石強(qiáng) 張尚明 張顯波 何忠青 李大鵬 霍云龍

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

1 前言

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人民生活水平顯著提升，私家車幾乎成了家庭必備的交通出行工具。截至2018年底，全國汽車保有量達(dá)2.4億輛，比2017年增加2 285萬輛，增長幅度達(dá)10.51%[1]。燃油汽車的迅猛發(fā)展，導(dǎo)致我國對石油資源的需求日益增加。2018年中國原油進(jìn)口量遠(yuǎn)超美國，成為全球最大的原油進(jìn)口國，中國原油對外依存度也增至70.9%[2]。

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

純電動前置前驅(qū)轎車在電動汽車中使用最為廣泛，機(jī)艙布置相對純電動后驅(qū)轎車也更為復(fù)雜，需遵循以下5點基本原則：

（1）“先主后次”、“先大后小”原則，優(yōu)先

布置關(guān)鍵部件及體積相對大一些的部件；

（2）機(jī)艙符合整車碰撞安全要求；

（3）各部件符合機(jī)艙布置間隙要求；

（4）考慮涉水、NVH等試驗要求[4]；

（5）滿足美觀及裝配、維修方便性要求。

本文對純電動前置前驅(qū)轎車機(jī)艙關(guān)鍵部件布置設(shè)計及相關(guān)要求進(jìn)行闡述。

2 純電動前置前驅(qū)轎車機(jī)艙部件構(gòu)成

純電動前置前驅(qū)轎車機(jī)艙包括車輛的動力系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、剎車制動系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。在純電動轎車機(jī)艙布置時，首先以差速器中心為基準(zhǔn)點來布置動力總成，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，從而滿足達(dá)到最優(yōu)布置。圖1是某純電動前置前驅(qū)轎車典型機(jī)艙布置。

圖1 某純電動前置前驅(qū)轎車機(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 純電動前置前驅(qū)轎車機(jī)艙布置方案

由于純電動前置前驅(qū)轎車機(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充分利用有限的空間[5]。可以采用在兩側(cè)縱梁之間布置一個橫梁支架，作為分層支架，上層用來固定充電機(jī)、高壓配電盒等部件；也可以借助電驅(qū)動總成出支架固定點來固定充電機(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（車頭方向視圖）

在純電動轎車部件中，盡量采用集成方案。這樣不僅可以大大降低開發(fā)成本、節(jié)省布置空間，還有利于車輛平臺化發(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

純電動轎車常采用電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器和逆變器三合一的電驅(qū)動總成。對于電驅(qū)總成布置約束，主要體現(xiàn)為“2個角度”和“8大間隙”。

4.1.1 “2個角度”主要包括“驅(qū)動軸夾角”和“減速器傾角”。

（1）“驅(qū)動軸夾角”是指驅(qū)動軸內(nèi)外節(jié)心連線和減速器輸出軸中心線的夾角（圖6）。從理論上講，驅(qū)動軸夾角（θ）越小，萬向節(jié)軸向力和徑向力越小，傳動時振動越小，傳動軸壽命越長[8]。經(jīng)驗要求驅(qū)動軸極限夾角小于7°，一般控制在5°以內(nèi)。

圖6 驅(qū)動軸夾角示意

（2）“減速器傾角”是指通過電機(jī)輸出軸線與減速器輸出軸線的平面與水平面的夾角。為了保證減速器內(nèi)部潤滑狀態(tài)，結(jié)合減速器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，不同的減速器廠家對減速器傾角（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)動總成布置時，為了防止出現(xiàn)干涉、振動、噪音、撞擊等缺陷，在X+、Y+、Z+、X-、Y-、Z-6個自由度方向上與其它部件的合理間隙要求。根據(jù)經(jīng)驗，針對純電動前置前驅(qū)轎車電驅(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，驅(qū)動半軸有“兩軸”、“三段軸”方案。在電驅(qū)總成布置時盡量考慮使用“三段軸”方案（圖8），從而保證左右半軸等長、兩側(cè)轉(zhuǎn)動慣量平衡，防止車輛發(fā)生“跑偏”。

圖8 “三段軸”式驅(qū)動系統(tǒng)

4.2 高壓部件布置分析

4.2.1 整體布置方案

純電動轎車高壓部件較多，前置前驅(qū)電動車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)艙美觀程度[5]。

圖9 高壓電氣原理

對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，又可以縮短高壓線長度，從而在一定程度上降低了開發(fā)成本，減少高壓線壓降對電機(jī)性能的影響。同時，考慮到高壓安全方面，高壓部件布置位置應(yīng)盡量避開車輛碰撞潰縮嚴(yán)重區(qū)域，同時避免高壓線束出現(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）電動空調(diào)壓縮機(jī)在工作時振動較大，為了減少振動對整車舒適性的影響，通常將電動壓縮機(jī)固定到電驅(qū)總成上，或者通過壓縮機(jī)支架固定到電驅(qū)總成上，這樣可以通過總成懸置起到有效避震作用。

（2）為保證電動空調(diào)壓縮機(jī)內(nèi)部潤滑油儲存，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 電動空調(diào)壓縮機(jī)布置角度要求

4.3 電動水泵布置分析

電動水泵布置需考慮以下3個方面：

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

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

圖12 電動水泵布置示意圖

4.4 真空泵布置分析

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

圖13 真空泵固定方案

（2）由于真空泵工作時擺動量較大，因此，布置時應(yīng)結(jié)合真空泵的運動包絡(luò)對周圍零部件進(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

純電動前置前驅(qū)轎車機(jī)艙布置是一項復(fù)雜的、系統(tǒng)的、反復(fù)的工作過程。尋找最優(yōu)的布置方案，不僅可以使得機(jī)艙整潔、美觀、便于操作，更能夠降低開發(fā)成本，提升整車可靠性和舒適性。同時，對于純電動轎車機(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，同時與世界先進(jìn)電動車企業(yè)學(xué)習(xí)、對標(biāo)，開發(fā)部件高度集成方案，使得產(chǎn)品合理化、通用化、平臺化。