純電動(dòng)汽車新能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車新能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)【摘要】隨著純電動(dòng)汽車技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，集成設(shè)計(jì)逐漸成為發(fā)展方向。從結(jié)構(gòu)方面論述純電動(dòng)汽車新能源系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，包括整車配電盒、車載充電機(jī)、直流轉(zhuǎn)換器、電池分線盒、電池管理系統(tǒng)、動(dòng)力電池的六合一集成設(shè)計(jì)；交流充電座與直流充電座的二合一集成設(shè)計(jì)；壓縮機(jī)高壓線束與PTC高壓線束的集成設(shè)計(jì)。與分布式方案對(duì)比，可充分利用整車空間、縮短線束長度、減少零部件數(shù)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低質(zhì)量和成本。StructuralIntegratedDesignofElectricVehicleSystem【Abstract】Withtheimprovementofelectricvehicletechnologies,integrateddesignhasgraduallybecomethedirectionofdevelopment.Thispapermainlyelaboratesthestructuralintegrateddesignoftheelectricvehiclesystem:six-in-oneintegrateddesignofPDU,OBC,DC/DC,BDU,BMSandbattery,two-in-oneintegrateddesignofACchargingcradleandDCchargingcradle,andintegrateddesignofhighvoltageharnessconnectedtocompressorandhighvoltageharnessconnectedtoPTC.Comparedwiththedistributeddesign,itcanmakefulluseofthevehiclespace,shortharnesslengthandreducethenumberofcomponents,andthenreducetheweightandcost.Keywords:Electricvehicle,Integratedandoptimaldesign,Structuraldesign縮略語PDUPowerDistributionUnitOBCOn-BoardChargerDC/DCDirectCurrent-DirectCurrentBDUBatteryDisconnectUnPTCPositiveTemperatureCoefficient2020年11月2日，國務(wù)院印發(fā)了《新能源汽車產(chǎn)電動(dòng)汽車成為新銷售車輛的主流，并部署了強(qiáng)化新能源汽車集成技術(shù)創(chuàng)新[1]。純電動(dòng)汽車是新能源汽車最重要的一個(gè)分支，在新能源汽車中的滲透率達(dá)到80%以上，因此，對(duì)于純電動(dòng)汽車的深入研究勢在必純電動(dòng)汽車新能源系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器、動(dòng)力電池、整車配電盒、和車載充電機(jī)[2]。隨著研究深入，新能源系統(tǒng)逐步由分布式向集成式方向發(fā)展，黃波[3]分析了純電動(dòng)汽車三合一集成式電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式,對(duì)比了同類型產(chǎn)品的集成構(gòu)型,得出了三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型方案。侯磊等[4]創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器、直流轉(zhuǎn)換器建華等[5]對(duì)電機(jī)控制器、直流轉(zhuǎn)換器、車載充電機(jī)以及整車配電盒組成的四合一總成進(jìn)行了控制研究。電機(jī)控制器集成為三合一外，其他總成仍然是獨(dú)立器等布置在前機(jī)艙內(nèi)，動(dòng)力電池等布置在車身地板占用的空間增大和質(zhì)量增多的問題。本文為了解決新能源系統(tǒng)分布式方案存在的問配電盒、車載充電機(jī)和直流轉(zhuǎn)換器集成設(shè)計(jì)，交流充電座與直流充電座的二合一集成設(shè)計(jì)和壓縮機(jī)高壓線束與正溫度系數(shù)熱敏加熱器（PositiveTemperature1新能源系統(tǒng)集成高壓原理通過優(yōu)化純電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)原理，可以大幅減少接插件的使用數(shù)量和冗余高壓線束[6-7]。黃江濤等[8]通過優(yōu)化高壓系統(tǒng)原理，將整車配電盒與電驅(qū)三合一集成，節(jié)約一套電機(jī)控制器線束。此外，將空調(diào)高壓線束和PTC高壓線束合并，減少一個(gè)高壓回路，優(yōu)化高壓系統(tǒng)原理后，線束成本降低約730元。李松原[9]通過整車線束原理和布置方面進(jìn)行平臺(tái)化設(shè)計(jì)，并應(yīng)用到某車型開發(fā)，減少了問題點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)縮短設(shè)計(jì)和開發(fā)周期、降低新能源系統(tǒng)成本。黃江波[10]以汽車線束布置原則和注意事項(xiàng)為前提，重點(diǎn)分析優(yōu)化了電動(dòng)汽車高壓線束的布置，優(yōu)化后可降低高壓線束的使用量，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降低成本。束連接。交流充電座與直流充電座為2個(gè)獨(dú)立總成，交流充電座與車載充電機(jī)和直流轉(zhuǎn)換器二合一總成連接，直流充電座與動(dòng)力電池連接。壓縮機(jī)和PTC分別與高 ①前電驅(qū)系統(tǒng) ⑦動(dòng)力電池⑨配電盒充電座③交流充電座②OBC+DC/DC⑩后電驅(qū)系統(tǒng)④高壓配電盒⑤壓縮機(jī)⑧BMS⑥PTC圖1新能源系統(tǒng)分布式高壓原理為了解決上述問題，提出一種新能源系統(tǒng)集成方案，其高壓原理示意見圖2。其中，能量分配管理總成電機(jī)，并實(shí)現(xiàn)與動(dòng)力電池集成。整車配電盒與電池分線盒進(jìn)行深度集成，減少繼電器使用數(shù)量，并利用DC/DC進(jìn)行反向預(yù)充。交流充電座與直流充電座采用集成設(shè)計(jì)，形成二合一充電座總成。壓縮機(jī)高壓電線束和PTC高壓電線束采用二合一集成技術(shù)。此方案具有集成度高、占用空間小和總成質(zhì)量低的優(yōu)點(diǎn)。 ①前電驅(qū)系統(tǒng)⑤能量分配管理總成 ⑥后電驅(qū)系統(tǒng)⑦二合一充電座④動(dòng)力電池總成②壓縮機(jī)③PTC圖2新能源系統(tǒng)集成式高壓原理2能量分配管理總成設(shè)計(jì)2.1整車布置空間分析在分布式方案中，動(dòng)力電池布置在地板下，二排座椅與動(dòng)力電池之間的空間未得到充分利用，存在空間浪費(fèi)。而整車配電盒、車載充電機(jī)、直流轉(zhuǎn)換器布置在前機(jī)艙內(nèi)，又會(huì)導(dǎo)致前機(jī)艙內(nèi)空間緊張。因此，可將這些部件布置在二排座椅與動(dòng)力電池之間的空戶體驗(yàn)。另外，該車型系列是以后驅(qū)為主，將這些部件布置在此處，還可以減短后驅(qū)直流母線的長度。2.2能量分配管理總成設(shè)計(jì)能量分配管理總成由殼體、功率模塊、高壓配電模塊和高壓驅(qū)動(dòng)模塊以及連接器和水嘴構(gòu)成，見圖3。殼體由主箱體、下蓋板和上蓋板組成。鋁合金屬是一種輕質(zhì)材料，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)[11-12]。與其他材料及工藝相比，壓鑄鋁合金具有明顯優(yōu)勢（表1適用于能量分配管理總成殼體。表1壓鑄鋁合金優(yōu)點(diǎn)對(duì)比分析壓鑄鋁合金優(yōu)點(diǎn)塑膠件鈑金件零件形狀更加復(fù)雜，壁厚可以變化，一個(gè)壓鑄件可以代替幾個(gè)鈑金件，簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)機(jī)械加工件壓鑄件質(zhì)量輕、加工成本低其它鑄造件功率模塊包括上功率板和下功率板，分別固定在主箱體左側(cè)的上部和下部。高壓配電模塊固定于主箱體的中部，并與功率模塊相鄰。高壓驅(qū)動(dòng)模塊固定于主箱體的右側(cè)。另外，水道蓋板與主箱體上的水道結(jié)構(gòu)配合后形成立體水道，用于功率模塊的散熱。為了避免水道內(nèi)的冷卻液在流動(dòng)過程中形成湍流，水道結(jié)構(gòu)設(shè)有擾流組件。為了更好地把功率板上器件的熱量帶走，水道蓋板上設(shè)有電磁屏蔽導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)。水道蓋板上的密封膠槽打滿結(jié)構(gòu)密封膠后，通過螺栓緊固到主箱體上，實(shí)現(xiàn)水道蓋板與主箱體的密封。上蓋板與下蓋板采用相同的方式與主箱體實(shí)現(xiàn)密封。多個(gè)部件集成在一個(gè)總成內(nèi)，電磁兼容性設(shè)計(jì)從2個(gè)方面著手1）降低功率器件產(chǎn)生的電磁噪聲2）提高功率器件對(duì)電磁環(huán)境的抗擾能力。上蓋板上蓋板高壓配電模塊上功率板高壓驅(qū)動(dòng)模塊主箱體上連接板下功率板下蓋板水道蓋板圖3能量分配管理總成結(jié)構(gòu)具體措施有：（1）功率模塊采用π型電路，交流電路與直流電路分離設(shè)計(jì)。（2）車載充電機(jī)的交流電輸入采用AC濾波電路，經(jīng)過繼電器、功率因數(shù)校正（PowerFactorCorrection,PFC）電路、LLC電路及濾波電容轉(zhuǎn)換后，最后經(jīng)由輸出濾波電路輸出直流電。同樣直流轉(zhuǎn)換器的直流輸入側(cè)和輸出側(cè)均采用濾波電路。（3）配電模塊的輸入與輸出設(shè)置有磁環(huán)和濾波（4）磁性器件設(shè)置在獨(dú)立的封閉金屬腔體內(nèi)，減少電磁輻射。基于以上措施，通過測試能量分配管理總成的電磁兼容性等級(jí)達(dá)到了Class3的要求。2.3能量分配管理總成與動(dòng)力電池集成設(shè)計(jì)能量分配管理總成與動(dòng)力電池主要涉及結(jié)構(gòu)固定與密封、高壓電連接和低壓電連接，其集成結(jié)構(gòu)見圖4。為了保證能量分配管理總成與動(dòng)力電池的可靠固定，能量分配管理總成前部和后部分別設(shè)置了2個(gè)固定點(diǎn)和3個(gè)固定點(diǎn)，其中能量分配管理總成的前部通過支架固定在動(dòng)力電池內(nèi)部橫梁上，后部固定在動(dòng)力電池箱體的后橫梁上。為了避免線束手動(dòng)插接裝配，提高了裝配效率與操作安全性，高壓電連接和低壓電連接采用了集成電連接器。集成電連接器由上連接板和下連接板組成，通過上連接板與下連接板的接插配合，實(shí)現(xiàn)高壓電和低壓電連接。集成電連接器的上連接板固定在能量分配管理總成上，下連接板固定在動(dòng)力電池上。上連接板設(shè)計(jì)有錐形導(dǎo)向銷，下連接板設(shè)計(jì)有導(dǎo)向孔，通過導(dǎo)向銷和導(dǎo)向孔的配合，保證插接過程中對(duì)中準(zhǔn)能量分配管理總成上連接板支架上連接板下連接板動(dòng)力電池圖4能量分配管理總成與動(dòng)力電池集成結(jié)構(gòu)2.4能量分配管理總成集成方案CAE分析根據(jù)開發(fā)需求，新能源系統(tǒng)集成方案分析了靜強(qiáng)后面碰撞安全等共10個(gè)工況，箱體的主要部件材料參數(shù)見表2。經(jīng)過2輪CAE分析，分析結(jié)論見表3。表2能量分配管理總成箱體材料參數(shù)序號(hào)名稱材料牌號(hào)彈性模量/泊松比抗拉強(qiáng)度/1主箱體YL112740000.333202上蓋板YL112740000.333203下蓋板YL112740000.333204水道蓋板YL112740000.333205固定支架St132100000.3270第1輪垂直工況下的強(qiáng)度分析結(jié)果顯示能量分配管理總成固定結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中的問題，如圖5所示。為了有效地分散集中應(yīng)力，優(yōu)化加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，使其超過螺栓固定中心，優(yōu)化后的分析結(jié)果滿足目標(biāo)要求，見圖6。最終，新能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成方案10個(gè)工況均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。表3新能源系統(tǒng)集成方案CAE分析結(jié)論序號(hào)CAE分析工況CAE分析輸入及約束條件第1輪分析結(jié)論第2輪分析結(jié)論1靜強(qiáng)度分析垂直工況約束動(dòng)力電池的固定未通過通過2縱向工況約束動(dòng)力電池的固定通過通過3側(cè)向工況約束動(dòng)力電池的固定通過通過4疲勞強(qiáng)度分析垂直工況約束動(dòng)力電池的固定點(diǎn)，Z向加速度-5～+3g未通過通過5縱向工況約束動(dòng)力電池的固定通過通過6側(cè)向工況約束動(dòng)力電池的固定通過通過7隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析以X、Y、Z方向隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度曲線，分別振動(dòng)12h通過通過8定頻振動(dòng)分析Z：±1.5g方向正弦定頻通過通過9掃頻振動(dòng)分析動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法》的安全性測試中，對(duì)于安裝位置在車輛乘員倉下部的測試對(duì)象的測試要求通過通過后面碰撞安全分析車輛后面碰撞試驗(yàn)形式試驗(yàn)中車輛后面碰撞試驗(yàn)形式和試驗(yàn)方法通過通過1.261.261.241.24圖5第1輪垂直疲勞工況主箱體安全系數(shù)3二合一充電座集成設(shè)計(jì)分布式方案中，交流充電座和直流充電座是2個(gè)獨(dú)立的零件，占用空間較大，且存在材料浪費(fèi)問題。為解決分布式方案存在的問題，提出一種集成式充電座，見圖7。交流充電口與直流充電口共用充電座殼體，形成集成式充電座，其通過4點(diǎn)固定在車身充電座固定支架上。此方案，節(jié)約了充電座殼體用料，并減少了充電座固定支架的數(shù)量和固定標(biāo)準(zhǔn)件。1.671.671.701.70圖6第2輪垂直疲勞工況主箱體安全系數(shù)集成式充電座集成式充電座固定支架交流充電直流充電口圖7二合一充電座集成方案4高壓線束集成設(shè)計(jì)分布式方案中，空調(diào)壓縮機(jī)高壓線束與PTC高壓線束是相互獨(dú)立的2根線束?？照{(diào)壓縮機(jī)用于制冷，而PTC用于制熱，兩者用于調(diào)節(jié)乘員艙和動(dòng)力電池的溫度?？照{(diào)壓縮機(jī)高壓線束與PTC高壓線束存在共用線束段。在高壓線束上應(yīng)用超聲波焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高壓線束共用段的集成設(shè)計(jì)，并簡化整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見圖8。PTCPTC高壓線束分支空調(diào)壓縮機(jī)高壓線束高壓線束共用段圖8高壓線束集成方案5新能源系統(tǒng)集成式與分布式對(duì)比分析與分布式方案對(duì)比分析，新能源系統(tǒng)集成方案中總成數(shù)量減少了4個(gè)，高壓線束長度減短了6.5m，高壓連接器數(shù)量減少了5個(gè)，并且能量分配管理總成的體積節(jié)約了6.4L，質(zhì)量減輕8kg，表4新能源系統(tǒng)集成式與分布式方案對(duì)比方案對(duì)比分布式集成式對(duì)比分析新能源系統(tǒng)總成數(shù)量/個(gè)7總成數(shù)量減少4個(gè)高壓線束長度/m9.5線束長度減少6.5m高壓連接器數(shù)量/個(gè)9高壓連接器數(shù)量減少5個(gè)能量分配管理總成體積/L多個(gè)件,25.0體積節(jié)約6.4L能量分配管理總成質(zhì)量/kg多個(gè)件,24.0質(zhì)量減少8kg表5新能源系統(tǒng)集成式與分布式成本對(duì)比序號(hào)分布式集成式單車降成本/元零部件名稱成本/元零部件名稱成本/元1車載充電機(jī)和直流轉(zhuǎn)換器3800能量分配管理總成62705702整車配電盒6403電池分線盒24004電座）33462900446合計(jì)6結(jié)束語和直流充電座集成為交直流二合一充電座。應(yīng)用超聲波焊接技術(shù)，將壓縮機(jī)高壓線束與PTC高壓線束集型設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。參考文獻(xiàn)[1]國務(wù)院.新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021車產(chǎn)業(yè)發(fā)展年）[EB/OL].(2020-11-02)[2022-10-12]./zhengce/content/2020-11/02/content_5556716.htm.[2]瑞佩爾.新能源汽車結(jié)構(gòu)與原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版[3]黃波.純電動(dòng)汽車三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)與研究[D].重[4]侯磊，范旭紅，杜長虹，等.多合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及CAE仿真分析[J].微特電機(jī),2019,47(10):1-5+10.[5]車建華,盧浩,陳忠海,等.忠高壓集成四合一”電氣總成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].汽車電器,2019(11):39-43.淺析[J].新能源汽車，2019(5):37-40.[7]李田田，金啟前，馮擎峰.純電動(dòng)汽車高壓電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].汽車工程師，2013(11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