基于多目標的電動車機艙布置方法的研究

曾祥義　李春　白鵬　孫制字

摘要：闡述了電動車高壓部件機艙布置的特點和要求，對比分析了常見各種優劣布置形式，并通過碰撞性能、電安全等多方面內容進行布置效果解析。同時從高壓部件的集成化設計出發給出了多種布置方案，解決了布置空間不足、安全性能較低的問題，為今后電動車高壓部件機艙布置提供參考。同時也為高壓部件的設計開發以及高壓線束合理化布局指明了方向。

關鍵詞：電動車；機艙布置；高壓部件；碰撞安全；電安全

1.引言

“十三五”期間，電動車迎來蓬勃發展期。電動車憑借著環境污染小、噪音低、能源利用效率高等的優點得到國家產業政策的支持；同時各個汽車廠家也把電動車的開發列入到平臺建設規劃當中。

在整車的開發過程中，安全性能的開發是一個不可忽視的指標。而電動車高壓部件的布置對于整車安全來說至關重要。本文將從純電動乘用車幾個關鍵部件及系統的總布置方面進行論述，同時結合項目實際尋求解決方案。

2.電動車的特點

2.1電動車與傳統車的區別

電動車與傳統汽車區別較大，由傳統的燃油驅動變成電力驅動，為了增加續航里程，在整車地板下方一般會有一個幾百公斤的電池包以儲存電能。整車的整備質量有所增加，對碰撞安全及電安全的影響較大。

另外電動汽車額外增加了電機控制器、DCDC、電動真空泵、電動空調壓縮機、高壓分線盒等部件，這些部件基本都布置在前艙，對布置空間提出了更高的要求。這些零部件的布置，不僅關系到各個部件功能的實現，同時也關系到整車性能，比如，對整車軸荷的影響、轉向性能的影響、制動性能的影響、電子電器元件的電磁干擾影響。同時各部件間的距離、對高壓電的電磁防護、運動干涉、碰撞安全、高壓安全等都對前艙的總布置工作提出了非常嚴格的要求。

2.2電動車高壓部件工作原理

電動汽車高壓部件主要有：高壓分線盒、電機控制器、DC-DC、電機、動力電池、電動真空泵、電動空調、PTC暖風機等。圖1是高壓部件工作原理圖，紅色線是高壓傳輸部分，在機艙布置過程中要重點關注。

2.3電動車高壓部件介紹

每個高壓部件都有自己的功能，在電動車的行駛過程中必不可少。在接收信號同時也在起到動力傳輸的作用，在布置過程中要充分考慮高壓部件的作用、布置位置、高壓線的布局等方面內容。具體統計信息見下表：

綜合以上的分析，可以看出高壓分線盒是機艙布置中高壓線束的集中區；同時可以把機艙布置進一步細分到各功能模塊，主要有：

（1）驅動模塊：包括高壓分線盒、電機控制器、電機及高壓線束。（2）動力電池模塊：包括高壓分線盒、充電機、動力電池組及高壓線束。（3）直流轉換模塊：包括高壓分線盒、DC-DC。（4）輔助模塊：包括高壓分線盒、空調壓縮機、PTC暖風機。

其中驅動模塊和動力電池模塊涉及的部件體積大、重量重，部件間連接的高壓線束直徑較大，布置更有難度，所以高壓部件的機艙布置重點是驅動模塊和動力電池模塊的布置工作。

3.機艙布置的碰撞安全性能要求

3.1機艙碰撞吸能表現分析

電動汽車相比于傳統汽車在碰撞中的特殊性體現在兩方面，一是高能量、大質量的動力電池在碰撞中受到擠壓損傷時可能會引起起火、爆炸；二是高電壓的電驅動系統碰撞后可能會與乘員發生直接或間接接觸從而引發電擊傷害。特別是高壓電部件在碰撞中可能會受到其它部件的擠壓，使其外殼發生嚴重變形，進而造成對部件內部的侵入，破壞其完整性。高壓電部件內部電路結構復雜，工作電壓較高，外部侵入可能造成內部短路風險。

對于機艙位置來說，正面碰撞對其造成的損傷比較大，尤其是40%偏置碰撞，縱梁的潰縮和機艙的變形量更大。見下圖：

首先從機艙的中心剖面圖來看（見圖3），電機及變速器占據了x方向大部分距離。電機在碰撞過程中做為一個剛體不變形，起不到吸能的作用。車身的吸能主要靠電機前部的潰縮區A和電機后部的潰縮區B來完成，所以在布置高壓部件時要避開上面提到的兩個潰縮區。一是可以保證整車有充足的潰縮區吸能，提高碰撞安全性能；二是防止高壓部件在碰撞過程中受到沖擊，避免損壞，降低消費者維修成本。

2018版C-NCAP把行人保護也納入到評價規程當中，在總布置工作中通常會預留80mm左右的空間，以提高頭型的得分。機艙布置x向可用的空間基本是圖3中所示的機艙布置區的空間。

車身在偏置碰撞的過程中，左側的侵入量比右側的要大的多，所以一般把體積較小、高壓線束不密集的部件放到左側的理想區域（車身左側潰縮區c外的區域），而把體積較大、高壓線束密集的部件放到右側（車身右側潰縮區D外的區域）。如圖4中所示。

4.機艙布置的電安全要求

4.1GB/T 31498電動汽車碰撞后安全要求

對于電動車的碰撞安全，GB/T 31498-2015提出了碰撞后的車型要有防觸電保護功能的要求，包括高壓母線的電壓和電能要求，物理防護功能達到IPXXB級別，絕緣電阻也有相應的限值要求。同時在碰撞結束30min后，不應有電解液從REESS中溢出到乘員艙，不應有超過5.0L的電解液從REESS中溢出。

4.2電安全要求典型案例

蓄電池一般布置在潰縮區c的區域內，在碰撞過程中蓄電池會發生變形和往后移動。如果此時在蓄電池的后方沒有空間或有其他部件阻擋，往往電池液體會泄露甚至發生明火，對電安全不利。為了避免上面的問題，一般會把蓄電池后方預留一定的空間（如圖5所示）。另一種方法是根據機艙空間橫向布置蓄電池以加大x向的空間。

對于驅動模塊的布置，中間的高壓線束直徑較大，在布置中要盡量避開潰縮區。如圖六中的布置方式，把電機的UVW高壓線布置在潰縮區A區域，在碰撞過程中極易損壞，導致漏電，對乘員造成傷害。

驅動模塊高壓線束比較理想的布置方式是把線束放到電機控制器和分線盒的側方向，見圖7。一方面，安全性能比較高，完成避開了潰縮區；另一方面對于插接件的安裝，后期的日常維修也比較有利，打開機艙后高壓線束一目了然。同時連接的線束比較短，即降低了成本，也提高了電磁兼容性能。

布置過程中應合理規劃高壓線束的走向，避免布置在易受擠壓的位置，增加線束扎帶與車身穩固連接，同時加強高壓線的絕緣保護。其中高壓線束應避免交叉布置，盡量采用平行布置方案。動態工作線束間隙大于20mm，靜態線束間距大于10mm。

5.典型布置方案

5.1一般布置形式

由于機艙內的部件較多，比較常見的布置形式是采用兩層的布置方法（見圖8），主要特點是機艙支架采用分層設計。為了達到輕量化的目的，支架一般采用鋁合金或PP加玻纖的塑料材質。

分層布置的優勢是層次清楚，零部件質量控制簡單，但需機艙空間較大，線束較多且外露，不利于安全集成設計。

5.2利用機艙的橫向空間

在分層布置的基礎上，目前比較普遍的是采用高壓部件間集成到一起的方式。一是節省了機艙布置空間；二是廠家的供應商管控更加簡單，進一步降低成本。

圖9是高壓分線盒和DC-DC轉換器集成到一起，同時利用機艙橫向的空間，用單層模式來完成整個機艙的布置。此方法適用于機艙橫向空間較大，各部件在橫向的寬度總和小于機艙寬度。布置方案的上表面歸于平整，比較美觀大方。

5.3利用機艙的縱向空間

下圖是某電動車的機艙布置示意圖，其中電機控制器和DC-DC轉換器集成到一起。利用機艙內部x向的空間，把高壓分線盒布置到電機控制器的后方，節省了橫向的空間。同時蓄電池橫向放置，加大了x向空間。快充口放到前方的LOGO下面，車載充電機放到行李箱里。整個布置比較簡潔，高壓線束比較規整。

6.其他性能要求

機艙布置除了碰撞安全、電安全方面的要求之外，還需要兼顧其它多方面的約束和要求。主要有電磁兼容性能、維修安裝的便利性、運動件及機械振動等等。

其中維修安裝的便利性以及機械振動的相關要求與傳統車型相比變化不大。而電磁兼容是電動車面臨的一個新問題，機艙布置主要從以下幾方面考慮：

（1）高低壓線束盡量的不要放到一起，降低高壓線束對CAN線影響。（2）高壓線的轉彎半徑不宜過小，防止屏蔽層破損，使用中發生電磁干擾。（3）要對企業的工藝提出開發指標，首先部件的電磁兼容性能要達到相關標準，同時高壓線束要覆蓋屏蔽層。插接口處帶接地功能，安裝到位后可以和部件的殼體相連接，達到接地的目的。

7.結語

通過對機艙布置的詳細論述，可以得到以下結論：（1）高壓部件的布置要避開前后的潰縮區域，充分挖掘可布置空間，以增強整車安全性能。（2）高壓線束在避開潰縮區的情況下，要充分考慮走線的長度、轉彎半徑、表層的屏蔽功能、線束的排列形式等因素，以使方案達到最優。（3）機艙總體布置形式可分雙層式和單層式，各廠家可根據自己產品平臺的建設來取舍。（4）可通過高壓集成系統的開發與搭載，實現高壓部件集成設計，簡化機艙布置，使機艙的布置更加美觀和整潔。

純電動乘用車的機艙布置設計工作是個系統工程，需要協調車身、動力系統、電池、造型等相關部門，是整個開發過程中必不可少的一環，在整車平臺的建設當中起著越來越重要的作用。