純電動汽車新能源系統結構集成設計

張顯波 張春才 于長虹 張天強 郭源科 楊振 張宇鵬 石強

（中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013）

縮略語

PDU Power Distribution Unit

OBC On-Board Charger

DC/DC Direct Current-Direct Current

BDU Battery Disconnect Unit

BMS Battery Management System

PTC Positive Temperature Coefficient

0 引言

2020 年11 月2 日，國務院印發了《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》，規劃指出到2035年純電動汽車成為新銷售車輛的主流，并部署了強化新能源汽車集成技術創新[1]。純電動汽車是新能源汽車最重要的一個分支，在新能源汽車中的滲透率達到80%以上，因此，對于純電動汽車的深入研究勢在必行。

純電動汽車新能源系統主要包括驅動電機、減速器、電機控制器、動力電池、整車配電盒、直流轉換器和車載充電機[2]。隨著研究深入，新能源系統逐步由分布式向集成式方向發展，黃波[3]分析了純電動汽車三合一集成式電驅動系統的基本結構形式,對比了同類型產品的集成構型,得出了三合一電驅動系統構型方案。侯磊等[4]創新設計了一款多合一電驅動系統，由電機、減速器、電機控制器、直流轉換器、車載充電機、整車配電盒、整車控制器、壓縮機和水泵組成。車建華等[5]對電機控制器、直流轉換器、車載充電機以及整車配電盒組成的四合一總成進行了控制研究。

目前，某車型的新能源系統中，除電驅、減速器和電機控制器集成為三合一外，其他總成仍然是獨立的、零散的，比如整車配電盒、車載充電機、直流轉換器等布置在前機艙內，動力電池等布置在車身地板下，總成零件過多、線束過長和連接器過多，進而導致占用的空間增大和質量增多的問題。

2018年11月25日，由中國安全生產科學研究院牽頭承擔的國家重點研發計劃“高海拔高寒地區金屬礦山開采安全技術研究與裝備研發”項目啟動暨實施方案論證會在北京召開。彭蘇萍院士、王國法院士、呂敬民教授級高工等項目咨詢專家組、科技部社發司、21世紀中心、應急管理部科信司和安全生產基礎司、項目牽頭承擔單位以及項目骨干等110余位代表參加了會議。

本文為了解決新能源系統分布式方案存在的問題，開展動力電池、電池管理系統、電池分線盒、整車配電盒、車載充電機和直流轉換器集成設計，交流充電座與直流充電座的二合一集成設計和壓縮機高壓線束與正溫度系數熱敏加熱器（Positive Temperature Coefficient，PTC）高壓線束的集成設計研究。

1 新能源系統集成高壓原理

通過優化純電動汽車高壓系統原理，可以大幅減少接插件的使用數量和冗余高壓線束[6-7]。黃江濤等[8]通過優化高壓系統原理，將整車配電盒與電驅三合一集成，節約一套電機控制器線束。此外，將空調高壓線束和PTC 高壓線束合并，減少一個高壓回路，優化高壓系統原理后，線束成本降低約730 元。李松原[9]通過整車線束原理和布置方面進行平臺化設計，并應用到某車型開發，減少了問題點，并實現縮短設計和開發周期、降低新能源系統成本。黃江波[10]以汽車線束布置原則和注意事項為前提，重點分析優化了電動汽車高壓線束的布置，優化后可降低高壓線束的使用量，實現進一步降低成本。

本文以平臺化設計理念，結合整車布置，優化高壓系統原理。優化前為分布式方案，其高壓原理示意見圖1，車載充電機和直流轉換器采用二合一總成，與高壓配電盒線束連接。高壓配電盒為獨立總成，與動力電池線束連接。交流充電座與直流充電座為2個獨立總成，交流充電座與車載充電機和直流轉換器二合一總成連接，直流充電座與動力電池連接。壓縮機和PTC分別與高壓配電盒連接。分布式方案的線束及連接器多，并導致結構復雜、布置困難和成本增加的問題。

圖1 新能源系統分布式高壓原理

為了解決上述問題，提出一種新能源系統集成方案，其高壓原理示意見圖2。其中，能量分配管理總成集成了整車配電盒、電池分線盒、直流轉換器、車載充電機，并實現與動力電池集成。整車配電盒與電池分線盒進行深度集成，減少繼電器使用數量，并利用DC/DC進行反向預充。交流充電座與直流充電座采用集成設計，形成二合一充電座總成。壓縮機高壓電線束和PTC 高壓電線束采用二合一集成技術。此方案具有集成度高、占用空間小和總成質量低的優點。

圖2 新能源系統集成式高壓原理

2 能量分配管理總成設計

2.1 整車布置空間分析

在分布式方案中，動力電池布置在地板下，二排座椅與動力電池之間的空間未得到充分利用，存在空間浪費。而整車配電盒、車載充電機、直流轉換器布置在前機艙內，又會導致前機艙內空間緊張。因此，可將這些部件布置在二排座椅與動力電池之間的空間，前機艙可設計儲物箱，從而增大儲物空間，提升用戶體驗。另外，該車型系列是以后驅為主，將這些部件布置在此處，還可以減短后驅直流母線的長度。

2.2 能量分配管理總成設計

能量分配管理總成由殼體、功率模塊、高壓配電模塊和高壓驅動模塊以及連接器和水嘴構成，見圖3。殼體由主箱體、下蓋板和上蓋板組成。鋁合金屬是一種輕質材料，能夠實現產品輕量化設計[11-12]。與其他材料及工藝相比，壓鑄鋁合金具有明顯優勢（表1），適用于能量分配管理總成殼體。

表1 壓鑄鋁合金優點

圖3 能量分配管理總成結構

功率模塊包括上功率板和下功率板，分別固定在主箱體左側的上部和下部。高壓配電模塊固定于主箱體的中部，并與功率模塊相鄰。高壓驅動模塊固定于主箱體的右側。另外，水道蓋板與主箱體上的水道結構配合后形成立體水道，用于功率模塊的散熱。為了避免水道內的冷卻液在流動過程中形成湍流，水道結構設有擾流組件。為了更好地把功率板上器件的熱量帶走，水道蓋板上設有電磁屏蔽導熱結構。水道蓋板上的密封膠槽打滿結構密封膠后，通過螺栓緊固到主箱體上，實現水道蓋板與主箱體的密封。上蓋板與下蓋板采用相同的方式與主箱體實現密封。多個部件集成在一個總成內，電磁兼容性設計從2個方面著手：（1）降低功率器件產生的電磁噪聲；（2）提高功率器件對電磁環境的抗擾能力。

具體措施有：

（2）車載充電機的交流電輸入采用AC濾波電路，經過繼電器、功率因數校正（Power Factor Correction,PFC）電路、LLC 電路及濾波電容轉換后，最后經由輸出濾波電路輸出直流電。同樣直流轉換器的直流輸入側和輸出側均采用濾波電路。

（3）配電模塊的輸入與輸出設置有磁環和濾波板。

（4）磁性器件設置在獨立的封閉金屬腔體內，減少電磁輻射。

基于以上措施，通過測試能量分配管理總成的電磁兼容性等級達到了Class 3的要求。

2.3 能量分配管理總成與動力電池集成設計

能量分配管理總成與動力電池主要涉及結構固定與密封、高壓電連接和低壓電連接，其集成結構見圖4。為了保證能量分配管理總成與動力電池的可靠固定，能量分配管理總成前部和后部分別設置了2個固定點和3個固定點，其中能量分配管理總成的前部通過支架固定在動力電池內部橫梁上，后部固定在動力電池箱體的后橫梁上。

圖4 能量分配管理總成與動力電池集成結構

為了避免線束手動插接裝配，提高了裝配效率與操作安全性，高壓電連接和低壓電連接采用了集成電連接器。集成電連接器由上連接板和下連接板組成，通過上連接板與下連接板的接插配合，實現高壓電和低壓電連接。集成電連接器的上連接板固定在能量分配管理總成上，下連接板固定在動力電池上。上連接板設計有錐形導向銷，下連接板設計有導向孔，通過導向銷和導向孔的配合，保證插接過程中對中準確，避免裝配時發生磕碰，導致電連接失效。

2.4 能量分配管理總成集成方案CAE分析

計算機輔助工程設計（Computer Aided Engineering，CAE）經歷了50多年的發展，其理論和算法日趨成熟，現已成為汽車產品必不可少的數值計算工具。隨著計算機技術的普及和不斷提高，CAE系統的功能和計算精度都有很大提高，各種基于產品數字建模的CAE系統應運而生，并已成為結構分析和結構優化的重要工具[14-17]。

根據開發需求，新能源系統集成方案分析了靜強度、疲勞強度、隨機振動疲勞、定頻振動、掃頻振動和后面碰撞安全等共10個工況，箱體的主要部件材料參數見表2。經過2輪CAE分析，分析結論見表3。

表2 能量分配管理總成箱體材料參數

表3 新能源系統集成方案CAE分析結論

第1輪垂直工況下的強度分析結果顯示能量分配管理總成固定結構存在應力集中的問題，如圖5 所示。為了有效地分散集中應力，優化加強筋的結構，使其超過螺栓固定中心，優化后的分析結果滿足目標要求，見圖6。最終，新能源系統結構集成方案10 個工況均達到設計要求。

圖5 第1輪垂直疲勞工況主箱體安全系數

圖6 第2輪垂直疲勞工況主箱體安全系數

3 二合一充電座集成設計

分布式方案中，交流充電座和直流充電座是2 個獨立的零件，占用空間較大，且存在材料浪費問題。為解決分布式方案存在的問題，提出一種集成式充電座，見圖7。交流充電口與直流充電口共用充電座殼體，形成集成式充電座，其通過4點固定在車身充電座固定支架上。此方案，節約了充電座殼體用料，并減少了充電座固定支架的數量和固定標準件。

圖7 二合一充電座集成方案

4 高壓線束集成設計

分布式方案中，空調壓縮機高壓線束與PTC高壓線束是相互獨立的2根線束。空調壓縮機用于制冷，而PTC用于制熱，兩者用于調節乘員艙和動力電池的溫度。空調壓縮機高壓線束與PTC 高壓線束存在共用線束段。在高壓線束上應用超聲波焊接技術，實現高壓線束共用段的集成設計，并簡化整體結構設計，見圖8。

圖8 高壓線束集成方案

5 新能源系統集成式與分布式對比分析

與分布式方案對比分析，新能源系統集成方案中總成數量減少了4 個，高壓線束長度減短了6.5 m，高壓連接器數量減少了5個，并且能量分配管理總成的體積節約了6.4 L，質量減輕8 kg，見表4。單車成本可降低1 016元，見表5。

表4 新能源系統集成式與分布式方案對比

表5 新能源系統集成式與分布式成本對比

6 結束語

本文沿著新能源系統集成化的發展方向，從結構集成角度將整車配電盒、車載充電機、直流轉換器、電池分線盒集成為能量分配管理總成，并與動力電池實現固定與密封、電連接，最終形成一體方案，通過CAE分析及優化達到了工況要求。基于結構特征分析，將交流充電座和直流充電座集成為交直流二合一充電座。應用超聲波焊接技術，將壓縮機高壓線束與PTC高壓線束集成為一體。與分布式方案對比，新能源系統集成方案充分地利用了整車空間、減少了總成數量和連接器數量、減短了線束長度、減小體積和減輕質量。此項研究為相關車型設計和開發提供了重要的理論依據和技術支撐。