周站福 王振濤

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130013）

主題詞：電動(dòng)汽車 總布置 通用化

1 前言

物理學(xué)家Nikola Tesla在上世紀(jì)初期認(rèn)為純電動(dòng)汽車簡單來說就是用電動(dòng)機(jī)替代了普通內(nèi)燃機(jī)的汽車，動(dòng)力電池替代了傳統(tǒng)車的油箱[1]。從結(jié)構(gòu)方面講，純電動(dòng)車因取消了復(fù)雜的內(nèi)燃機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)，比傳統(tǒng)汽車或混合動(dòng)力汽車都要簡單。電池-控制模塊-電機(jī)，即構(gòu)成了整車的傳動(dòng)邏輯[2]。

為降低成本，縮短開發(fā)周期，電動(dòng)乘用車在整車布置時(shí)，在保證前軸至前壁板間距不變的前提下，對(duì)整車其它參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以滿足設(shè)計(jì)需求；而由于技術(shù)因素，國內(nèi)電動(dòng)乘用車開發(fā)設(shè)計(jì)理念，大多以傳統(tǒng)汽車為基礎(chǔ)、最小變動(dòng)為原則，布置如圖1所示。

本文根據(jù)電動(dòng)乘用汽車將其整車布置分為前機(jī)艙模塊化布置、動(dòng)力電池包布置、乘員艙布置及控制系統(tǒng)布置4大模塊（圖2），分別研究其布置特性并進(jìn)行分析。主要是電動(dòng)汽車布置設(shè)計(jì)時(shí)考慮高壓化特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)空間、工藝、安全間隙等因素前提下展開。

圖1 電動(dòng)車平臺(tái)架構(gòu)

圖2 電動(dòng)車整車布置縮略圖

目前設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作已經(jīng)在奔騰X80EV、奔騰B30EV、以及賓果EV車型上得到應(yīng)用

2 整車關(guān)鍵硬點(diǎn)參數(shù)設(shè)定

在整車布置設(shè)計(jì)初期，應(yīng)對(duì)整車關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)及汽車總布置圖進(jìn)行詳盡研究，對(duì)后期產(chǎn)品優(yōu)劣起到關(guān)鍵作用。

2.1 載荷定義

對(duì)于電動(dòng)汽車，一般有3種載荷，具體定義如下：

空載載荷：裝備車輛正常行駛所具備條件，如加滿冷凝劑、潤滑油、隨車工具和備胎等。

設(shè)計(jì)載荷：空載載荷加3個(gè)乘員質(zhì)量，2個(gè)乘員前排，1個(gè)乘員后排，乘員按75 kg/人。

滿載載荷：車輛定義的乘坐人數(shù)加上行李箱一定的行李（根據(jù)具體車型，定義行李質(zhì)量）。

2.2 整車整備質(zhì)量及軸核分配

整備質(zhì)量對(duì)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、平順性及操縱穩(wěn)定性都有重要的影響，在布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)給出各部件的形狀和尺寸，確定各總成質(zhì)心位置，計(jì)算出軸荷分配和質(zhì)心位置。

整車整備質(zhì)量 Mc（kg）計(jì)算[3]：

No—用估算整車整備質(zhì)量全部總成數(shù)量[3]

空載后軸荷Mcr（kg）計(jì)算：

L—軸距（mm）

空載前軸荷Mcf（kg）計(jì)算：

空載質(zhì)心高度Hg0按下式計(jì)算：

Mi—各總成質(zhì)量

Xi—各總成質(zhì)心位置(一般規(guī)定在前輪中心后為正值，在前輪中心前為負(fù)值)

Zθ0—空載狀態(tài)下的離地高度

在整車軸核計(jì)算時(shí)，以設(shè)計(jì)載荷為基準(zhǔn)。設(shè)計(jì)載荷時(shí)，整車靜止姿態(tài)與行車姿態(tài)最為接近，并且車身地板與地面線保持平行，對(duì)后期零部件布置有參考意義，其軸荷分布參見表1。

2.3 整車坐標(biāo)設(shè)計(jì)

一般在設(shè)計(jì)載荷狀態(tài)下，輪心前1 000 mm，下1 000 mm，整車縱向?qū)ΨQ面Y=0，3個(gè)點(diǎn)的交點(diǎn)為整車坐標(biāo)原點(diǎn),電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)汽車設(shè)定方法一致。

表1 電動(dòng)車軸荷分配表[3]/%

3 前機(jī)艙通用化布置

3.1 動(dòng)力總成布置方法

3.1.1 設(shè)計(jì)原則

（1）采用搭載的體積最大動(dòng)力總成來做分析；

（2）從零部件的共用性和開發(fā)效率的角度考慮，在同一車型內(nèi)統(tǒng)一考慮各動(dòng)力總成的搭載位置和搭載角度，上述搭載角度為傳動(dòng)軸中心線與水平面之間的角度。

3.1.2 動(dòng)力總成定位布置總體分析順序

（1）以差速器中心為基準(zhǔn)點(diǎn)，布置動(dòng)力總成；校核驅(qū)動(dòng)軸角度：目標(biāo)值在4°以下（設(shè)計(jì)載荷）。但乘用車驅(qū)動(dòng)軸極限角度：7°可以接受。傳動(dòng)軸夾角。動(dòng)力總成的布置應(yīng)使左右兩個(gè)半軸與水平面的夾角盡量相等，且滿載靜時(shí)4°≤α≤7°，角度越小傳動(dòng)軸噪音越小、壽命越長[4]。

（2）電機(jī)控制器在整車高度上要滿足整個(gè)冷卻回路的要求；一般要求電機(jī)控制器內(nèi)部水套的最高點(diǎn)要低于補(bǔ)償水罐液面最小刻度線；布置過程中要考慮補(bǔ)償水罐的布置高度是否滿足間隙要求（比如與機(jī)艙罩的間隙），在補(bǔ)償水罐滿足間隙要求的前提下，再確定電機(jī)控制器的布置高度。

（3）驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻有水冷和風(fēng)冷兩種方式，主流設(shè)計(jì)為電機(jī)與減速器集成為一體，綜合考慮傳動(dòng)軸夾角、懸置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和重心位置等。

（4）DC/DC和充電機(jī)冷卻方式分為水冷和風(fēng)冷。風(fēng)冷散熱應(yīng)優(yōu)先選擇布置在通風(fēng)條件好的位置。水冷則考慮方便管路連接的布置位置。

3.1.3 校核離地間隙

確保動(dòng)力總成所需最小離地間隙，考慮最小離地間隙時(shí)應(yīng)考慮底護(hù)板等。

3.1.4 確保動(dòng)力總成與發(fā)罩之間所需的間隙

主要是行人保護(hù)法規(guī)的要求，要求動(dòng)力總成上金屬件與機(jī)艙罩內(nèi)板之間的間隙(如表2)。

3.1.5 校核與前圍擋板距離

確保動(dòng)力總成和安裝在前圍擋板上的零件的間隙等(如表 2)。

3.1.6 校核與前端冷卻模塊的間隙

詳細(xì)見表2。

3.1.7 校核與縱梁的間隙

詳細(xì)見表2。

3.1.8 總布置調(diào)整

總體布置時(shí)，需要不斷調(diào)整，找到滿足上述所有條件的位置(如表2)。

3.1.9 總布置校核運(yùn)動(dòng)干涉

動(dòng)力總成可能的運(yùn)動(dòng)干涉，包括生產(chǎn)線裝配性、維修方便性（工具、拆卸空間）、可視性（驅(qū)動(dòng)電機(jī)號(hào)、差速器號(hào)等）。

3.1.10 動(dòng)力總成懸置布置

動(dòng)力總成常采用3點(diǎn)、4點(diǎn)懸置系統(tǒng)。對(duì)于動(dòng)力總成橫置的日系、韓系車多用4點(diǎn)式懸置系統(tǒng)，德系車多用3點(diǎn)懸置系統(tǒng)。

3點(diǎn)式懸置系統(tǒng)與車架的順從性最好，因?yàn)?點(diǎn)決定一個(gè)平面，不受車架變形的影響，而且固有頻率低，抗扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的效果好[6]。圖3、4是典型的3點(diǎn)式懸置系統(tǒng)：

圖3 動(dòng)力總成縱置3點(diǎn)式懸置布置形式

圖4 動(dòng)力總成橫置3點(diǎn)式懸置布置形式

4點(diǎn)式懸置的穩(wěn)定性好、能克服較大的轉(zhuǎn)矩反作用力，不過扭轉(zhuǎn)剛度較大，不利于隔離低頻振動(dòng)[6]。4點(diǎn)式懸置在6缸機(jī)上的使用最為普遍。圖5、圖6是典型4點(diǎn)式懸置系統(tǒng)。

3.2 前機(jī)艙布置原則

印博認(rèn)為電動(dòng)車前機(jī)艙布置一般分為上、下兩層,上層布置維修更換頻率高的部件,如整車控制器、電機(jī)控制器、高壓電器盒、DC-DC等部件;下層布置減速器、電機(jī)及不經(jīng)常維修的部件,如真空灌、電動(dòng)制動(dòng)真空泵、水泵、電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)等部件[5]，具體詳見圖7。

圖5 動(dòng)力總成橫置4點(diǎn)式懸置布置形式

圖6 動(dòng)力總成縱置4點(diǎn)式懸置布置形式

圖7 電動(dòng)汽車詳細(xì)布置

在布置時(shí)，與用電器部件布置在一起時(shí)，縮短部件接線口間距離，簡化管線長度和走向。電機(jī)與電機(jī)控制器布置在一起，ESP與制動(dòng)器布置要相近，避免管路彎折等。

此外，通過對(duì)主流車型的對(duì)標(biāo)分析，在前機(jī)艙布置時(shí)還要遵循以下原則：

運(yùn)動(dòng)和總裝工藝間隙：剛性連接部件最小間隙10 mm，柔性連接部件最小間隙15 mm，電機(jī)與其他部件最小間隙20 mm；線束插頭預(yù)留空間A≥B+50 mm(B接插件厚度),便于拆裝維修。

熱害間隙：風(fēng)冷充電機(jī)、電機(jī)和DC-DC等部件應(yīng)保留熱害間隙大于20 mm。

碰撞安全：一般乘用車若要取得C-NCAP四星以上碰撞成績，吸能空間L=C+D≥560 mm，C為動(dòng)力總成距前保險(xiǎn)杠外延最小距離；D為動(dòng)力總成距前圍板最小距離。前保險(xiǎn)杠潰縮空間較大，建議為280 mm～300 mm[5]。

3.3 蓄電池布置要求

蓄電池安裝位置應(yīng)便于加注電解液以及拆卸其線束端子；蓄電池拆卸和更換時(shí)間應(yīng)滿足從車上將蓄電池拆下及更換的總時(shí)間不超過0.6 h要求；蓄電池頂面與水平面夾角應(yīng)≤5°；在蓄電池傾斜到水平方向與水平面成30°時(shí)，不允許有電解液溢出。

拆除蓄電池隔熱罩，蓄電池必須在托盤內(nèi)按垂直方向安裝或拆除；蓄電池水平移動(dòng)方向，必須局限到蓄電池托盤內(nèi)允許的空間內(nèi)進(jìn)行，在安裝蓄電池時(shí)不允許有斜線方向的移動(dòng)；除蓄電池緊固裝置、隔熱罩及蓄電池線束，在安裝和拆除蓄電池時(shí)不允許移動(dòng)其它零部件。

3.4 校核間隙設(shè)定

動(dòng)力總成在整車布置時(shí)要考慮與周圍零部件間隙，具體數(shù)值參見表2。

表2 校核間隙列表/mm

4 乘員艙布置

純電動(dòng)汽車的加速踏板和制動(dòng)踏板與傳統(tǒng)車功能一致，但作用原理不同，在純電動(dòng)汽車上其加速踏板和制動(dòng)踏板的位移量是將電信號(hào)輸出至整車控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的行駛和制動(dòng)。

基于在傳統(tǒng)汽車基礎(chǔ)上開發(fā)的純電動(dòng)汽車，在乘員艙布置時(shí)，主要關(guān)注駐車制動(dòng)操縱桿、加速踏板及人機(jī)交互系統(tǒng)的布置方法，圖8為各系統(tǒng)位置點(diǎn)。

圖8 乘員艙布置

4.1 駐車制動(dòng)操縱桿總成與周邊件關(guān)系

LIAO提出手柄的初始位置，與水平面所成角度A，以10度為最佳，一般不超過30度；手柄前端手握處距地板中通道（或副儀表板）距離L[8]，大于或等于35 mm（圖9）。

滿足駕駛員在換擋時(shí)的方便性，一般AT車型的換擋手球距離儀表板的距離為50 mm～60 mm，MT車型距離儀表板縱向距離為40 mm～50 mm。

4.2 加速踏板機(jī)構(gòu)布置設(shè)計(jì)

在加速踏板機(jī)構(gòu)布置時(shí)，要考慮踏板行程、人機(jī)工程、踏板力、回位力、阻尼力、間隙校核等方面，從人機(jī)方面考慮，電動(dòng)汽車加速踏板一般不改變?cè)形恢?，其特殊匹配要求是整車布置時(shí)重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)。

行程與電子信號(hào)：匹配方式分兩種：其一，根據(jù)電控系統(tǒng)的HCU（Hybrid Control Unit）參數(shù)規(guī)格，選擇合適的電子參數(shù)和行程，再根據(jù)選擇的結(jié)果尋求合適的電子油門踏板供應(yīng)商，進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)；其二，先選擇合適的油門踏板資源，根據(jù)已選踏板的電參數(shù)輸出結(jié)果，對(duì)HCU進(jìn)行標(biāo)定集成工作。

此外，要關(guān)注電線束插接頭布置，不可布置在距離地板過近的位置，要求電線束插接頭需布置在車身地板高200 mm的位置，防止刷車或腳部積水浸濕電線束，致使功能失效。同時(shí)腳在踩踏過程中不可以接觸線束及插接頭。

4.3 安全性

對(duì)于乘員艙布置的安全性，主要涉及車身安全、被動(dòng)安全，而被動(dòng)安全主要是安全帶布置、氣囊布置數(shù)量，而車身安全主要是車身結(jié)構(gòu)安全，針對(duì)電動(dòng)汽車的車身結(jié)構(gòu)安全涉及多個(gè)維度，下面以Morton對(duì)特斯拉Model S的評(píng)估舉例說明[9]:

特斯拉Model S（圖10）整車主要由吸能性較好的鋁合金材料打造，其車身框架采用高強(qiáng)度材料加固，撞擊時(shí)能夠吸收能量，乘員艙不易變形。

整車動(dòng)力電池組位于地板正下方，這為車身安全提高了如下兩點(diǎn)幫助：

第一，較重的動(dòng)力電池組降低了整車重心，提升了整車側(cè)傾穩(wěn)定性

第二，動(dòng)力電池組框架堅(jiān)固,提高了車身整體強(qiáng)度

圖10 整車電池布置圖[9]

如上說明：電動(dòng)汽車的車身安全不僅可以通過改變車身結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)車身強(qiáng)度增加，也可以通過動(dòng)力電池布置在地板以下的形式達(dá)到車身強(qiáng)度增大的目的[10]。

5 動(dòng)力電池包布置

純電動(dòng)汽車行駛完全依賴于動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量，要通過汽車的動(dòng)力需求以及各種高電壓機(jī)器配件等所需的消耗電力、時(shí)間以及使用溫度來確定電池系統(tǒng)的容量,電池系統(tǒng)容量越大，可以續(xù)航里程越長，但所需電池系統(tǒng)的體積和重量也越大[11]。

動(dòng)力電池布置時(shí)，要滿足散熱要求、碰撞要求、整車通過性要求、配置要求、電池包保護(hù)要求等，一般動(dòng)力電池可布置乘員艙底板及乘員艙內(nèi)（圖11）。

圖11 動(dòng)力電池整車布置示意

進(jìn)行動(dòng)力電池布置時(shí)，首先需要確定電池包的冷卻方式，冷卻方式不同，電池包布置間隙不同。根據(jù)車身地板結(jié)構(gòu)，并考慮底盤件、電器件、內(nèi)外飾件的影響，初步給出動(dòng)力電池包可布置位置和可放置空間范圍邊界[12]，同時(shí)應(yīng)考慮以下要求：

（1）選擇布置方式:地板下方或行李艙內(nèi)，根據(jù)續(xù)航里程，初步推算出容量大小，估算出動(dòng)力電池包的需求空間。

（2）根據(jù)整車配置要求，是否保留備胎，其影響動(dòng)力電池包布置位置選擇。

（3）最小離地間隙，影響地板下方動(dòng)力電池包布置高度,滿載最小離地間隙大于110 mm。

（4）選擇動(dòng)力電池包的可布置位置時(shí)，也要考慮動(dòng)力電池包的保護(hù)裝置。

（5）動(dòng)力電池的質(zhì)量較大，影響前后軸荷分配，進(jìn)而影響輪胎負(fù)荷、制動(dòng)性能、懸架系統(tǒng)以及整車姿態(tài)。

綜上所述，初步確定電池包布置位置和空間大小[12]。

6 控制系統(tǒng)布置

整車各控制器硬件應(yīng)布置在振動(dòng)較小、密封性較好的位置，必須保證足夠的安裝及拆卸空間，保證有足夠的空間進(jìn)行連接器插拔，保證二次安裝的方便性。

電機(jī)控制器在整車高度上要滿足整個(gè)冷卻回路的要求：一般要求電機(jī)控制器內(nèi)部水套的最高點(diǎn)要低于補(bǔ)償水罐液面最小刻度線；布置過程中要考慮補(bǔ)償水罐布置高度是否滿足間隙要求（比如與機(jī)艙罩的間隙），在補(bǔ)償水罐滿足間隙要求的前提下，再確定電機(jī)控制器的布置高度。

整車控制器產(chǎn)生熱量少，無需考慮散熱的問題；由于抗振和防水能力差，應(yīng)布置在振動(dòng)較小、密封性較好的位置，例如儀表臺(tái)下和座椅下等位置[5]。VCU(Vehicle Control Unit)及其固定支架組裝在一起后，應(yīng)在500 Hz以下沒有任何共振頻率點(diǎn),VCU插接端子面應(yīng)朝下方布置，保證液體能從ECU插頭處沿著線束自動(dòng)流走,VCU安裝位置距離已知的電磁場及射頻干擾源不小于150 mm。

7 結(jié)論

電動(dòng)汽車總布置工作是系統(tǒng)工程，要保證整車各零部件性能實(shí)現(xiàn)最大化發(fā)揮，又要保證功能安全，并且要實(shí)現(xiàn)空間的合理分配，在保證這些工作的前提是需要了解整車各零部件的性能和功能要求，同時(shí)要考慮下游的工藝裝配，也需要在工作過程中與各零部件負(fù)責(zé)部門做充分的溝通，最后才能輸出一個(gè)滿足整車性能需求最合理的布置設(shè)計(jì)方案