：风冷充电机、电机和DC-DC等部件应保留热害间隙大于20 mm。

碰撞安全：一般乘用车若要取得C-NCAP四星以上碰撞成绩，吸能空间L=C+D≥560 mm，C为动力总成距前保险杠外延最小距离；D为动力总成距前围板最小距离。前保险杠溃缩空间较大，建议为280 mm～300 mm[5]。

3.3 蓄电池布置要求

蓄电池安装位置应便于加注电解液以及拆卸其线束端子；蓄电池拆卸和更换时间应满足从车上将蓄电池拆下及更换的总时间不超过0.6 h要求；蓄电池顶面与水平面夹角应≤5°；在蓄电池倾斜到水平方向与水平面成30°时，不允许有电解液溢出。

拆除蓄电池隔热罩，蓄电池必须在托盘内按垂直方向安装或拆除；蓄电池水平移动方向，必须局限到蓄电池托盘内允许的空间内进行，在安装蓄电池时不允许有斜线方向的移动；除蓄电池紧固装置、隔热罩及蓄电池线束，在安装和拆除蓄电池时不允许移动其它零部件。

3.4 校核间隙设定

动力总成在整车布置时要考虑与周围零部件间隙，具体数值参见表2。

表2 校核间隙列表/mm

4 乘员舱布置

纯电动汽车的加速踏板和制动踏板与传统车功能一致，但作用原理不同，在纯电动汽车上其加速踏板和制动踏板的位移量是将电信号输出至整车控制器来实现对车辆的行驶和制动。

基于在传统汽车基础上开发的纯电动汽车，在乘员舱布置时，主要关注驻车制动操纵杆、加速踏板及人机交互系统的布置方法，图8为各系统位置点。

图8 乘员舱布置

4.1 驻车制动操纵杆总成与周边件关系

LIAO提出手柄的初始位置，与水平面所成角度A，以10度为最佳，一般不超过30度；手柄前端手握处距地板中通道（或副仪表板）距离L[8]，大于或等于35 mm（图9）。

图9 制动手柄布置[8]

满足驾驶员在换挡时的方便性，一般AT车型的换挡手球距离仪表板的距离为50 mm～60 mm，MT车型距离仪表板纵向距离为40 mm～50 mm。

4.2 加速踏板机构布置设计

在加速踏板机构布置时，要考虑踏板行程、人机工程、踏板力、回位力、阻尼力、间隙校核等方面，从人机方面考虑，电动汽车加速踏板一般不改变原有位置，其特殊匹配要求是整车布置时重点关注点。

行程与电子信号：匹配方式分两种：其一，根据电控系统的HCU（Hybrid Control Unit）参数规格，选择合适的电子参数和行程，再根据选择的结果寻求合适的电子油门踏板供应商，进行匹配设计；其二，先选择合适的油门踏板资源，根据已选踏板的电参数输出结果，对HCU进行标定集成工作。

此外，要关注电线束插接头布置，不可布置在距离地板过近的位置，要求电线束插接头需布置在车身地板高200 mm的位置，防止刷车或脚部积水浸湿电线束，致使功能失效。同时脚在踩踏过程中不可以接触线束及插接头。

4.3 安全性

对于乘员舱布置的安全性，主要涉及车身安全、被动安全，而被动安全主要是安全带布置、气囊布置数量，而车身安全主要是车身结构安全，针对电动汽车的车身结构安全涉及多个维度，下面以Morton对特斯拉Model S(参数|图片)的评估举例说明[9]:

特斯拉Model S（图10）整车主要由吸能性较好的铝合金材料打造，其车身框架采用高强度材料加固，撞击时能够吸收能量，乘员舱不易变形。

整车动力电池组位于地板正下方，这为车身安全提高了如下两点帮助：

第一，较重的动力电池组降低了整车重心，提升了整车侧倾稳定性

第二，动力电池组框架坚固,提高了车身整体强度

图10 整车电池布置图[9]

如上说明：电动汽车的车身安全不仅可以通过改变车身结构材料实现车身强度增加，也可以通过动力电池布置在地板以下的形式达到车身强度增大的目的[10]。

5 动力电池包布置

纯电动汽车行驶完全依赖于动力电池系统的能量，要通过汽车的动力需求以及各种高电压机器配件等所需的消耗电力、时间以及使用温度来确定电池系统的容量,电池系统容量越大，可以续航里程越长，但所需电池系统的体积和重量也越大[11]。

动力电池布置时，要满足散热要求、碰撞要求、整车通过性要求、配置要求、电池包保护要求等，一般动力电池可布置乘员舱底板及乘员舱内（图11）。

图11 动力电池整车布置示意

进行动力电池布置时，首先需要确定电池包的冷却方式，冷却方式不同，电池包布置间隙不同。根据车身地板结构，并考虑底盘件、电器件、内外饰件的影响，初步给出动力电池包可布置位置和可放置空间范围边界[12]，同时应考虑以下要求：

（1）选择布置方式:地板下方或行李舱内，根据续航里程，初步推算出容量大小，估算出动力电池包的需求空间。

（2）根据整车配置要求，是否保留备胎，其影响动力电池包布置位置选择。

（3）最小离地间隙，影响地板下方动力电池包布置高度,满载最小离地间隙大于110 mm。

（4）选择动力电池包的可布置位置时，也要考虑动力电池包的保护装置。

（5）动力电池的质量较大，影响前后轴荷分配，进而影响轮胎负荷、制动性能、悬架系统以及整车姿态。

综上所述，初步确定电池包布置位置和空间大小[12]。

6 控制系统布置

整车各控制器硬件应布置在振动较小、密封性较好的位置，必须保证足够的安装及拆卸空间，保证有足够的空间进行连接器插拔，保证二次安装的方便性。

电机控制器在整车高度上要满足整个冷却回路的要求：一般要求电机控制器内部水套的最高点要低于补偿水罐液面最小刻度线；布置过程中要考虑补偿水罐布置高度是否满足间隙要求（比如与机舱罩的间隙），在补偿水罐满足间隙要求的前提下，再确定电机控制器的布置高度。

整车控制器产生热量少，无需考虑散热的问题；由于抗振和防水能力差，应布置在振动较小、密封性较好的位置，例如仪表台下和座椅下等位置[5]。VCU(Vehicle Control Unit)及其固定支架组装在一起后，应在500 Hz以下没有任何共振频率点,VCU插接端子面应朝下方布置，保证液体能从ECU插头处沿着线束自动流走,VCU安装位置距离已知的电磁场及射频干扰源不小于150 mm。

7 结论

电动汽车总布置工作是系统工程，要保证整车各零部件性能实现最大化发挥，又要保证功能安全，并且要实现空间的合理分配，在保证这些工作的前提是需要了解整车各零部件的性能和功能要求，同时要考虑下游的工艺装配，也需要在工作过程中与各零部件负责部门做充分的沟通，最后才能输出一个满足整车性能需求最合理的布置设计方案。