基于燃油汽車開發(fā)的純電動汽車系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

臧震　許瑞統(tǒng)　熊保平　張克忠

【摘 要】在傳統(tǒng)燃油汽車平臺進(jìn)行純電動汽車的開發(fā)，將燃油動力系統(tǒng)替換為純電動動力系統(tǒng)，對純電動系統(tǒng)進(jìn)行布置設(shè)計，其中電池組的加裝使得整備質(zhì)量增加，從而影響原車其他系統(tǒng)，包括懸架系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。對相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行匹配開發(fā)并在實車上進(jìn)行校核驗證，最終在燃油汽車平臺上完成了純電動汽車樣車的開發(fā)。

【關(guān)鍵詞】燃油車改制;電動汽車;結(jié)構(gòu)布置;校核驗證

中圖分類號： U469.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）36-0009-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.004

Design and Implementation of Pure Electric Vehicle System Based on Fuel Vehicle Development

ZANG Zhen XU Rui-tong XIONG Bao-ping ZHANG Ke-zhong

（New energy vehicle research center， tsinghua strait research institute（xiamen）， Xiamen Fujian 361000， China）

【Abstract】The development of pure electric vehicles on the traditional fuel vehicle platform， replacing the fuel-powered system with the pure electric power system， arrangement design for electric systems， in which the installation of the battery pack increases the quality of the preparation， thereby affecting other systems of the original vehicle， including Suspension system， braking system and steering system. The relevant system was developed and verified on the actual vehicle. Finally， the development of the pure electric vehicle prototype was completed on the fuel vehicle platform.

【Key words】Fuel vehicle restructuring; Electric vehicle; Structural arrangement; Verification

0 引言

近年來，國內(nèi)汽車行業(yè)無論是在總體產(chǎn)銷規(guī)模和技術(shù)能力都得到了空前的提高。特別是電動汽車的開發(fā)和推廣。電動汽車的開發(fā)分為兩種模式，一是新型的造車勢力，比如蔚來汽車，小鵬汽車等，其開發(fā)的純電動汽車都是全新平臺開發(fā);另外一種為大多數(shù)傳統(tǒng)汽車企業(yè)，結(jié)合自身的產(chǎn)品特性，在傳統(tǒng)燃油車的基礎(chǔ)上去開發(fā)電動汽車。兩種方案各有利弊。本文主要闡述基于傳統(tǒng)燃油汽車平臺開發(fā)的純電動汽車底盤結(jié)構(gòu)布置設(shè)計，并提出由于整車重量改變導(dǎo)致的整車姿態(tài)的變化、制動性能和轉(zhuǎn)向性能的變化的解決方案。

1 整車性能要求及技術(shù)方案

1.1 整車參數(shù)定義

以一款前置前驅(qū)中型SUV車型為平臺，移除動力總成、燃油系統(tǒng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)。設(shè)計開發(fā)整套純電動動力系統(tǒng)，對整車參數(shù)進(jìn)行定義：

（1）電池包參數(shù)：基于市場和項目成本的控制因素進(jìn)行定義。磷酸鐵鋰電芯的優(yōu)點是成本低、穩(wěn)定性好、安全性高，自然冷卻能夠滿足散熱需求，市場產(chǎn)品開發(fā)成熟;其缺點體積大，能量密度低。綜合市場因素和成本因素考慮，選擇磷酸鐵鋰的電池。采用乘用車普遍使用的340V電壓平臺，根據(jù)客戶使用需求，定義綜合續(xù)航里程必須大于300km，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性仿真計算，電池容量須大于50kW·h。

（2）動力性參數(shù)：電機根據(jù)動力性和經(jīng)濟(jì)性要求對市場上的成熟產(chǎn)品進(jìn)行選型，選用永磁同步電機保證系統(tǒng)效率和可靠性，對標(biāo)同等級車型定義動力性參數(shù)，包括百公里加速時間小于15S，最大爬坡度大于20%，最高車速大于160km/h。

（3）其他參數(shù)：對整車總量進(jìn)行初步估算，定義整備質(zhì)量目標(biāo)小于2000kg。為保證底盤通過性，最小離地間隙要求大于150mm。根據(jù)客戶使用需求和使用環(huán)境結(jié)合磷酸鐵鋰電芯充放電特性和溫升特性定義快充時間小于1.5h，慢充時間小于12h。詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 整車參數(shù)定義

1.2 整車技術(shù)方案

根據(jù)整車性能參數(shù)要求制定技術(shù)方案，包括電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計和布置、懸架系統(tǒng)調(diào)整、制動系統(tǒng)調(diào)整和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)問題處理。

1.2.1 電池包布置設(shè)計

電池包結(jié)構(gòu)根據(jù)現(xiàn)有車身地板邊界和系統(tǒng)性能設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行開發(fā)，原則上保證整車最小離地間隙和電池性能參數(shù)的前提下對車身地板做最小變動。結(jié)合車身結(jié)構(gòu)校核與電池電氣系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計，最終設(shè)計的電池包本體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 電池包本體結(jié)構(gòu)尺寸

校核電池包邊界設(shè)計安裝結(jié)構(gòu)，在原車地板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上新增安裝邊梁及固定點。原車身地板進(jìn)行避讓改制，同時保證強度。布置效果如圖2所示。

圖2 電池包底盤布置效果圖

電池包的裝配方案會產(chǎn)生兩個方面的影響。一是整車重量的變化，由于動力電池包的重量一般能達(dá)到整車質(zhì)量的20%-30%。這就導(dǎo)致重新布置會對整車的質(zhì)量分布發(fā)生改變，從而影響整車的性能。二是整車姿態(tài)會產(chǎn)生變化，重量增加會影響最小離地間隙。改制前后的重量、軸荷、質(zhì)心高度參數(shù)詳見表2。

表2 電池包布置對整車參數(shù)影響

1.2.2 懸架系統(tǒng)

由于電池包的加裝使整備質(zhì)量增加，整車姿態(tài)下降，最小離地間隙實測只有110mm，通過性較差，不符合設(shè)計要求，因此采用對懸架系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整的方案來提高最小離地間隙。

為了恢復(fù)車身姿態(tài)，替換成剛度較大的螺旋彈簧，同時增加墊塊提升高度，對懸架系統(tǒng)和最小離地間隙重新進(jìn)行校核，如圖3所示，實車測量最小離地間隙為152mm，滿足設(shè)計要求。實車驗證行駛過程中懸架系統(tǒng)的調(diào)整對舒適性影響較小。

懸架的調(diào)整同時會影響傳動系統(tǒng)，需對左右傳動半軸長度和角度進(jìn)行校核，根據(jù)校核結(jié)果重新匹配設(shè)計傳動半軸。

圖3 懸架調(diào)整方案與校核

1.2.3 制動系統(tǒng)

由于整備質(zhì)量增加，前后軸荷產(chǎn)生變化，整車質(zhì)心高度降低，制動系統(tǒng)的性能需要重新確認(rèn)。對改制前后的制動性能進(jìn)行對比測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 改制前后制動性能測試

依照測試結(jié)果，行車制動率明顯下降、制動距離和協(xié)調(diào)時間變長，平均減速度下降，整體制動性能不滿足要求。對改制前后制動性能參數(shù)進(jìn)行計算分析，如表4所示。

表4 改制前后制動參數(shù)對比分析

改制后整車重量、軸荷和質(zhì)心高度發(fā)生變化導(dǎo)致同樣達(dá)到0.8g減速度需要更大的系統(tǒng)油壓和踏板力，為了保證制動性能必須降低對系統(tǒng)油壓和踏板力的需求，可以從兩個方面進(jìn)行調(diào)整：一是加大制動器的有效半徑和輪缸直徑，二是提升真空助力系統(tǒng)的真空度。對比同等重量車型的制動器有效半徑和輪缸直徑，發(fā)現(xiàn)對標(biāo)車型相同的制動器規(guī)格能夠滿足制動性能要求。所以對真空助力系統(tǒng)和制動管路進(jìn)行調(diào)整，通過調(diào)節(jié)真空助力泵提升真空度，同時對制動管路進(jìn)行排空氣處理。

調(diào)整之后在實車上對制動性能進(jìn)行測試，制動性能有所提升，考慮ABS的介入對制動性能的影響，屏蔽ABS之后進(jìn)行制動性能對比測試，發(fā)現(xiàn)ABS的介入會降低最大制動力從而影響制動性能。ABS需進(jìn)行匹配開發(fā)。

綜合以上，整備質(zhì)量的增加，制動性能需要從基礎(chǔ)制動性能和ABS方面進(jìn)行設(shè)計開發(fā)來滿足整車的設(shè)計要求。

1.2.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

移除發(fā)動機后由于缺少發(fā)動機相關(guān)信號轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)，轉(zhuǎn)向助力功能缺失。

為了解決轉(zhuǎn)向助力問題，在CAN總線上進(jìn)行信號處理，使用信號模擬器發(fā)送發(fā)動機狀態(tài)信號（如圖4），采集PCAN上ECU報文信號進(jìn)行解析，獲取發(fā)動機檢測對應(yīng)幀ID和詳細(xì)數(shù)據(jù)。按照獲取的報文信息編寫通信協(xié)議，由VCU代替原ECU發(fā)送相關(guān)報文到PCAN。解除發(fā)動機保護(hù)狀態(tài)，同時原車發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號替換為電機轉(zhuǎn)速信號。實車測試，轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，轉(zhuǎn)向助力的大小根據(jù)車速自動調(diào)節(jié)。

2 實車驗證

按照上述方案，在樣車上落實制動、轉(zhuǎn)向和整車姿態(tài)的方案實施。對實車進(jìn)行封閉場地的動靜態(tài)測試。靜態(tài)方面測試結(jié)果：整備質(zhì)量1950kg、最小離地間隙152mm;動態(tài)方面測試結(jié)果：百公里加速時間13s、最大爬坡度21%、續(xù)航里程310km。

測試結(jié)果滿足設(shè)計要求，方案可行且易于實現(xiàn)。

圖4 使用信號模擬器發(fā)送發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)燃油汽車平臺上進(jìn)行電動汽車的開發(fā)能夠極大縮短開發(fā)周期，其中整車的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計重點在于純電動動力總成和電池包的布置設(shè)計，同時需重新校核懸架系統(tǒng)、制動系統(tǒng)。通過設(shè)計與樣車試制最終成功實現(xiàn)純電動汽車的開發(fā)，車輛道路測試正常、運行穩(wěn)定。

【參考文獻(xiàn)】

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