跨平臺混合動力車布置研究

袁恒 周君武 原海妮

【摘 要】當(dāng)前混合動力技術(shù)車型處于快速發(fā)展階段，文章結(jié)合項目實踐和經(jīng)驗，簡要分析跨平臺混合動力車布置研究，實現(xiàn)多系統(tǒng)借用，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。文章提出的跨平臺混合動力車布置研究方案，重點從機艙布置、下車體布置、附件布置原理和方法入手，為混合動力汽車技術(shù)開發(fā)提供參考。

【關(guān)鍵詞】跨平臺;混合動力;布置通用性將成本

【中圖分類號】U469.1 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0036-03

0 引言

隨著雙積分的使用，各大車企面臨越來越高的油耗要求[1]。因此，屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域的燃料電池技術(shù)和混合動力技術(shù)，作為傳統(tǒng)燃油和純電動車的過渡方案正快速進入市場，成為當(dāng)下各大車企激烈爭奪的“蛋糕”。降低開發(fā)成本、實現(xiàn)車型快速上市成為車企必爭之地。

從上市的混動競品車了解到，東風(fēng)柳州汽車有限公司的總體布置方案與之有不少共同之處，例如動力電池包布置于下車體和蓄電池布置于尾箱。但從方案涵蓋的車型范圍看，公司涉及的車型平臺更廣，車型從SUV延伸到MPV，軸距從2 750 mm拓展至2 900～2 950 mm。所設(shè)計的混動下車體布置兼容純電、非插電和插電混車方案，實現(xiàn)一套地板通用3個技術(shù)路線。

1 總體空間劃分策略

本文將混合動力車型按劃分為六大區(qū)域（如圖1所示）。方案可通用于SUV、MPV、CAR車型。六大區(qū)域以車輛車體為基礎(chǔ)，分別是尾箱、副駕座椅下方、左側(cè)門檻區(qū)域、車底中部、機艙左側(cè)和機艙右側(cè)區(qū)域。六大區(qū)域既是獨立的，又是一體的。通過優(yōu)化整合各大區(qū)域的布置空間，實現(xiàn)整車通過性、碰撞、熱害防護等性能要求。下面對具體布置進行研究和分析。

2 布置實現(xiàn)

2.1 機艙布置

先從整車前方部分（機艙）進行研究，即圖1中3、4指向的區(qū)域。將機艙分成左、中、右3個區(qū)域布局，這樣有利于統(tǒng)籌考慮全部關(guān)鍵部件的布置要求。為了讓線束、管路較短，機艙中部布置體積和重量較大的動力總成（電堆/電機及發(fā)動機）。這樣的布置有以下優(yōu)點：①能避免碰撞時直接沖擊較硬的動力總成，降低損壞風(fēng)險;②因為動總成與車頭和左右縱梁距離較遠(yuǎn)，所以避免了碰撞導(dǎo)致動力總成入侵對車上人員造成直接傷害;③動力總成重量大（約300 kg），居中布置使得左右前輪重量較為均勻，行駛過程中磨損程度接近，改善了行駛性能。

機艙左側(cè)布置車輛高壓附件，例如逆變器DC-DC、控制單元PDU、車載充電機OBC和電機三合一等結(jié)構(gòu)，同時借用布置保險盒、膨脹水壺、空濾、助力器等結(jié)構(gòu)靈活的傳統(tǒng)車輛部件[2]。因為乘員艙線束從駕駛員前方的鈑金通過，所以在機艙左側(cè)布置高壓附件也利于減少高壓線束長度，同時便于裝配和維修[3]。機艙右側(cè)布置有副水箱、空調(diào)管、洗滌壺等小附件。為了便于加注和維修，將洗滌壺和冷卻液壺布置在左右側(cè)最靠外的區(qū)域。為了改善迎風(fēng)散熱效果，降低整車的油耗性能，提高整車動力性，機艙前保區(qū)域布置散熱器、冷凝器、油冷器等冷卻系統(tǒng)附件，方案如圖2所示[4]。

2.1.1 機艙布置原則

混合動力汽車機艙布置與傳統(tǒng)汽車差異在于零部件更多，要考慮的布置因素更多，工作量大、項目周期長。結(jié)合項目實踐，筆者認(rèn)為混合動力車機艙布置時應(yīng)注意表1所列的原則。

2.1.2 機艙布置難點

（1）冷卻模塊厚度增加220 mm及多6根水管，需6倍管路空間。傳統(tǒng)燃油車?yán)鋮s模塊由電子扇、散熱器本體和冷凝器組成（如圖3所示）。其中，冷凝器布置在車輛前端迎著行駛風(fēng)向，加大散熱效果;散熱器本體位于冷凝器之后、電子扇之前，起到固定冷凝器和電子扇的作用;電子扇位于冷卻模塊后端，直接對動力總成進行吹風(fēng)散熱。混合動力汽車比傳統(tǒng)燃油車多3套獨立冷卻系統(tǒng)，冷卻模塊增加1個油冷器、1個低溫散熱器及1個中冷散熱器（如圖4所示）。混合動力車的冷卻模塊固定在一個框架上面，框架與機艙車體梁結(jié)構(gòu)固定連接。混合動力車?yán)鋮s模塊整體厚度增加220 mm。因為增加了3個冷卻器，同時多了6根冷卻管（1根進水管、1根出水管），所以需要在原冷卻模塊區(qū)域優(yōu)化出6倍的管路空間，這是布置設(shè)計的難點。

（2）三點懸置升級為四點懸置。混合動力車動力總成的重量比傳統(tǒng)車動力重60～70 kg。同時，在發(fā)動機與電機共同作用的工況下，扭矩比傳統(tǒng)燃油車大200 N·m以上。考慮懸置的疲勞強度，總體方案按傳統(tǒng)車三點懸置升級為四點懸置方案開發(fā)（如圖5、圖6所示），即左、右懸置和雙后拉桿的鐘擺式懸置結(jié)構(gòu)。其中，左右懸置固定在縱梁上，雙后縱梁固定在副車架上。這種結(jié)構(gòu)使得動力總成質(zhì)量分布均勻，平衡度好，對改善整車NVH非常有利。但是對于前排氣發(fā)動機而言，排氣管從發(fā)動機下部繞過后直接從雙后懸置之間穿出，排氣管與懸置Y向間距僅為36 mm，使得懸置存在熱害風(fēng)險。這是機艙布置難點之一，為解決熱害問題，排氣管預(yù)留隔熱裝置，同時懸置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料升級，提高抗熱性能。

2.2 下車體布置

混合動力車下車體地板兼容純電和混動方案開發(fā)，純電電池包電量達68.7 kW·h，仿真續(xù)航能力接近400 km，1套地板兼容3套技術(shù)方案。電池包布置于地板中部離地間隙滿足滿載130 mm以上要求，縱向通過角在11°以上。燃油箱盡量沿用傳統(tǒng)車方案，排氣管按電池包、燃油箱邊界設(shè)計走向，地板提供安裝點。

2.2.1 下車體布置原則

混合動力車下車體布置涉及電池包、排氣管、高壓線、燃油箱等主要部件[5]，基本布置如圖7所示[6]。

下車體布置是混合動力車布置的核心工作之一，涉及離地間隙控制、熱害防護、石擊影響、防水保護和通用性因素等。其中，電池包布置范圍預(yù)留了最大邊界，即按純電動車?yán)m(xù)航要求設(shè)計，混合動力電池比純電車電池小，可以直接借用同樣的地板方案減少投資費用，縮短開發(fā)周期。因為HEV（非插電混）和PHEV（插電混）電池包大小不一樣，HEV車電池包較小，所以HEV車的燃油箱盡量借用傳統(tǒng)燃油車方案，考慮電池包的碰撞影響，PHEV燃油箱另外設(shè)計一個小的結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)SUV/MPV/CAR通用。電池包重量較重且布置在地板之下，導(dǎo)致整車離地間隙較小，通過性變差。為此，一般通過將輪心適當(dāng)下移并結(jié)合大輪胎的使用改善這個問題。下車體部分的排氣管走管設(shè)計是一個重點，需要保證與電池包距離合理，以免引起熱害問題，同時保證與水管、高壓線具有足夠的安全距離，避免碰撞擠壓風(fēng)險。具體布置原則見表2。

2.2.2 混合動力車下車體布置難點

混合動力車下車體布置比傳統(tǒng)燃油車更為復(fù)雜，涉及更多系統(tǒng)，要考慮更多的制約因素，具體表現(xiàn)在以下兩個方面。

（1）高壓線束與排氣管距離近，布置困難。電池包高壓線從下車體走線至機艙提供電源給電機工作，車體空間限制其走線通道與排氣管近，間隙為100 mm左右，而排氣管前段表面溫度高達500～600 ℃，距離過近會產(chǎn)生強烈的熱輻射，線束存在烤壞風(fēng)險。為此，總布置方案進行了優(yōu)化，參考傳祺GS4混動將電池包冷卻水管和高壓線束分開，車底前地板兩側(cè)設(shè)計凹槽特征走高壓線和水管，有效隔離排氣管熱輻射。

（2）電池包柱碰滿足要求困難。基于純電動電池包設(shè)計的地板方案，電池包電量大，在厚度、長度不能加大的前提下，電池包寬度達到1 300 mm，使得門檻與電池包間距僅滿足150 mm的要求，對車身結(jié)構(gòu)要求高，前期碰撞分析（如圖8、圖9所示）顯示，柱碰工況下電池包嚴(yán)重被擠壓，不滿足要求。因此，要在門檻的空腔中增加強化結(jié)構(gòu)，同時在駕駛員座椅安裝橫梁后部并增加1根三角加強梁，改善結(jié)構(gòu)如圖10所示。

2.3 其他附件布置

混合動力車布置主要工作在機艙和下車體，此外相對傳統(tǒng)汽車，還有兩個明顯的差異（如圖1所示），因為布置空間所限，所以需要在尾箱和副駕座椅之下布置一些部件。本文在汽車尾箱布置蓄電池，受機艙空間限制，混合動力車型的蓄電池不能借用傳統(tǒng)汽車的方案布置在機艙，而副駕座椅之下的一些空間可以布置一些高壓附件等部件。

蓄電池布置在尾箱，高壓附件布置在副駕座椅下要考慮維修等因素，布置原則見表3。

3 實施案例

采用以上方法和原理，目前已完成樣車試制工作。基于樣車，很多標(biāo)定試驗和研究有條不紊地開展。樣車如圖11所示。

4 結(jié)語

本文提出的跨平臺混合動力車布置研究方案，可實現(xiàn)跨平臺車型通用。重點從機艙布置、下車體布置、附件布置原理和方法入手，為混合動力汽車技術(shù)開發(fā)提供參考，能夠縮短研發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量和水平。

參 考 文 獻

[1]曹亮，于忠貴，馬靜，等.雙積分管理辦法實施情況研究[J].汽車實用技術(shù)，2020（23）：232-234.

[2]王望予.汽車設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017.

[3]王千亮.純電動汽車關(guān)鍵零部件的布置研究[J].南方農(nóng)機，2020（18）：84-85.

[4]陳家瑞，馬天飛.汽車構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5]劉攀，陳賀峰，羅文靜，等.探究汽車總布置設(shè)計方法[J].內(nèi)燃機與配件，2020（4）：7-8.

[6]黃天澤，黃金陵.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.