纯电动前置前驱轿车机舱关键部件布置研究

石强 张尚明 张显波 何忠青 李大鹏 霍云龙

（中国第一汽车股份有限公司 新能源开发院，长春130013）

主题词：纯电动汽车 前置前驱轿车 机舱布置 电驱总成 高压部件

1 前言

近年来，随着中国经济迅速发展，人民生活水平显著提升，私家车几乎成了家庭必备的交通出行工具。截至2018年底，全国汽车保有量达2.4亿辆，比2017年增加2 285万辆，增长幅度达10.51%[1]。燃油汽车的迅猛发展，导致我国对石油资源的需求日益增加。2018年中国原油进口量远超美国，成为全球最大的原油进口国，中国原油对外依存度也增至70.9%[2]。

为了缓解能源压力，国家大力推行新能源汽车研发及使用。纯电动轿车由于具有完全依靠电能驱动、污染物“零”排放、噪音低等优势，现已被各汽车企业深入研究、推广，并有取代传统燃油汽车的趋势[3]。

纯电动前置前驱轿车在电动汽车中使用最为广泛，机舱布置相对纯电动后驱轿车也更为复杂，需遵循以下5点基本原则：

（1）“先主后次”、“先大后小”原则，优先

布置关键部件及体积相对大一些的部件；

（2）机舱符合整车碰撞安全要求；

（3）各部件符合机舱布置间隙要求；

（4）考虑涉水、NVH等试验要求[4]；

（5）满足美观及装配、维修方便性要求。

本文对纯电动前置前驱轿车机舱关键部件布置设计及相关要求进行阐述。

2 纯电动前置前驱轿车机舱部件构成

纯电动前置前驱轿车机舱包括车辆的动力系统、空调系统、冷却系统、刹车制动系统、高压系统、转向系统等。在纯电动轿车机舱布置时，首先以差速器中心为基准点来布置动力总成，进而确定电驱总成在机舱中的位置。其它部件根据电驱总成定位进行适应性布置，各部件根据位置需要可进行相互调整，从而满足达到最优布置。图1是某纯电动前置前驱轿车典型机舱布置。

图1 某纯电动前置前驱轿车机舱布置

①风窗洗涤液罐；②ESP；③电机冷却水泵；④高压配电盒；⑤前端冷却模块；⑥制动真空罐；⑦空调压缩机；⑧膨胀水箱；⑨电池冷却水泵；⑩Chiller；⑪热交换器；⑫空调水泵；⑬EPS；⑭电子三通阀；⑮充电机、DC-DC二合一；⑯电驱系统；⑰真空助力器；⑱水暖PTC；⑲12V蓄电池；⑳低压配电盒

3 纯电动前置前驱轿车机舱布置方案

由于纯电动前置前驱轿车机舱需要布置的部件较多且布置空间有限，因此，常采用分层布置方法来充分利用有限的空间[5]。可以采用在两侧纵梁之间布置一个横梁支架，作为分层支架，上层用来固定充电机、高压配电盒等部件；也可以借助电驱动总成出支架固定点来固定充电机、水泵、PTC、高压配电盒等部件。支架下层空间用来布置压缩机、电机、减速器、电机控制器、真空泵等部件，如图2所示。

图2 机舱分层布置方案（车头方向视图）

在纯电动轿车部件中，尽量采用集成方案。这样不仅可以大大降低开发成本、节省布置空间，还有利于车辆平台化发展[6]。例如：DC-DC、充电机二合一集成方法（图3）；电机、电机控制器和逆变器、减速器三合一的集成方法（图4）；集成充电机、DC-DC、高压配电盒、BMS的特斯拉功率转换组件等方案（图5）。

图3 充电机、DC-DC二合一集成

图4 电机、减速器、电机控制器及逆变器集成

图5 特斯拉功率转换组件[7]

4 机舱关键部件布置分析

4.1 电驱总成布置分析

纯电动轿车常采用电机、减速器、电机控制器和逆变器三合一的电驱动总成。对于电驱总成布置约束，主要体现为“2个角度”和“8大间隙”。

4.1.1 “2个角度”主要包括“驱动轴夹角”和“减速器倾角”。

（1）“驱动轴夹角”是指驱动轴内外节心连线和减速器输出轴中心线的夹角（图6）。从理论上讲，驱动轴夹角（θ）越小，万向节轴向力和径向力越小，传动时振动越小，传动轴寿命越长[8]。经验要求驱动轴极限夹角小于7°，一般控制在5°以内。

图6 驱动轴夹角示意

（2）“减速器倾角”是指通过电机输出轴线与减速器输出轴线的平面与水平面的夹角。为了保证减速器内部润滑状态，结合减速器产品结构，不同的减速器厂家对减速器倾角（α）的要求不同，一般在0～30°之间。

图7 减速器倾角示意

4.1.2 “8大间隙”

“8大间隙”是指电驱动总成布置时，为了防止出现干涉、振动、噪音、撞击等缺陷，在X+、Y+、Z+、X-、Y-、Z-6个自由度方向上与其它部件的合理间隙要求。根据经验，针对纯电动前置前驱轿车电驱总成合理间隙要求如表1所示。其中“总成距发罩外板距离要求”为电驱总成上刚性连接的部件最高点与发罩外板的距离。

表1 电驱总成布置间隙要求

4.1.3 电驱总成“Y方向”位置

电驱总成的Y方向位置主要受机舱左右纵梁约束。同时，驱动半轴有“两轴”、“三段轴”方案。在电驱总成布置时尽量考虑使用“三段轴”方案（图8），从而保证左右半轴等长、两侧转动惯量平衡，防止车辆发生“跑偏”。

图8 “三段轴”式驱动系统

4.2 高压部件布置分析

4.2.1 整体布置方案

纯电动轿车高压部件较多，前置前驱电动车辆目前基本都采用将高压部件布置在前机舱的方案。高压电气部件典型工作原理如图9所示，高压配电盒作为高压电气件的供电中枢，与较多高压电气件相连。因此，高压部件和高压线束的布置，在机舱布置中尤为重要，直接影响高压安全和机舱美观程度[5]。

图9 高压电气原理

对于高压部件尽量采用集中布置方法（图10），这样既可以节省布置空间、降低布置难度，又可以缩短高压线长度，从而在一定程度上降低了开发成本，减少高压线压降对电机性能的影响。同时，考虑到高压安全方面，高压部件布置位置应尽量避开车辆碰撞溃缩严重区域，同时避免高压线束出现交叉现象。在布置空间允许的前提下，高压接头插接方向尽量选择Y方向。

4.2.2 电动空调压缩机布置分析

图10 高压部件集中布置方案

（1）电动空调压缩机在工作时振动较大，为了减少振动对整车舒适性的影响，通常将电动压缩机固定到电驱总成上，或者通过压缩机支架固定到电驱总成上，这样可以通过总成悬置起到有效避震作用。

（2）为保证电动空调压缩机内部润滑油储存，压缩机布置允许回转角度为±15°，允许倾斜角度为10°，如图11所示。

图11 电动空调压缩机布置角度要求

4.3 电动水泵布置分析

电动水泵布置需考虑以下3个方面：

（1）电动水泵入水口不能朝下布置，通常采用水泵入水口水平布置或者垂直向上布置（图12）。

（2）为避免水泵工作时混入空气，电动水泵中应尽量布置在所在冷却回路的最低点。

（3）由于电动水泵工作时振动较大，因此，通常将电动水泵通过减震支架固定到电驱总成上，这样可以通过总成悬置起到有效避震作用。

图12 电动水泵布置示意图

4.4 真空泵布置分析

（1）真空泵工作时振动和噪声较大，为了减少振动和噪声对整车舒适性的影响，通常将真空泵通过支架固定到电驱总成上（图13），这样可以通过总成悬置起到有效避震作用。一些对NVH要求较高的高端车型，通常采用增加隔音罩来减弱真空泵工作时的噪音[9-10]。

图13 真空泵固定方案

（2）由于真空泵工作时摆动量较大，因此，布置时应结合真空泵的运动包络对周围零部件进行间隙校核，保证10 mm安全距离，防止出现干涉现象。

图14 真空泵包络

5 结语

纯电动前置前驱轿车机舱布置是一项复杂的、系统的、反复的工作过程。寻找最优的布置方案，不仅可以使得机舱整洁、美观、便于操作，更能够降低开发成本，提升整车可靠性和舒适性。同时，对于纯电动轿车机舱内的高压部件，持续完善高压安全规范，避免出现高压事故。在部件集成方面，应加强企业、高校合作，同时与世界先进电动车企业学习、对标，开发部件高度集成方案，使得产品合理化、通用化、平台化。