魏海英　朱偉

摘 要：本文分析了純電動乘用車驅動單元的形式及布置的各種限制條件，提出多種相應的布置策略及要求，與傳統(tǒng)燃油車動力總成布置進行了布置要求對比分析，對后續(xù)驅動單元集成布置方案進行了展望，并對業(yè)界企業(yè)提出了相關的建議。

關鍵詞：電機形式 布置策略 影響因素

Research on Drive Unit Layout of Pure Electric Passenger Car

Wei Haiying，Zhu Wei

Abstract：This paper analyzes various restrictions on the form and layout of the drive unit of pure electric passenger vehicles， and proposes a variety of corresponding layout strategies and requirements. The layout requirements are compared with the traditional fuel vehicle powertrain layout. The unit integration layout scheme is prospected， and relevant suggestions are put forward to the industry enterprises.

Key words：motor form， layout strategy， influencing factors

1 引言

隨著能源、環(huán)境問題越來越突出，純電動汽車的研究越來越被人們重視。我國汽車產(chǎn)業(yè)在國家政策的引導及推動下，以純電動汽車為代表的新能源汽車從起步階段進入到加速階段?；陔妱悠嚠斍翱焖侔l(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，純電動汽車已成為未來汽車的發(fā)展趨勢。

在電動汽車動力系統(tǒng)設計中有幾項關鍵技術，也就是我們通常所說的“三電”?！叭姟笔墙M成電動汽車動力系統(tǒng)的核心，即電機，電池和電控。驅動單元包括電機和電控系統(tǒng)，對于純電動汽車而言，是不可缺少的一部分，在純電動汽車中扮演著重要的角色。驅動單元對汽車的動力性能有著直接的影響。在純電動汽車中，驅動單元選型以及布置位置至關重要。文章討論了純電動汽車驅動單元的類型、布置要求及性能影響。

2 驅動單元組成及電機形式

2.1 驅動單元組成

驅動單元是指電動汽車的電機驅動系統(tǒng)，實現(xiàn)電能的轉換或傳遞，并通過傳動裝置（或直接）將能量傳遞到車輪進而驅動車輛，它的主要作用是產(chǎn)生驅動轉矩，作為電動汽車的動力源，一般由電機，控制器和減速箱組成。

常見的有四種形式，首先是電機+減速器形式，與燃油車驅動系統(tǒng)結構類似，電機控制器與PDU集成獨立安裝在車身上;第二種是電機+減速器+電機控制器集成結構：與燃油車驅動系統(tǒng)結構類似，電機控制器與電機和減速器集成在一起;第三種是多合一驅動單元，在三合一的基礎上，增加車載充電機（OBC）、電壓變換器（DC/DC）、電源分配單元（PDU）及電池管理系統(tǒng)主控單元（BCU）等其中幾種或全部的控制模塊;第四種是輪轂電機結構，驅動電機與輪轂集成到一體，同時電機控制器+PDU單獨安裝在車身上。從主要特點上來看，第一種布置形式結構簡單，開發(fā)成本和制造成本低，后面三種集成度高，結構緊湊，其中輪轂電機傳動效率最高，同時釋放前艙空間，有利于其他系統(tǒng)布置。當前量產(chǎn)的純電動汽車領域中，三合一電驅已經(jīng)成為主流，在本文中，針對三合一布置形式進行研究。

2.2 驅動單元電機形式

電動汽車電動機可分為交流電動機、直流電動機、交/直流兩用電動機、控制電動機（包括步進、測速、伺服、自整角等）、開關磁阻電動機及信號電動機等多種。適用于電力驅動的電動機可分為直流電動機和交流電動機兩大類。目前在電動汽車上已應用的和有應用前景的有交流感應（異步）電動機、永磁同步電動機、開關磁阻電動機等;

永磁同步電機具有效率高、轉速范圍寬、體積小、重量輕、功率密度大、成本低等優(yōu)點，成為純電動乘用車市場的主要驅動電機; 同時異步電動機在高速工況下效率高，在部分車型上也有應用。

3 驅動單元布置策略

3.1 驅動形式及電機布局

純電動汽車驅動單元的位置跟驅動形式有關，驅動系統(tǒng)布置形式是指驅動輪數(shù)量、位置以及驅動電機系統(tǒng)布置的形式，電動汽車的驅動系統(tǒng)是電動汽車的核心部分，其性能決定著電動汽車行駛性能的好壞，電動汽車的驅動系統(tǒng)布置取決于驅動單元布局方式，即放置在車輛底盤上的位置，通常有前置、后置以及前置+后置三種，按照電機功率分為四種驅動形式。

目前主流驅動單元在150KW左右，性能版可以達到300-400KW，更大的電機功率/扭矩可以提供更好的整車加速，但相應成本增加，后驅Base有更好的加速性能，但成本更高，單驅+輔助小驅動單元組合四驅是目前性價比較高的組合，性能車型多為兩大驅動單元的組合，前后電機的功率大小和選型根據(jù)整車性能目標進行定義。

3.2 電機布置形式及位置定義

對于前驅車型，電機與發(fā)動機布置有很大區(qū)別，由于電機小巧靈活，可以適配轉向機前置與轉向機后置。對于功率較大的電機（一般指大于100kw以上），若某車型確定使用轉向后置，推薦電機前翻布置，可以充分利用輪心之前的空間。若某車型確定使用轉向前置，則電機的布置空間受限于轉向機，后面受限于防火墻和電池，空間有限，一般采用電機后翻布置，在滿足半軸角度的前提下，可以適當對電機進行抬高（小鵬P7）或者旋轉（特斯拉model3）適配整車環(huán)境。對于后驅車型，電機布置在Z向一般受限于地板高度，在滿足離地間隙的前提下，向上累加，盡量預留更多的空間給行李箱;Y向考慮到半軸的共用原則，推薦居中布置;X向為了釋放更多的空間給電池，增加續(xù)航，推薦電機后翻。

3.3 競爭車型的驅動單元布置與性能參數(shù)

對2021年1-9月份的電動車銷量排名靠前的車型進行分析對比，驅動形式主要集中在后驅車型和四驅車型，同時功率在200kw以上，加速性在5s左右。如下圖5所示：

根據(jù)市場對電動車的需求，驅動單元后置布置以及前后置布置是主流，且電機的功率不宜太小，后電機或前后電機總功率至少200kw以上，保證目標客戶對性能的滿意度。

4 驅動單元布置要求

驅動單元的布置位置定義需考慮周邊零件的狀態(tài)，主要從固定，傳動軸角度，間隙要求和性能輸入等方面進行闡述。

4.1 固定方式

傳動車型的動力總成在左右縱梁和副車架上均有固定，電動車驅動單元一般在副車架本體和上橫梁進行固定，主要為三點式，同時，副車架與車身進行軟連接或者硬連接固定，以緩沖電機的高頻振動，空間上，根據(jù)連接方式不同，需考慮驅動單元以及懸置的動靜態(tài)間隙要求。

4.2 傳動軸角度要求

傳動軸角度是確定驅動單元位置的關鍵影響因素之一，與傳統(tǒng)燃油車型要求類似，根據(jù)節(jié)型不同，角度要求差異化，一般節(jié)型角度要求需小于5度，角度超過5度需評估對振動噪聲性能及耐久性的影響，考慮換更優(yōu)質的節(jié)型，成本會相應上升，同時，三維最低角度和平面角度要求與傳統(tǒng)車型也一致，分別需大于1度和小于1.5度。

4.3 間隙要求

4.3.1 離地間隙要求

根據(jù)競爭車型的狀態(tài)和車型定位進行整車離地間隙標準定義。電機最低點位置首先要滿足整車離地間隙要求，同時要滿足副車架保護要求，前驅動單元需在副車架最低點位置10mm以上，后驅動單元暫無副車架保護要求。

4.3.2 動靜態(tài)要求

由于驅動單元是固定在副車架上，且副車架是通過軟連接或硬連接與車身固定，在副車架軟連接的情況下，驅動單元動態(tài)包絡文件需考慮相對于副車架和車身以及兩者的疊加要求，輸入對應的包絡文件，要求動態(tài)間隙大于10mm以上，典型工況有18個工況要求滿足，若不滿足10mm，針對如下18個極端工況分析發(fā)生的概率，確認間隙風險可行性。

驅動單元極限運動工況：

1-向前極限加載

2-向后極限加載

3-垂直向上加載

4-垂直向下加載

5-側向向左加載

6-側向向右加載

7-垂直向上&側向向左加載

8-垂直向上&側向向右加載

9-垂直向下&側向向左加載

10-垂直向下&側向向右加載

11-垂直向上&向后加速

12-垂直向上&向前加速

13-垂直向下&向后加速

14-垂直向下&向前加速

15-向前極限扭矩

16-向后極限扭矩

17-前碰

18-后碰

4.3.3 制造要求

在設計階段，制造安裝過程中的間隙也需要同步考慮，需整體考慮到分裝零件的位置，如高壓線在電機上的位置，在安裝過程中與周邊車身和電池支架等的間隙，具體根據(jù)到最終位置的距離不同，到周邊零件的間隙要求會有差異，如下示例，以制造的具體要求為輸入。

4.4 振動噪聲性能要求

由于電機取代內燃機，進排氣的取消，驅動單元激勵與傳統(tǒng)內燃機完全不同，主要來源于線圈切割磁力線及齒輪嚙合，激勵階次多頻率高，可達到3000Hz。傳統(tǒng)車型的解耦布局不完全適用于電動車，驅動單元解耦率要求有所降低，要求大于80%，傳統(tǒng)車型在90%-95%或以上，激勵頻率高對懸置的動剛度及模態(tài)要求上升。同時由于電機的高階噪聲大，減速器的階次噪聲大以及起步加速噪聲，驅動單元需降低結構振動及輻射噪聲，雙層隔振系統(tǒng)可以提高隔振率，并進行扭矩輸出控制策略優(yōu)化。在輻射噪聲降低上，會增加電機系統(tǒng)包裹，包裹物厚度需考慮對布置空間的影響。

4.5 安全性能要求

電動車驅動單元在安全性能要求上，從整車角度和傳統(tǒng)車型一樣，要滿足RGB（正面剛性墻碰撞），SOF（小偏置碰），Ped pro（行人保護）和Crash space（碰撞空間）等要求。在具體的位置定義上，結合造型和車身縱梁的位置，進行相關安全性能檢查確認。在Crash space的計算上，驅動單元位置、上面集成的控制器模塊及插接件的X方向出線均對碰撞空間有影響，根據(jù)車型碰撞等級要求，確認碰撞空間可行性，進行驅動單元以及模塊的位置優(yōu)化。對驅動單元上的高壓電部分和12v線束，按照電動車PCEI（碰撞后電路完整性）要求，避免前后有硬物擠壓，對高壓模塊進行位置調整或增加保護罩。

4.6 管線接口要求

電動車的控制模塊多，且空調冷卻系統(tǒng)回路增加，所以管路和線束比傳統(tǒng)車要多，合理的空間規(guī)劃有利于管路線束的走向并且能避免動態(tài)干涉，同時要滿足安裝制造的操作可行性和人機空間要求，在初期的電機集成設計上，要確定電機各管線接口位置和電機上集成的控制模塊位置，以滿足安全性能、布置間隙、安裝制造和外觀質量要求。

5 結語

驅動單元作為電動車的一個關鍵系統(tǒng)，布置工作需要協(xié)調車身、動力系統(tǒng)、底盤、電子、空調冷卻系統(tǒng)等部門同時進行。相關工作的開展需建立在對純電動汽車的整車架構尺寸定義，整車性能、驅動電機選型、零部件系統(tǒng)等相關知識熟悉的基礎上。同時新技術和零件都在升級，平臺化和模塊化開發(fā)在純電動車上可帶動驅動系統(tǒng)模塊進一步向緊湊、小型化發(fā)展，滿足多樣化整車產(chǎn)品需求和不同驅動系統(tǒng)匹配。在驅動單元的布置上，要結合電動車趨勢及迭代更新的技術要求，不斷探索研究，以滿足市場和客戶的更高要求。

參考文獻：

[1]張華清.純電動汽車的整車布置，2018（9）.

[2]洪永福.汽車總體設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[3]劉嬌等.電動汽車驅動電機選型及制造簡介.《電機技術》2015年第3期.