1 前言
純電動車因取消了複雜的內燃機和傳動系統，比傳統汽車或混合動力汽車都要簡單。電池-控制模塊-電機，即構成了整車的傳動邏輯。
為降低成本，縮短開發週期，電動乘用車在整車佈置時，在保證前軸至前壁板間距不變的前提下，對整車其它參數進行相應調整，以滿足設計需求；而由於技術因素，國內電動乘用車開發設計理念，大多以傳統汽車為基礎、最小變動為原則，佈置如圖1所示。
本文根據電動乘用汽車將其整車佈置分為前機艙模塊化佈置、動力電池包佈置、乘員艙佈置及控制系統佈置4大模塊（圖2），分別研究其佈置特性並進行分析。主要是電動汽車佈置設計時考慮高壓化特點、運動空間、工藝、安全間隙等因素前提下展開。
圖1 電動車平臺架構
圖2 電動車整車佈置縮略圖
目前設計驗證工作已經在奔騰X80EV、奔騰B30EV、以及賓果EV車型上得到應用
2 整車關鍵硬點參數設定
在整車佈置設計初期，應對整車關鍵座標點參數及汽車總佈置圖進行詳盡研究，對後期產品優劣起到關鍵作用。
2.1 載荷定義
對於電動汽車，一般有3種載荷，具體定義如下：
空載載荷：裝備車輛正常行駛所具備條件，如加滿冷凝劑、潤滑油、隨車工具和備胎等。
設計載荷：空載載荷加3個乘員質量，2個乘員前排，1個乘員後排，乘員按75 kg/人。
滿載載荷：車輛定義的乘坐人數加上行李箱一定的行李（根據具體車型，定義行李質量）。
2.2 整車整備質量及軸核分配
整備質量對汽車的動力性、經濟性、平順性及操縱穩定性都有重要的影響，在佈置設計時，應給出各部件的形狀和尺寸，確定各總成質心位置，計算出軸荷分配和質心位置。
整車整備質量 Mc（kg）計算[3]：
No—用估算整車整備質量全部總成數量[3]
空載後軸荷Mcr（kg）計算：
L—軸距（mm）
空載前軸荷Mcf（kg）計算：
空載質心高度Hg0按下式計算：
Mi—各總成質量
Xi—各總成質心位置(一般規定在前輪中心後為正值，在前輪中心前為負值)
Zθ0—空載狀態下的離地高度
在整車軸核計算時，以設計載荷為基準。設計載荷時，整車靜止姿態與行車姿態最為接近，並且車身地板與地面線保持平行，對後期零部件佈置有參考意義，其軸荷分佈參見表1。
2.3 整車座標設計
一般在設計載荷狀態下，輪心前1 000 mm，下1 000 mm，整車縱向對稱面Y=0，3個點的交點為整車座標原點,電動汽車與傳統汽車設定方法一致。
表1 電動車軸荷分配表[3]/%
3 前機艙通用化佈置
3.1 動力總成佈置方法
3.1.1 設計原則
（1）採用搭載的體積最大動力總成來做分析；
（2）從零部件的共用性和開發效率的角度考慮，在同一車型內統一考慮各動力總成的搭載位置和搭載角度，上述搭載角度為傳動軸中心線與水平面之間的角度。
3.1.2 動力總成定位佈置總體分析順序
（1）以差速器中心為基準點，佈置動力總成；校核驅動軸角度：目標值在4°以下（設計載荷）。但乘用車驅動軸極限角度：7°可以接受。傳動軸夾角。動力總成的佈置應使左右兩個半軸與水平面的夾角儘量相等，且滿載靜時4°≤α≤7°，角度越小傳動軸噪音越小、壽命越長[4]。
（2）電機控制器在整車高度上要滿足整個冷卻迴路的要求；一般要求電機控制器內部水套的最高點要低於補償水罐液麵最小刻度線；佈置過程中要考慮補償水罐的佈置高度是否滿足間隙要求（比如與機艙罩的間隙），在補償水罐滿足間隙要求的前提下，再確定電機控制器的佈置高度。
（3）驅動電機冷卻有水冷和風冷兩種方式，主流設計為電機與減速器集成為一體，綜合考慮傳動軸夾角、懸置結構強度和重心位置等。
（4）DC/DC和充電機冷卻方式分為水冷和風冷。風冷散熱應優先選擇佈置在通風條件好的位置。水冷則考慮方便管路連接的佈置位置。
3.1.3 校核離地間隙
確保動力總成所需最小離地間隙，考慮最小離地間隙時應考慮底護板等。
3.1.4 確保動力總成與發罩之間所需的間隙
主要是行人保護法規的要求，要求動力總成上金屬件與機艙罩內板之間的間隙(如表2)。
3.1.5 校核與前圍擋板距離
確保動力總成和安裝在前圍擋板上的零件的間隙等(如表2)。
3.1.6 校核與前端冷卻模塊的間隙
詳細見表2。
3.1.7 校核與縱梁的間隙
詳細見表2。
3.1.8 總佈置調整
總體佈置時，需要不斷調整，找到滿足上述所有條件的位置(如表2)。
3.1.9 總佈置校核運動干涉
動力總成可能的運動干涉，包括生產線裝配性、維修方便性（工具、拆卸空間）、可視性（驅動電機號、差速器號等）。
3.1.10 動力總成懸置佈置
動力總成常採用3點、4點懸置系統。對於動力總成橫置的日系、韓系車多用4點式懸置系統，德系車多用3點懸置系統。
3點式懸置系統與車架的順從性最好，因為3點決定一個平面，不受車架變形的影響，而且固有頻率低，抗扭轉振動的效果好[6]。圖3、4是典型的3點式懸置系統：
圖3 動力總成縱置3點式懸置佈置形式
圖4 動力總成橫置3點式懸置佈置形式
4點式懸置的穩定性好、能克服較大的轉矩反作用力，不過扭轉剛度較大，不利於隔離低頻振動[6]。4點式懸置在6缸機上的使用最為普遍。圖5、圖6是典型4點式懸置系統。
3.2 前機艙佈置原則
印博認為電動車前機艙佈置一般分為上、下兩層,上層佈置維修更換頻率高的部件,如整車控制器、電機控制器、高壓電器盒、DC-DC等部件;下層佈置減速器、電機及不經常維修的部件,如真空灌、電動制動真空泵、水泵、電動空調壓縮機等部件[5]，具體詳見圖7。
圖5 動力總成橫置4點式懸置佈置形式
圖6 動力總成縱置4點式懸置佈置形式
圖7 電動汽車詳細布置
在佈置時，與用電器部件佈置在一起時，縮短部件接線口間距離，簡化管線長度和走向。電機與電機控制器佈置在一起，ESP與制動器佈置要相近，避免管路彎折等。
此外，通過對主流車型的對標分析，在前機艙佈置時還要遵循以下原則：
運動和總裝工藝間隙：剛性連接部件最小間隙10 mm，柔性連接部件最小間隙15 mm，電機與其他部件最小間隙20 mm；線束插頭預留空間A≥B+50 mm(B接插件厚度),便於拆裝維修。
熱害間隙：風冷充電機、電機和DC-DC等部件應保留熱害間隙大於20 mm。
碰撞安全：一般乘用車若要取得C-NCAP四星以上碰撞成績，吸能空間L=C+D≥560 mm，C為動力總成距前保險槓外延最小距離；D為動力總成距前圍板最小距離。前保險槓潰縮空間較大，建議為280 mm～300 mm[5]。
3.3 蓄電池佈置要求
蓄電池安裝位置應便於加註電解液以及拆卸其線束端子；蓄電池拆卸和更換時間應滿足從車上將蓄電池拆下及更換的總時間不超過0.6 h要求；蓄電池頂面與水平面夾角應≤5°；在蓄電池傾斜到水平方向與水平面成30°時，不允許有電解液溢出。
拆除蓄電池隔熱罩，蓄電池必須在托盤內按垂直方向安裝或拆除；蓄電池水平移動方向，必須侷限到蓄電池托盤內允許的空間內進行，在安裝蓄電池時不允許有斜線方向的移動；除蓄電池緊固裝置、隔熱罩及蓄電池線束，在安裝和拆除蓄電池時不允許移動其它零部件。
3.4 校核間隙設定
動力總成在整車佈置時要考慮與周圍零部件間隙，具體數值參見表2。
表2 校核間隙列表/mm
4 乘員艙佈置
純電動汽車的加速踏板和制動踏板與傳統車功能一致，但作用原理不同，在純電動汽車上其加速踏板和制動踏板的位移量是將電信號輸出至整車控制器來實現對車輛的行駛和制動。
基於在傳統汽車基礎上開發的純電動汽車，在乘員艙佈置時，主要關注駐車制動操縱桿、加速踏板及人機交互系統的佈置方法，圖8為各系統位置點。
圖8 乘員艙佈置
4.1 駐車制動操縱桿總成與周邊件關係
LIAO提出手柄的初始位置，與水平面所成角度A，以10度為最佳，一般不超過30度；手柄前端手握處距地板中通道（或副儀表板）距離L[8]，大於或等於35 mm（圖9）。
圖9 制動手柄佈置[8]
滿足駕駛員在換擋時的方便性，一般AT車型的換擋手球距離儀表板的距離為50 mm～60 mm，MT車型距離儀表板縱向距離為40 mm～50 mm。
4.2 加速踏板機構佈置設計
在加速踏板機構佈置時，要考慮踏板行程、人機工程、踏板力、回位力、阻尼力、間隙校核等方面，從人機方面考慮，電動汽車加速踏板一般不改變原有位置，其特殊匹配要求是整車佈置時重點關注點。
行程與電子信號：匹配方式分兩種：其一，根據電控系統的HCU（Hybrid Control Unit）參數規格，選擇合適的電子參數和行程，再根據選擇的結果尋求合適的電子油門踏板供應商，進行匹配設計；其二，先選擇合適的油門踏板資源，根據已選踏板的電參數輸出結果，對HCU進行標定集成工作。
此外，要關注電線束插接頭佈置，不可佈置在距離地板過近的位置，要求電線束插接頭需佈置在車身地板高200 mm的位置，防止刷車或腳部積水浸溼電線束，致使功能失效。同時腳在踩踏過程中不可以接觸線束及插接頭。
4.3 安全性
對於乘員艙佈置的安全性，主要涉及車身安全、被動安全，而被動安全主要是安全帶佈置、氣囊佈置數量，而車身安全主要是車身結構安全，針對電動汽車的車身結構安全涉及多個維度，下面以Morton對特斯拉Model S的評估舉例說明[9]:
特斯拉Model S（圖10）整車主要由吸能性較好的鋁合金材料打造，其車身框架採用高強度材料加固，撞擊時能夠吸收能量，乘員艙不易變形。
整車動力電池組位於地板正下方，這為車身安全提高了如下兩點幫助：
第一，較重的動力電池組降低了整車重心，提升了整車側傾穩定性
第二，動力電池組框架堅固,提高了車身整體強度
圖10 整車電池佈置圖[9]
如上說明：電動汽車的車身安全不僅可以通過改變車身結構材料實現車身強度增加，也可以通過動力電池佈置在地板以下的形式達到車身強度增大的目的[10]。
5 動力電池包佈置
純電動汽車行駛完全依賴於動力電池系統的能量，要通過汽車的動力需求以及各種高電壓機器配件等所需的消耗電力、時間以及使用溫度來確定電池系統的容量,電池系統容量越大，可以續航里程越長，但所需電池系統的體積和重量也越大[11]。
動力電池佈置時，要滿足散熱要求、碰撞要求、整車通過性要求、配置要求、電池包保護要求等，一般動力電池可佈置乘員艙底板及乘員艙內（圖11）。
圖11 動力電池整車佈置示意
進行動力電池佈置時，首先需要確定電池包的冷卻方式，冷卻方式不同，電池包佈置間隙不同。根據車身地板結構，並考慮底盤件、電器件、內外飾件的影響，初步給出動力電池包可佈置位置和可放置空間範圍邊界[12]，同時應考慮以下要求：
（1）選擇佈置方式:地板下方或行李艙內，根據續航里程，初步推算出容量大小，估算出動力電池包的需求空間。
（2）根據整車配置要求，是否保留備胎，其影響動力電池包佈置位置選擇。
（3）最小離地間隙，影響地板下方動力電池包佈置高度,滿載最小離地間隙大於110 mm。
（4）選擇動力電池包的可佈置位置時，也要考慮動力電池包的保護裝置。
（5）動力電池的質量較大，影響前後軸荷分配，進而影響輪胎負荷、制動性能、懸架系統以及整車姿態。
綜上所述，初步確定電池包佈置位置和空間大小[12]。
6 控制系統佈置
整車各控制器硬件應佈置在振動較小、密封性較好的位置，必須保證足夠的安裝及拆卸空間，保證有足夠的空間進行連接器插拔，保證二次安裝的方便性。
電機控制器在整車高度上要滿足整個冷卻迴路的要求：一般要求電機控制器內部水套的最高點要低於補償水罐液麵最小刻度線；佈置過程中要考慮補償水罐佈置高度是否滿足間隙要求（比如與機艙罩的間隙），在補償水罐滿足間隙要求的前提下，再確定電機控制器的佈置高度。
整車控制器產生熱量少，無需考慮散熱的問題；由於抗振和防水能力差，應佈置在振動較小、密封性較好的位置，例如儀表臺下和座椅下等位置[5]。VCU(Vehicle Control Unit)及其固定支架組裝在一起後，應在500 Hz以下沒有任何共振頻率點,VCU插接端子面應朝下方佈置，保證液體能從ECU插頭處沿著線束自動流走,VCU安裝位置距離已知的電磁場及射頻干擾源不小於150 mm。
7 結論
電動汽車總佈置工作是系統工程，要保證整車各零部件性能實現最大化發揮，又要保證功能安全，並且要實現空間的合理分配，在保證這些工作的前提是需要了解整車各零部件的性能和功能要求，同時要考慮下游的工藝裝配，也需要在工作過程中與各零部件負責部門做充分的溝通，最後才能輸出一個滿足整車性能需求最合理的佈置設計方案。
來源 | 汽車文摘《汽車文摘》2019年第9期
作者 | 周戰福 王振濤，中國第一汽股份有限公司
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