電動汽車整車技術方案的設計

秦建軍

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

越來越嚴格的油耗政策以及新能源鼓勵政策促使我國新能源汽車尤其是純電動汽車不斷發展?？紤]到純電動汽車相比傳統燃油汽車質量大、續駛里程短、成本高等客觀劣勢，在保證整車動力性、經濟性、乘坐舒適性等性能的基礎上，如何減輕純電動汽車的整車質量、提高其續駛里程以及減少百公里能耗、控制開發成本等問題成為純電動汽車開發中的重要課題。文章重點從電機和電池參數選型、人機方案制定、整車平臺衍變等角度出發，探討純電動汽車的整車技術方案設計，為純電動汽車整車工程目標的達成和后續零部件的工程設計奠定基礎。

1 電機和電池選型

1.1 電機選型

1.1.1 電機類型選擇

從電動汽車的使用工況分析，要求其驅動電機能夠適應頻繁的啟動/停車、加速/減速工況，并要求在啟動、低速行駛和爬坡時具有較大的驅動扭矩，高速行駛時具有恒功率特性，同時具有較寬的調速范圍，以滿足整車動力性和經濟性要求。

目前市場上純電動汽車所搭載的電機大多采用永磁同步電機。從電機特性來看，永磁同步電機具有體積小、質量輕等優點，在有效減小機艙布置空間的同時，能夠減輕整車質量，對提高整車動力性和經濟性、增加整車續駛里程具有重要意義。除此之外，永磁同步電機還具有以下優點：

1）效率高：永磁同步電機的磁場是由轉子永磁體提供，從而避免通過勵磁電流產生磁場而導致勵磁損耗；

2）調速范圍大：由于是用永磁作為勵磁磁場，因此調整電流與頻率即可很大范圍調整電機的功率和轉速；

3）發熱小，密封性強，免維護；

4）外特性好，非常符合電動汽車的負載特性，尤其是永磁同步電機具有可貴的低速大轉矩特性，能夠提供大的起動轉矩，滿足車輛的起動和加速要求。

表1 示出永磁同步電機與交流異步電機和開關磁阻電機的性能比較。

表1 新能源汽車用交流電機的性能比較[1]

隨著永磁同步電機的發展及廣泛應用，其研發和使用成本也將不斷降低，所以永磁同步電機正逐漸成為純電動汽車的主流電機之一。

1.1.2 電機參數匹配

電動汽車驅動電機的參數主要包括峰值功率、額定功率、最高轉速和額定轉速。

驅動電機的功率直接影響著整車的動力性能，整車的動力性主要體現在整車的最高車速、爬坡性能和加速性能三方面。所以，通常從最高車速、最大爬坡度以及加速時間來確定電機的最大功率。

電動汽車以最高車速行駛時所消耗功率（Pv/kW）的計算[2]，如式（1）所示。

式中：vmax——最高車速，km/h；

η——傳動系機械效率；

m——電動汽車整備質量，kg；

f——滾動阻力系數；

CD——空氣阻力系數；

A——迎風面積，m2。

電動汽車爬上最大坡度所消耗功率（Pi/kW）的計算[2]，如式（2）所示。

式中：i——最大爬坡度，（°）；

v——爬坡速度，km/h。

電動汽車在水平路面上加速行駛所消耗的功率（Pj/kW）的計算[2]，如式（3）所示。

式中：δ——汽車的旋轉質量換算系數。

電動汽車驅動電機的額定功率（Pe/kW）同時滿足汽車對最高車速、加速時間以及爬坡度的要求，所以Pe≥max{Pv，Pi，Pj}[2]。

純電動汽車的Pe與峰值功率（Pmax/kW）的關系[3]，如式（4）所示。

式中：λ——電機過載系數（λ 一般取2～3）[2]。

根據額定功率與峰值功率的關系確定電機的峰值功率。

通常電動汽車最高車速為驅動電機最高轉速的90%～95%，所以可依據整車定義的最高車速，初步選擇驅動電機的最高轉速。驅動電機最高轉速與額定轉速的比值稱為電機的擴大功率區系數β，隨β 值的增大，驅動電機可在低轉速區獲得較大的扭矩，有利于提高整車的加速性能和爬坡性能，但β 過大，會導致驅動電機的工作電流過大，從而增大電機逆變器的功率損耗和結構尺寸，因此，β 值一般取2～3[3]。由此，可初步計算驅動電機的額定轉速范圍。

1.2 電池選型

1.2.1 電池類型選擇

動力電池作為純電動汽車的唯一動力源，其性能直接影響著整車的動力性及續駛里程。目前，市場上應用于電動汽車的電池類型主要有：鋁酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鐵電池等[4]。其中鋰離子電池以其能量密度大、單體額定電壓高、充放電效率高、高低溫適應性強、故障率小、自放電率小等優點得到純電動汽車的廣泛應用。

1.2.2 電池參數匹配

純電動汽車電池參數匹配主要包括動力電池組電壓和能量的匹配。

動力電池組電壓等級需與驅動電機的電壓等級一致，且滿足驅動電機電壓范圍的變化，同時，由于電動汽車上其他用電設備如電動空調、電動真空泵、DC-DC、電動助力轉向等附件的功率消耗，因此，動力電池組總電壓應高于驅動電機額定電壓。

一般車載動力電池的放電電流I0max≤300 A，其與動力電池組輸出電壓的關系，如式（5）所示。

式中：U0min——動力電池組最低輸出電壓，V。

根據式（5）可得到動力電池組輸出電壓（U0/V），如式（6）所示。

動力電池組能量的大小決定了純電動汽車的續駛里程。續駛里程的（S/km）計算，如式（7）所示。

式中：Eb——動力電池組能量，kW·h；

F——電機驅動力，N；

ηT——機械傳動效率；

ηmc——電機效率；

ηq——電池放電效率。

由續駛里程設計值，可初步推算出動力電池組的能量。電動汽車在不同工況下，單位行駛里程所消耗的能量差別很大，難以用統一的計算公式進行計算，可用試驗方法求取。

2 人機方案制定

純電動汽車動力電池一般布置在車身地板下部，為保證車輛的通過性能，需將地板平面抬高。在座椅R點位置不變的情況下，地板平面抬高必然會擠壓乘員腿部空間，造成腿部不舒適度增大，從而影響乘員的駕乘感受。所以如何優化電動汽車的人機布置方案，提高乘員乘坐舒適性是電動汽車設計的一項必要工作。文章以某車型為例，闡述純電動汽車人機布置的調整方案。

圖1 示出某電動汽車動力電池在地板下的布置方案。從圖1 可以看出，動力電池布置在車身前地板下，前排乘員腳部空間不受影響，后排乘員腳部動力電池箱上蓋平面比原車地板平面高出45 mm。

圖1 某電動汽車動力電池在地板下的布置方案示意圖

考慮留出動力電池箱上蓋平面與地板平面最小間隙6 mm，新的地板平面較原地板平面抬高51 mm，相應地后排乘員踵點Z 向抬高51 mm，但由于前排座椅骨架的限制，后排乘員踵點無法直接抬高，所以需將后排乘員踵點沿Z 向向上抬高51 mm 的同時，沿X 向向后移動82 mm，如圖2 所示。踵點移動后，后排乘員的膝蓋角和胯角變小，有效腿部空間變小，為保證后排乘員乘坐舒適性，同時兼顧頭部空間，將后排R 點沿Z 向抬高30 mm。相對原車，后排乘員腿部空間和頭部空間均有所減小，可在前期通過RAMSIS 分析乘坐舒適性，進而確定人體調整的可行性，在后期騾子車階段可對調整方案進行主觀評價。

圖2 某電動汽車人機調整示意圖

3 底盤系統調整

電動汽車整車整備質量比同級別傳統燃油汽車質量要重數百千克，為保證整車姿態、懸架承載能力、操縱穩定性能和制動性能，需對底盤懸架系統、制動系統以及轉向系統進行適應性匹配。以某車型為例來闡述底盤系統的適應性調整。圖3 示出某電動汽車各系統的布置位置。

圖3 某電動汽車各系統布置示意圖

當整車各系統布置方案確定后，整車空載前后軸荷分別增加150 kg 和200 kg，為滿足整車車身姿態以及懸架承載能力的要求，需對前后懸架的螺旋彈簧進行剛度匹配設計、前后減震器阻尼重新匹配、前后輪轂軸荷進行加強設計、后橫梁重新設計。

由于整車質量及前后軸荷的變化較大，制動主缸帶真空助力器總成需要調整，后制動鉗體模塊需要重新匹配。同時新增真空泵、真空罐及支架等，ABS/ESP重新匹配標定。

由于前軸荷變化較大，需對EPS 電機進行適應性匹配設計。

4 下車身結構調整

電動汽車車身結構的調整主要考慮動力電池布置安裝、碰撞安全以及輕量化設計等方面。

傳統車改制的電動汽車，動力電池箱一般布置在地板下，地板結構調整應適應動力電池箱的布置和安裝。動力電池質量達數百千克，所以需對車身安裝結構進行強化設計，以保證動力電池安裝的牢固性和車身安裝部位的疲勞耐久性。另外，為提高動力電池容量，需盡量增大動力電池的布置空間，這就要求地板下動力電池安裝邊梁應盡量往地板兩側布置，加大動力電池Y 向布置空間。

從碰撞安全性角度考慮，在正面碰撞時，從機艙傳遞的碰撞力需通過地板縱梁向后傳遞，但是電動汽車地板下為給動力電池箱讓出空間，地板傳力縱梁向車身兩側布置，導致機艙縱梁與地板傳力縱梁的Y 向間距較大，同時由于在傳統車基礎上改制，機艙縱梁與地板縱梁Z 向距離也在200 mm 以上，這就導致在正面碰撞時，碰撞力不能很好地按照傳力路徑進行傳遞。基于以上考慮，在地板結構調整時需考慮至少解決1 個方向上的間距過大問題，保證力的有效傳遞。在側碰時，為盡量減小動力電池在碰撞時的受擠壓變形，需考慮加強門檻梁結構以及座椅安裝橫梁結構設計。

據計算分析，電動汽車質量每降低10%，其續駛里程可增加5.5%左右，可見輕量化對電動汽車續駛里程提升的作用非同小可。在下車身結構設計時，在保證整車碰撞安全及NVH 等性能要求的前提下，盡量考慮薄壁化設計；在成本允許的情況下，一些關鍵結構可采用高強度鋼、高強度復合材料、合金材料等措施，從而在提高車身強度的同時降低整車質量。

5 其他系統適應性調整

電動汽車的懸置系統比燃油汽車的懸置系統結構要相對簡單，由于電驅動系統轉子旋轉驅動與燃油發動機曲軸旋轉運動不同，電驅動系統所帶來的各方向扭矩波動比燃油發動機要小且平穩很多，但電驅動系統的峰值扭矩明顯高于同級別燃油車，且峰值扭矩在一個很大的轉速區間內，在起步和制動能量回收時，扭矩在極短時間內都會發生大幅反轉，懸置系統需承受大幅度的載荷變化，所以對于電動汽車來說，動力總成懸置系統需要有較強的抗扭限位能力。懸置結構主要選擇結構簡單并且能提供大剛度的柱形橡膠懸置，懸置點的布置主要考慮將動力總成質心落在各懸置中心點圍成的區域內，提升懸置系統的抗扭限位能力。

電動汽車的冷卻系統包括兩部分：一部分是對驅動電機、電機控制器、DC-DC、車載充電機等部件的冷卻；另一部分是對動力電池的冷卻。由于驅動系統與動力電池工作溫度要求不同，考慮設定2 套獨立的冷卻系統，另外需考慮動力電池系統的加熱功能，保證在低溫環境下動力電池的性能。

有別于傳統燃油車的空調系統，電動汽車空調系統需參與動力電池的冷卻，通過熱交換器對動力電池的冷卻循環水進行冷卻；另外空調系統可考慮采用熱泵系統，可有效地提高采暖效率，降低能耗，從而保證了電動汽車的續駛里程。

6 結論

文章通過對電動汽車的電機方案選型、電池方案選型、人機方案制定、底盤系統及下車身結構調整，以及懸置、冷卻等系統的方案制定、方法介紹，說明了電動汽車整車技術方案制定需研究的主要內容和關鍵方法。整車技術方案的制定是整車開發的基礎，決定著整車各系統的開發難度、整車各項性能的優劣、整車開發成本的高低，生產設備改造投資的多少等。文章重點從整車開發角度出發，以性能開發為前提，綜合考慮技術難度、成本控制、開發周期、生產工藝等方面，結合開發實例進行說明，對后續電動汽車的整車開發具有較強的實用參考價值。