纯电平台开发过程中的关键要素分析及建议

2023-06-14 07:14韩汪利
汽车实用技术 2023年10期
关键词:转向器悬架永磁

韩汪利

纯电平台开发过程中的关键要素分析及建议

韩汪利

(恒大恒驰新能源汽车研究院(上海)有限公司,上海 201616)

文章基于公司某纯电平台开发实践,梳理了全新纯电平台开发的必要输入、平台拓展策略以及需要重点考量的要素。通过布置方案对比得出了选型建议,结果表明:A型臂前置式麦弗逊悬架相对A型臂后置式麦弗逊悬架,可以获得更大的电池包布置空间;轴前电机布置+转向器前置的布置方案L113相对更小,可以改善乘员舱空间利用率;后电机采用轴后电机布置可以有效改善三排人体的脚步空间;空调箱相对传统横置空调,分体式空调箱和纵置空调箱有利于女王副驾的布置,但对前舱高压器件的布置存在不同程度的影响。

平台开发输入;平台拓展策略;悬架结构选型;驱动形式选择;电机选型及布置;转向器布置;空调箱选型及布置

目前,国内新能源汽车已完成从政策导向型向市场导向型的转变,新能源汽车在用车成本、路权以及智能化方面的优势,得到了越来越多消费者的认可。由于纯电动汽车与传统燃油车在结构组成上的差异,导致传统的燃油车平台已经不能满足纯电动汽车的开发需要,因此,开发纯电专属平台成为各大造车新势力的首要工作。

本文基于纯电动汽车的特点并结合某纯电平台开发实践,梳理了纯电平台开发前期所需相关输入、平台拓展策略以及需要重点考虑的要素,例如:悬架结构的选型、驱动形式的选择、电机类型的选择及布置、转向器布置、空调箱类型选择,并结合平台规划给出了开发建议。

1 平台开发的必要输入

1.1 平台拓展规划

由于平台拓展规划以及同平台下各类车型的核心竞品直接影响平台轴距带宽、轮距带宽、轮胎型谱规划、平台高度调整策略以及关键架构尺寸L113[1]及架构构型的选择和确定,因此,平台开发初期需明确平台车型拓展的具体规划,与此同时还需要明确同平台各车型的核心竞品及关键配置,某B级纯电平台拓展性规划如表1所示。

表1 某B级纯电平台拓展规划

车型SedanCrossSUV 5座7座 平台拓展规划√√√√

1.2 动力总成搭载规划

平台开发初期需要输入同平台各类车型的核心竞品及关键配置,动力总成便是其中关键配置之一。

动力总成搭载目前呈现趋势有:

1)长续航版本后电机功率小型化。动力性强已经成为电动车耳熟能详的属性标签,但随着纯电动车的不断普及,消费者对于电动车极致加速性能的追求也趋于理性。各造车势力基于原后驱版基础上开发了功率相对更小的后驱版本,如比亚迪海豹、长安深蓝SL03等车型都在原200 kW级后驱版本基础上相继推出150 kW级的后驱车型。

但电机尺寸与电机功率并不一定存在线性对应关系,如联电150 kW后电机相对联电200 kW后电机在向尺寸更大,如图1所示。

图1 联电150 kW及200 kW电机Z向尺寸对比

图1所示尺寸差异会直接影响后地板的平台化,在前期规划动力总成搭载型谱时需做好布置预留。

2)电动力组合形式多样化。蔚来ES8采用的是前永磁同步+后交流异步的动力组合方案(第二代车型),兼顾中低速区间电机效率的同时改善了车辆的高速性能。比亚迪汉采用的是前后双永磁同步的组合方案,日产艾睿雅采用的是前后电励磁同步的动力组合方案。随着车企对动力总成组合方案研究的深入,动力总成组合方案也呈现多样化的趋势,当前典型纯电车型动力组合方案如表2所示。

表2 典型纯电车型动力组合方案对比

车型小鹏P7比亚迪汉Marvel R埃安 LXBYD 海豹小鹏G9日产艾睿雅 电机类型永磁+永磁永磁+永磁永磁+永磁永磁+永磁异步+永磁异步+永磁电励磁同步+电励磁同步

由表2可知:典型纯电车型搭载的电机主要有永磁同步电机、电励磁同步电机、感应异步电机。

正是由于动力总成呈现上述趋势,在平台开发前期更应该明确动力总成搭载规划(含电机类型、动力组合方案以及平台需搭载的电机型谱),避免后期增加动力总成搭载进而影响前期既定的平台化策略。

2 平台拓展策略

合理的平台拓展策略可最大化挖掘平台的潜力,在同一平台上开发出更多的衍生车型。平台化开发既可以缩短车型开发周期,降低研发风险,同时也可以减少研发投入。经过近几年的探索和积累,各车企已经总结出比较成熟的平台拓展策略。

平台化并不是所有零件一成不变,而是开发费用较高、难度较大或者涉及平台关键特性的零部件保持不变,并且在平台开发前期就对平台拓展的策略进行了设定,如表3所示。

表3 平台拓展策略

尺寸代码尺寸描述调整策略尺寸代码尺寸描述调整策略 L113BOF点至前轮轮心距离固定W1前纵梁内侧跨距固定 L101轴距可变W2前地板面板Y向宽度固定 L104前悬可变W3门洞止口Y向距离可变 L105后悬可变W4电池包安装点Y向距离固定 H156最小离地间隙可变W5后纵梁内侧跨距固定

尽管不同级别平台间悬架类型不同,但拓展策略都大致相同,平台拓展从平台方向、方向以及方向三个维度开展。对于表3中调整策略为固定的尺寸,是直接影响平台通用化率的关键,也是平台开发需要坚持的底线,例如:尺寸L113与尺寸W4,其中尺寸L113受转向系统和电机的布置形式以及悬架构型的影响,同时也与车身下车体扭力盒的结构形式息息相关,一旦锁定了尺寸L113,同平台其他车型都会保持不变。对于尺寸W4(电池包安装点向距离)直接锁定了电池包宽度,同平台其他车型只能通过改变电池包长度来实现不同续航里程。

正是通过对上述关键尺寸拓展策略的定义(固定和可变),使得平台拓展在既定的规则下灵活开展,在确保平台通用化率的同时也具备一定的灵活性。

2.1 平台X向拓展策略

如图2所示,平台向拓展主要涉及三个尺寸的调整:前悬L104、轴距L101及后悬L105。

图2 平台X方向调整策略

2.1.1前悬尺寸调整策略

对于前悬尺寸L104,存在两种调整方案:1)调整防撞梁截面宽度和吸能盒长度;2)改变前纵梁铝挤出长度。

通过改变吸能盒长度及防撞梁截面宽度可实现前悬可调,但调整量有限,适用于调整量在−20~30 mm的区间。

随着白车身轻量化要求的不断提高,越来越多车企开始使用铝挤出替代前纵梁及座椅横梁等冲压件或者使用上钢下铝的车身开发路线,因此可以通过改变铝挤出的长度来实现前悬尺寸L104的调整[2],如图3所示。

图3 前悬尺寸调整策略

2.1.2轴距调整策略

车身下车体平台应对轴距调整的方案,各车企采用的方案不尽相同,但大致可以分为两类:1)以长轴距版前地板为设计基准,通过增加切边工序来实现长短轴车型的共用[3];2)将前地板总成分拆为前地板及中地板两部分,通过中地板来实现尺寸调整,如图4所示。

图4 轴距调整策略

2.1.3后悬尺寸调整策略

后悬尺寸调整是同平台开发三厢车和两厢车必须面对的问题[4]。后悬尺寸调整主要通过后纵梁延长梁和后防撞梁(含吸能盒)总成来实现,如图5所示。

图5 后悬尺寸调整策略

2.2 平台Y向拓展策略

平台向拓展涉及两个方面的内容:底盘向尺寸调整以及车身向尺寸调整。

2.2.1底盘向尺寸调整策略

对于底盘向尺寸调整特指底盘前后轮距的调整。轮距调整的策略总体可以分为三类:调整轮辋偏距、调整悬架杆系长度以及全新开发转向节,其中调整轮辋偏距为前后轮距调整的通用策略,但轮辋偏距调整量不宜过大。转向节及轮毂轴承沿用的情况下,轮辋偏距调整使得轮毂轴承偏距变化,轮毂轴承由于受到偏心载荷的作用,使用寿命会降低甚至超出设计许可。通过轮辋偏距进行轮距调整的策略适用于轮距调整总量小于±20 mm的场景。

轮距调整的策略随悬架结构形式的不同而存在略微差异,以某B级别纯电平台(前双叉臂悬架+后五连杆悬架)前后轮距调整的策略进行举例说明,如图6及图7所示。

L1—轮辋偏距;L2—上控制臂长度(Y向);L3—上控制臂衬套中心至Y0面距离;L4—下控制臂长度(Y向);L5—上控制臂衬套中心至Y0面距离;W101—前轮距。

由图6可知,对于双叉臂前悬架轮距调整,除调整轮辋偏距外,主要通过改变上下控制臂长度来实现。

五连杆后悬架相对复杂,杆系变化会导致悬架K&C特性变化,五连杆后悬架轮距调整时会维持副车架及杆系不变,通过新开发转向节,改变尺寸L2来实现向拓展[3]。

L1—轮辋偏距;L2—转向节球头中心至轮胎中心面的距离;L3—连杆长度(Y向);L4—连杆衬套中心至Y0面距离;W102—后轮距。

由图7可知,五连杆后悬架轮距调整主要通过改变轮辋偏距以及转向节新开发实现。

2.2.2车身向尺寸调整策略

由于向尺寸W1与W5与平台动力总成搭载相关,而W4决定了电池包的宽度,因此,车身向尺寸调整应在保证地板共用(W2不变),且W1、W4以及W5维持不变的前提下开展。根据向尺寸调整量不同,车身向尺寸调整细分为两种:1)调整量较小,尺寸W3保持不变时,通过侧围外板以及门槛外板宽度进行调节[5]。由于受到门槛外板冲压成型特性以及乘员下车方便性的影响,调范围有限;2)调整量较大时,尺寸W3需要加大时(门洞止口外移),通过调整门槛内板的宽度[6],同时通过改变侧围外板及门槛外板截面宽度共同实现向尺寸调整,此时为改善乘员上下车方便性,人体点需要对应外移(加大W20),如图8所示。

图8 车身Y向尺寸调整策略

2.3 平台Z向拓展策略

平台向拓展包含车身和底盘两个方面,分别为高低坐姿调整和高低车姿调整。

2.3.1高低坐姿调整

同平台开发轿车和运动型多功能车(Sport Utility Vehicle, SUV)时,由于人体座高H30不同,高低坐姿调整策略是实现平台化的关键。高低坐姿调整可通过改变座椅安装支架高度来实现。

2.3.2高低车姿调整

整车高度、人体坐姿以及离地间隙是轿车与SUV的主要差异,其中最小离地间隙就是高低车姿的具体表征。最小离地间隙的调整主要通过两个方面进行[7]:1)更换轮胎;2)轮心下移。将轮胎沿着轮跳轨迹线下移一定数值,在不改变悬架K&C特性的情况下加大离地间隙,如图9所示。

图9 高低车姿调整策略

3 平台开发重点关注要素

3.1 前后悬架结构形式的选择

受限于当前电池技术发展现状,续航里程焦虑仍然是影响消费者选择纯电动汽车的因素之一。因此,纯电动平台相对传统燃油车平台开发时,除围绕机舱及乘员舱为重心开展研究外,还需要额外考虑电池包的布置,充分利用有限的空间来提高续航里程,悬架形式的选择就显得尤为重要。

3.1.1前悬架结构选型

前悬架普遍搭载麦弗逊悬架、双叉臂独立悬架。由于纯电动车型电动力总成相对传统动力总成在尺寸方面更小,前悬架具体结构形式的选择已不受动力总成横向尺寸限制,可根据车型定位及核心竞品配置情况进行选择。

双叉臂悬架可以看作是从麦弗逊悬架基础上增加上控制臂进化而来,其对于电池包向布置空间的影响可以使用麦弗逊悬架进行替代分析。

对于麦弗逊悬架,根据A型臂的布置形式不同,又细分为A型臂前置式麦弗逊悬架以及A型臂后置式麦弗逊悬架两种,两种悬架对比如图10所示。

图10 A型臂前置及后置麦弗逊悬架对比

由图10对比可知:在电机及转向器布置方案完全相同情况下,A型臂前置式麦弗逊悬架相对A型臂后置式麦弗逊悬架,可以提供更大的电池包布置空间。

对于双叉臂悬架:选型时应优先选择下控制臂杆系布局形式类似麦弗逊悬架A型臂前置式布置方案,如图11所示。

图11 双叉臂悬架(A型臂前置)

3.1.2后悬架结构选型

后悬架相对前悬架在横向空间上具有更大的裕度,悬架结构相对较为丰富。纯电动车型上搭载的典型后悬架分别为扭力梁悬架、刀锋臂悬架、五连杆悬架以及H型臂多连杆悬架,其中扭力梁悬架与刀锋臂悬架对于电池包向布置空间的影响相当,同时五连杆悬架与H型臂多连杆悬架对于电池包向布置空间的影响相当,因此,以扭力梁后悬架及五连杆后悬架为代表进行对比分析,如图12所示。

图12 后悬架对电池包X向布置空间的影响对比

五连杆悬架相对扭力梁悬架对于电池包向布置空间的侵占更小,可以获得更大续航里程,在当前电池技术未取得突破进展的情况下,应优先选择五连杆悬架或者H型臂多连杆悬架[8]。

3.2 驱动形式的选择

电动汽车电池包重量较大,同时电动力总成相对传动发动机动力总成质量更小,电动汽车质心位置会相对靠后,整备状态轴荷比一般处在45%~55%。

在这种状态下如果继续采用前置前驱的布置方案,势必对坡道行驶和极限操控造成不利影响[9-10],建议纯电车型优先选择后置后驱,即主后驱,同时开发四驱的开发方案。

3.3 电机的结构选型及布置方案

3.3.1电机结构选型

电动汽车上搭载的电机按照结构和工作原理进行划分,主要有永磁同步电机及交流异步电机两种,其优缺点如表4所示。

表4 永磁同步电机与交流异步电机特性对比

电机类别永磁同步电机交流异步电机 转速区间/(r/min)4000~10 0009 000~15 000 过载能力/%300300~500 峰值效率/%95~9794~95 成本高低 外形尺寸小大 调速特性好较差

由表4可知:

1)永磁同步电机峰值效率相对交流异步电机更高,外形尺寸更小,但极限转速和过载能力相对较低,且成本相对较高。

2)永磁同步电机高效区间集中在中低转速段,且调速特性好,在面对反复启停、加减速依然能保持较高效率。

3)交流异步电机高效区间集中在中高转速段,因此,在高速行驶时保持最大动力输出的同时,也能极大的减小能耗,但调速特性较差[11]。

4)交流异步电机由于没有永磁体转子,在车辆滑行时电机不会因拖拽而导致磁通变化进而产生磁滞损失和涡流损失[12],可以一定程度减小续航衰减。

对于永磁同步电机也可以增加脱开机构,该脱开结构可以设置在半轴或者差速器来实现车轮和电机之间的分离,由此来解决上述磁滞损失和涡流损失。相同电池电量情况下,不同动力总成组合方案下四驱车型相对两驱车型续航里程衰减对比如图13所示。可以看出:相同电量情况下,四驱车型相对两驱车型续航衰减方面,搭载前永磁+后永磁(辅驱带脱开机构)或者前异步+后永磁的动力组合方案相对搭载前永磁+后永磁(辅驱不带脱开机构)的动力组合方案衰减量更少:衰减量从100 km降低至50 km。

图13 不同动力组合方案下四驱相对两驱续航里程衰减

由此可见前异步+后永磁以及前永磁+后永磁(辅驱带脱开机构)的动力组合方案在提升四驱车型续航里程方面效果明显,在动力总成规划时可从上述两种动力总成组合方案中选择。

3.3.2电机的布置方案

根据电机输出轴与减速器输出轴相对位置关系不同,电机布置方案分为轴前布置和轴后布置两种。轴前电机及轴后电机布置方案如图14所示。

为了提高乘员舱空间利用率,进而增加乘员的乘坐舒适度,各车企都在不断尝试,其中最为有效的方案就是减小尺寸L113(BOF点到前轮轮心的距离)的数值。

对于前电机,轴前或轴后布置主要影响尺寸L113以及转向器的布置方案的选择。电机布置方案对于转向器布置的影响将在下一章节单独开展分析。电机布置对于尺寸L113的影响如图15所示。

图15 电机布置方案对L113的影响

由图15可知:L113尺寸值同时受到轮胎尺寸规格、电机及转向器的布置方案的约束。从图15(b)可以看出:当减速器输出轴位置相同时,采用轴后电机布置方案时,电机与转向器以及高压线束干涉,并且与前围板下部横梁间隙小,从而导致前围下部横梁、加速踏板以及BOF点整体后移,这种情况下必然导致尺寸L113变大。由此可见:电机轴前布置相对轴后布置,可以获得相对更小的L113,有利于提高乘员舱空间利用率。

对于后电机,轴前或轴后布置主要影响第三排座人体脚步空间,如图16所示。

图16 后电机布置对于三排人体脚步空间的影响

从图16对比可以看出:减速器输出轴位置相同的情况下,后电机轴前布置时,后电机壳体与车身Heel Board干涉,Heel Board需从边界前移至新边界示意位置,如图16(b)所示,进而与第三排人体脚后跟干涉。由此可见:后电机轴后布置相对轴前布置,可以获得更为优秀的第三排脚部空间。

3.4 转向器的布置

转向器的布置根据转向器与前轴的相对位置关系不同可分为转向器前置和转向器后置。典型的电机与转向器布置方案如图17所示。

转向器布置与电机布置相互影响,共同影响尺寸L113的数值,转向器布置与电机布置之间关联关系如表六所示。从表5可以看出:当电机为轴前布置时,转向器可选择轴前布置或者轴后布置方案,但电机为轴前布置,且转向器也为轴前布置方案,电机需要绕减速器输出轴顺时针上旋一定角度,以避免与转向器的干涉;转向器及电机布置方案对于尺寸L113的影响程度总结如表6所示。

图17 典型转向器与电机布置方案

表5 转向器及电机布置的关联性

电机轴前布置电机轴后布置备注 转向器前置√√电机轴前布置时,电机需绕减速器输出轴上旋一定角度 转向器后置√×电机轴后布置+转向器后置方案在纯电平台车型布置中不常见

表6 转向器及电机布置方案对L113的影响

布置方案电机轴前布置+转向器前置电机轴前布置+转向器后置电机轴后布置+转向器前置 L113较小一般较大

由表6可知:电机轴前布置+转向器前置方案L113最小,电机轴后布置+转向器前置方案L113相对较大,最终需根据车型造型风格以及L113目标值进行综合选择。

3.5 空调箱的选择及布置

空调箱根据结构形式不同,可以分为传统横置空调、纵置空调、分体式空调三种。蔚来ES6/ES8车型为分体式空调布置方案的代表,特斯拉Model 3及Model Y车型为纵置空调布置的代表。三种空调箱布置方案对于前舱布置的影响如图18所示。

图18 三种空调箱布置方案对前舱布置的影响对比

分体式空调箱布置方案将鼓风机、膨胀阀、风门等器件都布置在前舱,可以进一步减小鼓风机、风门电机以及冷媒流动等对于乘客舱的影响,获得较高的噪声、振动与声振粗糙度(Noise, Vibration, Harshness, NVH)品质,同时也为女王副驾的布置留出足够的空间[13]。其次由于分体式空调箱将鼓风机置前舱,空调滤芯的更换可在发罩开启后在前舱开展,维修便利性较高,但同时也对前舱高压器件的布置产生了一定的影响,进而影响前行李箱的布置。

纵置空调箱方案:由于其高度集成化的设计,使得其对于前舱高压器件的布置影响降到了最低,同时也为女王副驾留出了足够的空间,但维修方便性与传统横置空调箱方案相当。

三种空调箱布置方案的优缺点如表7所示。

表7 三种空调箱布置方案对比

传统横置空调纵置空调分体式空调 典型应用车型小鹏P5/汉Model Y/Model 3ES6/ES8 维修方便性(空滤更换)一般一般好 对女王副驾的布置影响较大不影响不影响 NVH一般一般好 对前舱高压器件的布置不影响一般较大

空调箱布置方案的选择取决于车型的功能配置定义(是否配备女王副驾及前行李箱)、维修便利性要求以及NVH品质目标,需根据实际情况选定。

4 结束语

本文从全新纯电平台开发所需必要输入及需重点关注的要素出发,重点分析了悬架结构选型、驱动形式的选择、电机结构选型及布置方案、转向器布置、空调箱技术路线对于平台开发的影响并给出了开发建议。

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The Key Elements Analysis and Suggestions for All-new Electric Vehicle Platform Development

HAN Wangli

( Hengchi New Energy Vehicle Research Institute (Shanghai) Company Limited, Shanghai 201616, China )

Based on the development practice of a pure level station, this paper summarizes the necessary input, platform expansion strategy and key factors to be considered in the development of a new pure level station. The selection suggestions are obtained by comparing the layout scheme. The results show that the A-arm McPherson can obtain larger battery pack layout space than A-arm rear McPherson suspension. For the layout scheme L113 in front of the motor and steering gear layout shaft and the motor layout in front of the steering gear layout shaft, it is relatively smaller, which can improve the utilization rate of the crew cabin space. The rear motor of the rear motor arrangement can effectively improve the footstep space of three rows of human bodies; Compared with the traditional horizontal air conditioning box, split air conditioning box and longitudinal air conditioning box are conducive to the arrangement of the queen's first officer, but they have different degrees of influence on the arrangement of high voltage devices in the front cabin.

Input for platform development;Platform expansion strategy;Suspension structure selection; Drive form selection; Motor selection and layout; Steering gear arrangement; Air conditioning box selection and layout

U462.2+2

A

1671-7988(2023)10-204-10

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.041

韩汪利(1986—),男,硕士,工程师,研究方向为纯电平台开发与集成,E-mail:to634hanwangli@163.com。

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