純電動汽車前艙下車體布置及系統(tǒng)選型研究

余碩乾，俞敬

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心整車集成部，上海 201804）

前言

隨著社會的不斷發(fā)展，人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，近年來各國對排放標(biāo)準(zhǔn)的政策越來越嚴(yán)苛。混合動力汽車（HEV），插電式混合動力汽車（PHEV），純電動汽車（BEV），以及燃料電池汽車（FCEV）等各種能源技術(shù)如雨后春筍般展露出來。如今國六已經(jīng)到來，在大趨勢上，排放標(biāo)準(zhǔn)的更新將會越來越快，而各個車企也正加快從傳統(tǒng)燃油車型過渡到新能源車型的節(jié)奏。

對于消費者來說，購買新能源車型不僅有國家和地方雙補(bǔ)貼、免購置稅等利好政策，部分城市還能享受新能源車型專有綠牌。用車成本方面，每公里電費也遠(yuǎn)低于油費。可以說買新能源車型不僅花錢少，而且出行也更順暢。

1 新能源車型分類

目前市場上主流的新能源車型種類大致分為三種：HEV、PHEV以及BEV[1]。

混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV），其驅(qū)動車輛的能量都來自于燃料，最常見的能量來源就是汽油。發(fā)動機(jī)通過齒輪組和電機(jī)配合驅(qū)動車輪，電池組可以通過電機(jī)輸出扭矩，也可以通過電機(jī)回收制動能量或者通過發(fā)電機(jī)發(fā)電對電池組充電。代表車型有豐田卡羅拉雙擎，普銳斯等。

插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV），其能量走向則結(jié)合了BEV的插電部分和HEV的發(fā)動機(jī)部分。電池可以由外部電網(wǎng)通過充電器充電，也可以通過電機(jī)回收制動能量或者通過發(fā)動機(jī)發(fā)電對電池組充電。車輛行駛可以由純電驅(qū)動或者發(fā)動機(jī)通過齒輪組和電機(jī)配合驅(qū)動車輪。代表車型有寶馬5系插混，上汽榮威ei6等。

純電動汽車（Battery Electric Vehicle，BEV），即只有電池提供能源供給，電機(jī)提供動力，驅(qū)動汽車行駛。此類車型一般配置較大容量的電池，并提供交流慢充和直流快充兩種充電接口，能夠?qū)崿F(xiàn)行駛過程完全零排放。代表車型有特斯拉Model 3，蔚來ES8，上汽榮威ER6等。

2 純電動汽車前艙/下車體主系統(tǒng)研究

純電動汽車主系統(tǒng)可分解為“三元一體”，即由驅(qū)動單元、儲能單元、負(fù)載單元構(gòu)成的高壓系統(tǒng)，以及由散熱器、膨脹壺、水泵、Chiller等構(gòu)成的冷卻體系（圖1）。

圖1 三元一體

2.1 驅(qū)動形式及布局選型

整車驅(qū)動形式和動力總成選型一直是息息相關(guān)的。由于傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機(jī)與變速箱體積較大，受制于動力系統(tǒng)，考慮到整車空間利用率以及維修的便利性等需求，中置或后置發(fā)動機(jī)會嚴(yán)重影響乘員艙和后備艙空間。同時考慮到傳動效率、整車輕量化、成本控制以及排氣系統(tǒng)布局等多方面因素，若采用后輪驅(qū)動，勢必要在下車體布置一根傳動軸將發(fā)動機(jī)的動力傳遞至后輪，侵占上車體乘員艙空間。所以傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)型燃油車多將發(fā)動機(jī)布置在整車前艙并以前輪驅(qū)動為主[2]。而純電動汽車以電機(jī)作為驅(qū)動，相比于體積龐大的發(fā)動機(jī)與變速箱，其系統(tǒng)緊湊體積小。無論采用前置前驅(qū)，后置后驅(qū)還是雙電機(jī)四驅(qū)，都不會占用太多艙內(nèi)空間[3]。

純電動車型的研發(fā)主要有兩條技術(shù)路線，一種是“油改電”，即基于傳統(tǒng)燃油汽車平臺進(jìn)行改制，另一種則是全新研發(fā)純電動車型專用架構(gòu)。選取不同的技術(shù)路線，其優(yōu)選的電驅(qū)布局也有所不同。

2.1.1 基于傳統(tǒng)燃油汽車平臺進(jìn)行改制

該方案相對成熟，可靠性高，原車的底盤系統(tǒng)、外飾造型可以最大程度地共用，可大幅度縮短研發(fā)周期。如圖 2，上汽榮威Ei5是基于i5平臺研發(fā)的純電動汽車，為了盡可能減小整車架構(gòu)布置的變化，保留了原型車前置前驅(qū)的的動力總成布局形式，使得前艙蓄電池、保險絲盒等零件以及底盤前后橋最大程度地實現(xiàn)了共用。

圖2 前艙對比

2.1.2 全新研發(fā)純電車型專用架構(gòu)

基于電機(jī)體積較小，布置靈活，可以在保證較高的整車空間利用率的同時選用在動力學(xué)方面更具優(yōu)勢的后置后驅(qū)布局，以便能夠充分發(fā)揮純電動車型的技術(shù)優(yōu)勢，但是其研發(fā)周期長，成本高，技術(shù)難度大。前置前驅(qū)車型在轉(zhuǎn)向時，當(dāng)前輪達(dá)到抓地力極限時，有一部分抓地力分配給了轉(zhuǎn)向，此消彼長，能夠提供給加速或剎車的抓地力就無法達(dá)到最高。而后置后驅(qū)車型的前輪和后輪則是各司其職，前輪只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向，后輪負(fù)責(zé)驅(qū)動。因此，后置后驅(qū)車型可以擁有更高的動力學(xué)極限。不僅如此，車輛在起步時，車身的載荷會向后部轉(zhuǎn)移，這時候前輪的抓地力就會下降，加速性能也隨之下降。而基于電機(jī)低速高扭的特性，采用后置后驅(qū)則可以利用后輪此時增大的抓地力獲得更快的加速，行駛穩(wěn)定性和舒適度也提高了。如圖3，大眾在其全新純電架構(gòu)MEB上開發(fā)的ID.3車型，其前橋采用麥弗遜懸架+前置轉(zhuǎn)向機(jī)，后橋采用五連桿后懸+平行軸電機(jī)，施放出來的前艙空間使得空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)前置成為了可能，形成了純電車型獨有的布置形式，增加了乘員艙的內(nèi)部空間。

圖3 大眾ID.3下車體布局

2.2 儲能單元布局及選型

純電動汽車全靠動力電池提供能源供給，這種模式誕生了純電動汽車獨有的一個現(xiàn)象，那就是“里程焦慮”。雖說目前絕大部分純電動汽車都有了500公里以上的續(xù)航里程，但是充電速度一直是個難以突破的技術(shù)瓶頸。目前純電動汽車充電方式有快充和慢充兩種模式，如果采用慢充模式進(jìn)行充電，基于選用11 kW的車載充電器，也至少需要6～8小時才能充滿電量。而即便是特斯拉的超級快充站，將一輛長續(xù)航版Model 3由10%電量充至90%也至少需要35分鐘的時間。相比傳統(tǒng)燃油車10分鐘不到的加油時間，時間成本的增加帶來了出行效率的降低。其次是充電樁分布密度的問題，多數(shù)充電樁都是集中在一二線城市，分布在三四線城市的占比較少，對于這些地區(qū)的消費者來說，充電基礎(chǔ)設(shè)施的不完善也導(dǎo)致了“里程焦慮”的存在。所以在現(xiàn)有外部技術(shù)條件無法突破的情況下，在現(xiàn)有純電動車型規(guī)劃下盡可能地提升大電池電量是首先要解決的問題。

基于傳統(tǒng)燃油汽車平臺進(jìn)行改制的純電車型，由于其和傳統(tǒng)燃油車共平臺開發(fā)，動力電池布置受到原有底盤及車身結(jié)構(gòu)的影響，布置效率低，不能滿足電池大容量要求。而在全新研發(fā)的純電動車型專用架構(gòu)中，為同時保證上車體乘員艙空間及下車體的整車通過性，動力電池本體 Z向高度需求進(jìn)一步縮減，但市場卻需求更高的續(xù)航里程，因此需要高效地布置動力電池，增加動力電池在地板下的面積占比，為純電動車型定制“專屬”的動力電池布置策略。深入分析市場上的純電車型，對比動力電池在地板下的占比，傳統(tǒng)油改電車型電池寬度方向的利用效率只有 61%，而基于全新純電架構(gòu)開發(fā)的車型其電池寬度效率能達(dá)到 82%。通過分析其電池布置和安裝方式，如圖 4所示，制定電池布置策略如下：

圖4 動力電池側(cè)向布局

（1）采用窄邊框的設(shè)計思路，減小電池到門檻的間距，把動力電池直接安裝到門檻梁上，釋放了影響電池寬度的邊界，取消了地板下方的橫梁和縱梁并系統(tǒng)規(guī)劃電池側(cè)面的布置，結(jié)構(gòu)及空間；

（2）確定有無中央通道情況下，高壓線，管路等布置策略；

（3）根據(jù)整車寬度及人體布置，優(yōu)化門檻飾板，線束等布置及人機(jī)，增大門檻截面寬度；

（4）確定前排乘員硬點及座椅骨架選型，增加座椅安裝橫梁高度；

（5）優(yōu)化門檻內(nèi)的吸能結(jié)構(gòu)，橫梁及電池框架，滿足安全要求（側(cè)碰和側(cè)柱碰）及零件布置要求。

通過上述策略，能夠在門檻寬度相同的情況下，增加動力電池的Y向?qū)挾?0%。

針對電池前端的零件布置，優(yōu)選轉(zhuǎn)向機(jī)前置的布局并結(jié)合高壓線走向，無線充電，安全碰撞空間等要求 ，完成電池前端的邊界定義。而在電池后端，考慮到刀鋒臂四連桿以及扭梁會限制電池Y向?qū)挾龋X制H-Arm下擺臂會增加零件成本，優(yōu)選五連桿后懸，并降低副車架前橫梁高度（圖 5）使得其與電機(jī)Z向錯開，進(jìn)一步增加電池X向帶寬。

圖5 后副車架前橫梁下移

通過上述方法能夠拓展動力電池的Y向?qū)挾燃癤向長度尺寸，進(jìn)一步增大了動力電池的面積以提升電量。

2.3 負(fù)載單元布局規(guī)劃

與傳統(tǒng)燃油車型相比，純電動車型雖然沒有排氣及燃油系統(tǒng)，但是多了一套高壓電器系統(tǒng)。通過前期合理地規(guī)劃各單元在整車中的布局能夠縮短高壓線長度，降低高壓線成本并減輕EMC的影響，有效提升整車布置效率。如圖6所示，為典型的純電動四驅(qū)車型的高壓電器系統(tǒng)連接原理，其主要特征是前電機(jī)、后電機(jī)、電壓縮機(jī)、高壓PTC等高壓電器件均通過PDU（高壓配電器）與大電池相連，此種布局策略的優(yōu)點是能夠減少大電池內(nèi)部的接口高壓接口數(shù)量，提升大電池能量密度并降低成本。

圖6 高壓系統(tǒng)連接原理

隨著近年來各傳統(tǒng)車企及新勢力造車對于全新純電汽車架構(gòu)的研發(fā)越來越廣泛，純電汽車的造型趨勢向著短前懸、長軸距、低車高、傾斜A柱等方向發(fā)展，前艙與乘員艙的空間配比發(fā)生了變化。而隨著整車研發(fā)重心正慢慢由機(jī)械化向電子化轉(zhuǎn)變，各系統(tǒng)控制器也從分布式向集中式革新，自動駕駛以及人機(jī)交互等新技術(shù)需要整車提供更多的傳感器以及更高的計算力，乘員艙需要為這些電器模塊騰出空間，即前艙要為乘員艙做出貢獻(xiàn)。本著上述目標(biāo)，制定策略如下：

（1）提高各系統(tǒng)零件集成度：快慢充口一體化集成；ESS集成PDU；OBC與DC-DC集成；

（2）優(yōu)化各體系連接策略：充電口靠近OBC布置，即OBC布置在前艙，充電口布置在翼子板；OBC布置在后艙，充電口布置在后側(cè)圍；應(yīng)用高壓分線器以減少高壓線束及 PDU接口數(shù)量；應(yīng)用In-line以減少PDU數(shù)量并改善安裝環(huán)境。

通過上述策略，能夠形成更緊湊的前艙布局，并能夠降低整車成本。

3 結(jié)論

我國汽車工業(yè)的發(fā)展面臨著來自能源安全、環(huán)境保護(hù)和氣候變化等可持續(xù)發(fā)展要求的多重挑戰(zhàn)。目前國家已經(jīng)出臺多種政策，扶持和引導(dǎo)電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。從各大傳統(tǒng)車企紛紛加快步伐推出純電車型這一點來看，純電車型會是未來汽車行業(yè)發(fā)展的大趨勢，其機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。在大好形勢下，我們一定要把握機(jī)遇、再接再厲，在前期研發(fā)階段通過創(chuàng)新的布置手段，開創(chuàng)電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新局面，在國際汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型過程中形成“彎道超車”，實現(xiàn)我國電動汽車產(chǎn)業(yè)由大變強(qiáng)和自主發(fā)展。