張華清

（中國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（純電動汽車、混合動力汽車及燃料電池汽車）被越來越多的人所重視。我國汽車產(chǎn)業(yè)在國家政策的引導(dǎo)及推動下，以純電動汽車為代表的新能源汽車從起步階段迅速進入到加速階段?；陔妱悠嚠?dāng)前快速發(fā)展的形式以及廣闊的發(fā)展前景，對于純電動汽車的研究已勢在必行。文章將從純電動汽車關(guān)鍵零部件的選型及布置方面進行闡述。

1 純電動汽車的整體結(jié)構(gòu)

純電動汽車的關(guān)鍵部件及其一般位置，如圖1所示。純電動汽車的驅(qū)動布置形式多樣、比較靈活，概括起來分為電動機中央驅(qū)動、電動輪驅(qū)動和輪轂電機驅(qū)動3種形式。

圖1 純電動汽車的結(jié)構(gòu)布置

1.1 電動機中央驅(qū)動形式

電動機中央驅(qū)動形式共有3種。

1）直接借用傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的驅(qū)動方案，由發(fā)動機前置前驅(qū)發(fā)展而來。它由電動機、離合器、變速器和差速器組成，用電驅(qū)動裝置替代了發(fā)動機，通過離合器對電動機動力與驅(qū)動輪進行連接或動力切斷，變速器提供不同的傳動比以滿足轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的需求，差速器實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時兩車輪以不同車速行駛。

2）由電動機、固定速比減速器和差速器組成。在這種驅(qū)動系統(tǒng)中，利用電動機在大范圍轉(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，因此可以減少機械傳動裝置的體積和質(zhì)量。

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

1.2 電動機電動輪驅(qū)動形式

電動機電動輪驅(qū)動形式，即使用2個牽引電動機代替機械差速器，2個電動機分別驅(qū)動各自車輪，每個電動機的轉(zhuǎn)速可以獨立調(diào)節(jié)與控制，實現(xiàn)電子差速控制，省掉了機械差速器。

1.3 輪轂電機驅(qū)動形式

輪轂電機驅(qū)動形式共有2種。1）電動機和固定速比的行星齒輪減速器安裝在車輪里面，沒有傳動軸和差速器，從而簡化了傳動系統(tǒng)。但是這種方式需要2個或4個電動機，其控制電路也比較復(fù)雜，這種驅(qū)動方式在重型電動汽車上有較廣泛的應(yīng)用。2）采用低速外轉(zhuǎn)子電動機直接驅(qū)動車輪，舍棄電動機與驅(qū)動輪之間的機械傳動裝置，電動機轉(zhuǎn)速控制等價于輪速控制[1]301。

目前，大部分主機廠的純電動車型多為利用現(xiàn)有平臺進行擴展衍生，考慮到平臺車的車身結(jié)構(gòu)，一般采用電動機中央驅(qū)動形式。同時，考慮到電動機本身的轉(zhuǎn)矩及功率特性，可以取消變速器，即采用第3種電動機中央驅(qū)動的布置形式，將驅(qū)動電機、電機控制器及減速器布置在前機艙內(nèi)并采用前輪驅(qū)動的形式。

2 動力系統(tǒng)的選型及布置

整車動力系統(tǒng)的選型計算主要包括對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩功率的要求以及對減速器的要求。

2.1 驅(qū)動電機的選型

驅(qū)動電機的選擇直接影響到純電動汽車的動力性能，選擇合適的驅(qū)動電機能夠使電機高效工作，且能夠更好地保護電機，延長其使用壽命。

不同工況下，純電動汽車動力性能要求各不相同，所以驅(qū)動電機的選型應(yīng)同時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)來確定驅(qū)動電機的最低額定輸出功率，由加速性能和爬坡能力來確定驅(qū)動電機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）即可計算出最高車速下，驅(qū)動電機的額定輸出功率，該值應(yīng)小于所選驅(qū)動電機的額定功率。

式中：Pe——驅(qū)動電機額定功率，kW；

ηT——機械效率，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。

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

式中：Pm1——最大爬坡角度下的電機功率，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）計算出汽車以最大加速度行駛時，需要驅(qū)動電機輸出的最大功率。

式中：Pm2——最大加速度下的電機功率，kW；

μa2——加速度最大時車速，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)動電機峰值功率（Pmax）的1/3的經(jīng)驗關(guān)系，即可確定Pe1及Pmax應(yīng)滿足：

式中：Pe1——驅(qū)動電機應(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)動電機應(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)動電機供應(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)動電機。

2.2 確定傳動比

合適的傳動比能夠減少功率的損耗，減輕電動機的負荷。

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）可計算出最高車速下的傳動比，該值應(yīng)大于最終選擇的傳動比。

式中：i——主減速器傳動比。

根據(jù)爬坡度目標(biāo)值及所選驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩參數(shù)，通過式（7）和式（8）即可計算出傳動比最小值。

式中：Ft——汽車的行駛阻力，N；

γ——車輪滾動半徑，m；

T——驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

在以上傳動比范圍內(nèi)即可確定一個傳動比值。后續(xù)根據(jù)驅(qū)動電機的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合傳動比及電池容量選擇，可對整車性能目標(biāo)進行比對計算驗證。

2.3 驅(qū)動電機的布置

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

3 動力電池的選型及布置

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

3.1 動力電池的選型

動力電池的選型計算需要結(jié)合選定的驅(qū)動電機的額定電壓來確認串聯(lián)電池數(shù)量，結(jié)合工況續(xù)駛里程性能要求下的消耗能量來確定電池組的并聯(lián)電池數(shù)量，從而確定電池容量。

動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，同時還要注意防水防塵。目前世界范圍內(nèi)的動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的青睞。

3.2 動力電池的布置

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

圖2 動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，提高碰撞時車身對電池的保護，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)定性等性能要求進行布置，即最小離地間隙及人機布置限制其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 前機艙其他零部件的布置

在純電動汽車的布置過程中，由于前機艙去掉了發(fā)動機和變速器等，空出了大量的空間。而目前電動機及電機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，這就需要一個充足的布置空間。另外，前置動力前驅(qū)依然是有效的驅(qū)動形式，因此目前大部分純電動車型依然將一些關(guān)鍵零部件，如：驅(qū)動電機、電機控制器、減速器、電動真空泵、空調(diào)壓縮機、冷凝器、車載充電機、配電盒及DCDC等布置在前機艙。這些零部件的布置不僅關(guān)系到各個部件功能的實現(xiàn)，同時也關(guān)系到整車性能，如整車軸荷、制動性能、熱量管理以及對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、運動干涉、碰撞安全及高壓安全等對前機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)以下原則進行：1）重要零部件按等級劃分、按照重要程度進行優(yōu)先布置；2）按照占據(jù)空間的程度進行；3）對有高壓電磁干擾要求的零部件進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）國家法規(guī)中對行人保護的要求；8）避開運動件的要求；9）機械振動的要求[1]303。

5 結(jié)論

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