電動汽車充電器布置研究

甄溢軍

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電動汽車充電器布置研究

甄溢軍

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

文章介紹了電動汽車開發階段充電器布置研究的過程，結合某項目充電器布置實例，總結了充電器布置時需要考慮的因素，并對布置位置提出了建議，可以對新車型開發過程中充電器布置提供指導。合理的充電器布置可以降低成本、提高系統可靠性和整車性能。

充電器；電動汽車；布置

引言

為了應對環境問題的挑戰，世界各國都投入大量資源到新能源汽車的研發工作，尤其是電動汽車，并且取得了顯著的成果。特斯拉的Model S 和Model X、日產的Leaf已經在世界范圍銷售并得到用戶的廣泛認可，大眾、豐田、通用等各大主機廠也在積極投入電動汽車的技術研發。國內的各大主機廠也投入資源研發并推出各自的電動汽車。另外，國家政策對新能源汽車積極扶持，客戶對電動汽車的接受程度也日漸提高。根據2017年四月份工業和信息化部、發展改革委、科技部印發的《汽車產業中長期發展規劃》內容顯示，計劃到2020年，新能源汽車年產銷達到200萬輛，到2025年，新能源汽車占汽車產銷20%以上。電動汽車的在整個汽車保有量中的占比正處于一個快速增長的階段。

1 充電器介紹

圖1 高壓線路圖

電動汽車充電方式分非接觸式（感應式）和接觸式（傳導式），傳導式充電可以分為交流和直流充電，交流充電就是我們常稱的低壓充電，通過充電口連接220V交流電由經充電器到動力電池；直流充電是通過外部充電樁對動力電池進行充電，車載端只有充電口以及和電池連接的高壓線束。感應式充電是利用電磁感應等原理，無金屬觸點即可向車輛提供電力，通過地面端和車載端感應線圈工作而實現對電池充電。以上充電方式都需要電流都需要經由分電箱（PDU）。圖1是以后驅電機為主的四驅電動汽車項目高壓線路圖，該項目配置傳導式充電和感應式充電，傳導式充電同時配備了直流充電（快充）和交流充電（慢充）。

1.1 傳導式充電器

傳導式充電器由于在充電過程中會產生熱量，需要對充電器進行冷卻。根據充電功率的大小，冷卻方式分風冷和水冷兩種。風冷充電器通過在充電器上增加冷卻風扇以及風道，在充電過程中通過強行排風冷卻，水冷充電器通過串聯或者并聯進入車輛本身的冷卻系統，通過水冷的方式實現充電器的冷卻。充電器本身尺寸會隨著充電功率的增加而增大，在充電功率一定的情況，充電器有機會在保持體積不變的前提下，通過調整充電器的長寬高比例來適應特殊的車輛環境。

1.2 感應式充電器

感應式充電器是通過車載端和地面端之間的電磁感應等形式，實現能量的傳輸，感應式充電器的原理包括電磁感應、磁諧振和微波。車載端根據充電感應線圈和充電元器件的關系，可以分集成式和分體式。集成式是充電元器件和感應線圈面板做成一個整體，外觀表現為零件Z向厚度較高，有一個充電器元器件的鼓包，布置約束比較大。分體式將充電元器件和感應線圈單獨拆分后中間通過導線連接，相對而言，感應線圈布置Z向要求空間較小，布置自由度更大。

2 充電器的布置

2.1 布置要求

充電器布置過程中的總體原則是滿足充電器本身性能要求，考慮零件裝配可行性。基于經濟性考慮，在充電器布置過程中需要綜合考慮周邊能夠提供的空間環境以及充電口位置、大電池接線位置以及其他充電器相關零部件的布置位置，從而選擇一個連接線束總長度最短，經濟可行的充電器布置方案。

感應式充電器的布置位置受到能量傳遞效率的要求，從而對車載端和地面端之間的距離（氣隙）有要求，一般要求距離為不超過150mm。為了提高充電效率，車載端和地面端的中心線偏差要求小于±100mm，這要求工程師在布置過程中考慮顧客的使用過程中如何對準車輛的場景。

通過以上的約束條件，需要總布置工程師在整車上尋找滿足充電器功能和性能要求的位置，并且避免或減少對車輛性能指標和外觀品質的影響，如離地間隙，接近角和離去角度以及前后軸荷比等。同時需要一并考慮充電器對其他系統要求，例如采用需要冷卻系統的支持，如水冷管路及充電器水位高度需要在布置中考慮。

2.2 布置環境匹配及分析

隨著電動汽車技術的發展和車型的更新，現在越來越多主機廠采用專門的電動汽車項目全新開發，而不是根據傳統動力車型改型來上電動汽車項目，這樣的好處就是能夠有更大的自由度來布置電動汽車的相關零部件，使得車輛的集成程度更高，提高布置效率，減少空間浪費，使得電動汽車整體的外觀質量更好，消除了明顯的更改痕跡。但是，全新開發也對工程師提出了更高的要求，在大量未知和不確定的情況下，如何安排零件的布置位置，如何規劃三電系統的合理布局，實現高壓線束總長度的最小化，拓撲結構簡單化等都提出了新的挑戰。

從傳導式充電器的布置要求來看，針對充電功率較小，例如3.3KW風冷的充電器，在布置過程中需要考慮風道的布置位置以及風道長度對壓降的影響，如果是考慮布置在艙內，一般布置位置優先考慮布置在后備艙內車身泄壓閥附近，這樣能夠利用泄壓閥門作為排風口，同步可以讓風道盡量短，從而減輕風道的重量，降低成本。如果考慮布置在前艙內，則可以借助冷卻風扇來冷卻充電器，布置位置考慮布置在風扇工作覆蓋區域內。

針對功率相對較高的需要水冷的充電器，布置位置選擇過程中需要考慮連接到冷卻管路的形式，是采用串聯還是到主回路還是和其他零件并聯到冷卻管路，不同的聯接形式會對冷卻系統水路的整體阻力產生影響。

感應式充電器車載端在整車上的布置位置受到氣隙要求，布置區域只能選擇在下車體區域，一般電動汽車動力電池布置在下車體前后軸中間，所以車載端布置選擇基本在動力電池以外的前副車架或者后副車架區域，但是該區域又有驅動單元存在，這對感應式充電器的布置提出了更大的挑戰。

以上兩類三種充電器的布置位置選擇，都受到充電口以及大電池連接線束端口位置的影響，在高壓線成本較高的情況下，各個相關零件之間的連接長度，是布置工程師需要考慮的問題。一般情況下充電口位置的選擇會根據大電池線束端口位置選擇，可以是布置在車頭區域如進氣格柵和翼子板，或者是布置在車尾區域如加油口或尾燈附近。而大電池線束端口的確定則根據動力總成位置確定，四驅車型則建議高壓線束端口靠近主驅動力單元附近。

綜合考慮以上因素及電動汽車上有可能的布置空間,針對傳導式充電器而言，可能的布置位置是前艙、后備箱和座盆下方，而感應式充電器車載端的布置位置則集中在前后副車架下方。

3 布置案例

3.1 背景

在某電動汽車開發過程中，研究了3.3KW風冷充電器、7KW水冷充電器和感應式充電器的布置工作，布置過程中考慮的因素以及綜合評估后最終選擇的布置方案對后續充電器布置有參考和借鑒意義。

該開發車型為純電動四驅車型，以后驅為主，這樣的策略就確定了動力電池的線束接口靠近后驅動單元，充電口的位置選擇在了加油口位置，項目研發早期采用的是2個3.3KW充電器，后續切換到7KW充電器加感應式充電配置。

3.2 布置過程

一般零件布置過程中需要考慮以下因素：安全碰撞、售后維修、裝配空間、物理空間、熱管理、水管理、EMC、顧客使用場景、人機以及貴重零件的布置保護等要求。在布置過程中，首先需要布置工程師向零件工程師收集零件的尺寸和重量信息，以及零件結合的系統中的原理圖或者結構拓撲圖，結合要求和原理綜合考慮零件布置位置。

在項目早期采用的是2個3.3KW充電器的方案，經過研究布置位置選擇在后備箱內兩側輪包區域，布置在該區域的優勢是距離電池線束端和充電口近，充電高壓線束整體長度短；風道可以從車身泄壓閥排氣，風道長度較短，整體排氣阻力小，重量輕。相關布置位置和斷面結構如圖2所示：

圖2 3.3KW充電器布置結構斷面

在項目開發過程中，充電器的技術升級驅動單個充電器功率提升，由兩個3.3KW充電器升級為一個7KW充電器，降低了充電器的單車成本。由于充電器功率加大，冷卻模式由風冷切換為水冷，從而需要考慮冷卻管路的布置和充電器接入冷卻系統的位置要求。根據布置考慮高壓線總體長度，布置空間等因素，充電器仍選擇布置在后備箱輪包附近，同時需要考慮充電器加入到水冷系統中，充電器冷卻水道的最高點位置不高于膨脹水壺的MIN 線，以防冷卻管路中的空氣在充電器中積聚從而影響充電器冷卻，該系統要求約束了充電器的Z向最高高度。在各個方向的約束限制下，充電器的布置位置研究簡化為幾何空間的尋找，布置過程直觀明了。

該項目感應式充電器車載端采用的是集成式感應式充電器，所以車載端厚度最大區域接近100mm，長和寬度分別為400mm和600mm，且零件重量接近25kg，尺寸及重量導致該零件的布置困難較大。由于感應式充電器厚度較大，直接增加到前副車架區域的話，會嚴重影響離地間隙，并且考慮到中國駕駛習慣和倒車入庫，布置在前端也會對車載端和地面端的對準過程對駕駛員使用過程產生不便。若是布置到后副車架區域，則由于該處離地距離較大，不能滿足感應式充電器地面端和車載端之間的氣隙要求。經過權衡比較，布置在后端不影響整車離地間隙，且有利于感應式充電器車載端和地面端的對準，對客戶體驗相對布置在前副車架下方好。同步氣隙的問題通過地面端基建過程中將線圈高度凸出地面解決，滿足了充電氣隙的要求。

3.3 結論

在電動汽車型研發的過程中，充電器的布置是必然會遇到的研究內容，從該項目布置過程來看，針對傳導式充電器，布置過程中需要考慮以下內容，以便做到滿足性能要求、降低重量，節約成本、提高車輛性能的目的。

1）根據車輛驅動單元位置按就近原則布置充電口和充電器；

2）充電器布置過程中需要考慮冷卻形式及冷卻系統的要求；

3）在開發早期識別和充電器相關零件并綜合考慮它們的布置位置。

感應式充電器車載端的布置需要注意以下因素：

1）感應式充電器車載端布置在兩驅車型中考慮布置在非驅動端。

2）四驅電動汽車則考慮布置在前后副車架下方，而在X向考慮布置在驅動單元和電池之間的空隙中。

3）布置過程中需要考慮客戶的使用習慣以及基礎設施建設要求，針對國內車型優先考慮布置在車輛后端。

4 展望

隨著電池充電技術的發展和為解決車輛使用過程中充電時間長這個痛點，車載充電器的功率逐步在往大的方向發展，功率的增大就要求冷卻方式采用水冷。感應式充電器這項配置會在新開發車型中研究和普及，也同樣存在著功率增加的趨勢，所以冷卻方式也會向水冷轉變，同時為了解決下車體布置空間限制，感應式充電器車載端可以將控制器、冷卻水路和線圈分離，做成分體式以增加更大的布置自由度。

在實際項目的研發過程中，由于上文提到的布置策略，會將相關零部件往動力單元就近布置，這可能會導致動力單元端驅動軸載荷分配過多的情況，而感應式充電器車載端重量有30kg左右，同時其布置位置可前可后，這部分重量可以在布置過程中實現前后軸載荷調整。

電動汽車相關零件的布置和傳統車型肯定存在差別，這些差別的識別和影響分析需要逐步的研究和積累，其中采用能量由化學能往電能的轉變，零件布置考慮內容需要從幾何的層面往物理性質層面進一步延伸，在考慮零件布置的幾何特征如點，線、面、體和物理特征的重量、熱場、空氣流場等的同時，需要加入新的電磁場這個考慮因素，這對后續電動汽車智能化過程中，傳感器工作和信號傳遞的可靠性都有很大的影響。

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[5] 汽車工程手冊10 新能源車輛設計篇[M].北京:北京理工大學出版社,2014.

Study on Charger Layout of Electric Vehicle

Zhen Yijun

( Technical Center, Shanghai automotive group Co., LTD., Shanghai 201804 )

This paper introduces the process of charger arrangement during Electric Vehicle development, combined with a project work, summarizes the factors to consider the charger layout, and proposes some suggestions for the location, can provide guidance for the development of new models in the process of charger layout. The reasonable charger layout can reduce the cost, improve the reliability of the system and the performance of the vehicle.

charger; electric car; layout

U469.72

B

1671-7988(2019)07-26-03

甄溢軍（1985.6-），男，工程師，主要從事整車開發過程中零部件的布置集成工作。

U469.72

B

1671-7988(2019)07-26-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.008