純電動前置前驅轎車機艙關鍵部件布置研究

石強 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 前置前驅轎車 機艙布置 電驅總成 高壓部件

1 前言

近年來，隨著中國經濟迅速發(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2.4億輛，比2017年增加2 285萬輛，增長幅度達10.51%[1]。燃油汽車的迅猛發(fā)展，導致我國對石油資源的需求日益增加。2018年中國原油進口量遠超美國，成為全球最大的原油進口國，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]。

純電動前置前驅轎車在電動汽車中使用最為廣泛，機艙布置相對純電動后驅轎車也更為復雜，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

布置關鍵部件及體積相對大一些的部件；

（2）機艙符合整車碰撞安全要求；

（3）各部件符合機艙布置間隙要求；

（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轎車機艙關鍵部件布置設計及相關要求進行闡述。

2 純電動前置前驅轎車機艙部件構成

純電動前置前驅轎車機艙包括車輛的動力系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、剎車制動系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)等。在純電動轎車機艙布置時，首先以差速器中心為基準點來布置動力總成，進而確定電驅總成在機艙中的位置。其它部件根據(jù)電驅總成定位進行適應性布置，各部件根據(jù)位置需要可進行相互調整，從而滿足達到最優(yōu)布置。圖1是某純電動前置前驅轎車典型機艙布置。

圖1 某純電動前置前驅轎車機艙布置

①風窗洗滌液罐；②ESP；③電機冷卻水泵；④高壓配電盒；⑤前端冷卻模塊；⑥制動真空罐；⑦空調壓縮機；⑧膨脹水箱；⑨電池冷卻水泵；⑩Chiller；?熱交換器；?空調水泵；?EPS；?電子三通閥；?充電機、DC-DC二合一；?電驅系統(tǒng)；?真空助力器；?水暖PTC；?12V蓄電池；?低壓配電盒

3 純電動前置前驅轎車機艙布置方案

由于純電動前置前驅轎車機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、高壓配電盒等部件；也可以借助電驅動總成出支架固定點來固定充電機、水泵、PTC、高壓配電盒等部件。支架下層空間用來布置壓縮機、電機、減速器、電機控制器、真空泵等部件，如圖2所示。

圖2 機艙分層布置方案（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、充電機二合一集成方法（圖3）；電機、電機控制器和逆變器、減速器三合一的集成方法（圖4）；集成充電機、DC-DC、高壓配電盒、BMS的特斯拉功率轉換組件等方案（圖5）。

圖3 充電機、DC-DC二合一集成

圖4 電機、減速器、電機控制器及逆變器集成

圖5 特斯拉功率轉換組件[7]

4 機艙關鍵部件布置分析

4.1 電驅總成布置分析

純電動轎車常采用電機、減速器、電機控制器和逆變器三合一的電驅動總成。對于電驅總成布置約束，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“驅動軸夾角”和“減速器傾角”。

（1）“驅動軸夾角”是指驅動軸內外節(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]。經驗要求驅動軸極限夾角小于7°，一般控制在5°以內。

圖6 驅動軸夾角示意

（2）“減速器傾角”是指通過電機輸出軸線與減速器輸出軸線的平面與水平面的夾角。為了保證減速器內部潤滑狀態(tài)，結合減速器產品結構，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)經驗，針對純電動前置前驅轎車電驅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 電驅總成布置間隙要求

4.1.3 電驅總成“Y方向”位置

電驅總成的Y方向位置主要受機艙左右縱梁約束。同時，驅動半軸有“兩軸”、“三段軸”方案。在電驅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、兩側轉動慣量平衡，防止車輛發(fā)生“跑偏”。

圖8 “三段軸”式驅動系統(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，前置前驅電動車輛目前基本都采用將高壓部件布置在前機艙的方案。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，在機艙布置中尤為重要，直接影響高壓安全和機艙美觀程度[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盡量避開車輛碰撞潰縮嚴重區(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 電動空調壓縮機布置分析

圖10 高壓部件集中布置方案

（1）電動空調壓縮機在工作時振動較大，為了減少振動對整車舒適性的影響，通常將電動壓縮機固定到電驅總成上，或者通過壓縮機支架固定到電驅總成上，這樣可以通過總成懸置起到有效避震作用。

（2）為保證電動空調壓縮機內部潤滑油儲存，壓縮機布置允許回轉角度為±15°，允許傾斜角度為10°，如圖11所示。

圖11 電動空調壓縮機布置角度要求

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，布置時應結合真空泵的運動包絡對周圍零部件進行間隙校核，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

5 結語

純電動前置前驅轎車機艙布置是一項復雜的、系統(tǒng)的、反復的工作過程。尋找最優(yōu)的布置方案，不僅可以使得機艙整潔、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，對于純電動轎車機艙內的高壓部件，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，應加強企業(yè)、高校合作，同時與世界先進電動車企業(yè)學習、對標，開發(fā)部件高度集成方案，使得產品合理化、通用化、平臺化。