純電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)論文范文

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1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車的核心，其基本特性參數(shù)的選配必須滿足整車動(dòng)力性能要求。通過計(jì)算，合理選擇動(dòng)力系統(tǒng)各部件的參數(shù)，并將其進(jìn)行有效匹配，才能設(shè)計(jì)出高性能的純電動(dòng)汽車。

1.1電機(jī)最大功率計(jì)算

為滿足純電動(dòng)汽車整車性能，通過3種方法計(jì)算電機(jī)最大功率Pnmax，即:根據(jù)汽車最高車速確定的功率即額定功率Pne;爬坡度確定的功率Pna;加速性能確定的功率Pnc。根據(jù)整車設(shè)計(jì)參數(shù)，可計(jì)算出上述3個(gè)功率值，取其中最大者作為電機(jī)最大功率選取參考值，即Pnmax≥maxPne，Pna，P[]nc。根據(jù)表1、2所給出的參數(shù)，由以上公式(1)—(3)，計(jì)算求得Pne為22.64kW，在坡度為20°，以35km/h的車速爬大坡時(shí)，Pna為55.66kW，同時(shí)求得Pnc為45.78kW。因此，取Pna的值作為電機(jī)最大功率選取的參考值。

1.2電機(jī)功率與轉(zhuǎn)矩選擇

電機(jī)在工作時(shí)，其性能分為連續(xù)工作性能和短時(shí)工作性能。電機(jī)的額定值決定了其連續(xù)工作特性，短時(shí)工作特性是電機(jī)過載一定倍數(shù)之后的轉(zhuǎn)矩功率特性。在電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩選擇時(shí)，通常以純電動(dòng)汽車的常規(guī)車速來確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速(電機(jī)通常運(yùn)行的轉(zhuǎn)速)，再通過電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速求出電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。

1.3電池組參數(shù)設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車唯一的動(dòng)力源，其攜帶的總電量是整車動(dòng)力性和續(xù)駛里程的基本保證。電池組的總電量與電池單體的容量和組合形式有關(guān)，而動(dòng)力電池的單體電壓和組合形式又直接決定了其為電機(jī)提供總電壓的大小。動(dòng)力電池參數(shù)匹配主要包括電池類型的選擇、電池組電壓和容量的選擇。根據(jù)純電動(dòng)汽車對(duì)目標(biāo)性能的要求，綜合考慮整車所需的動(dòng)力電池總電量、動(dòng)力電池單體類型以及其組合形式后，計(jì)算確定動(dòng)力電池單體數(shù)量。

2底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在純電動(dòng)汽車底盤系統(tǒng)中，動(dòng)力系統(tǒng)需要重新架構(gòu)，因此總布置方案改變較大。目前，電動(dòng)汽車底盤設(shè)計(jì)主要運(yùn)用2種方式，即:根據(jù)設(shè)計(jì)需求，在傳統(tǒng)車平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改制;開發(fā)“電動(dòng)化、模塊化、智能化、集成化”全新理念的底盤系統(tǒng)。本文采用的方式是基于原有車型平臺(tái)進(jìn)行局部改制。底盤系統(tǒng)中，大部分子系統(tǒng)的工作原理沒有發(fā)生變化，改制后需對(duì)底盤及整車進(jìn)行重新總布置，重新計(jì)算軸荷分配對(duì)懸架系統(tǒng)性能造成的影響，然后對(duì)懸架系統(tǒng)做出相應(yīng)調(diào)整。

2.1電機(jī)、減速器布置

電機(jī)、減速器的布置在原發(fā)動(dòng)機(jī)前艙布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行，布置時(shí)應(yīng)考慮如下幾個(gè)因素(以下X、Y、Z方向?yàn)檐囕v坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向，即當(dāng)車輛在水平路面上處于靜止?fàn)顟B(tài)，坐標(biāo)原點(diǎn)與質(zhì)心重合，X軸平行于地面指向正前方，Y軸指向駕駛員右側(cè)，Z軸通過汽車質(zhì)心指向正上方):1)電機(jī)、減速器外輪廓距離左右縱梁的空間寬度應(yīng)一致，以便于安裝懸置;2)減速器輸出軸中心線布置在滿載前輪中心線附近，差速器輸出軸與前輪中心連線盡量接近;3)減速器后部應(yīng)與副車架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)都留有安全距離;4)電機(jī)三相線進(jìn)線與控制器出線方向位置相協(xié)調(diào);5)半軸在YZ平面內(nèi)與Y方向夾角，空載時(shí)應(yīng)小于15°，滿載時(shí)小于7°;6)電機(jī)布置位置應(yīng)在整車滿載條件下確定。確定減速器輸出軸位置后，電機(jī)定位可繞減速器輸出軸旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的輪廓上限不超過縱梁上平面，電機(jī)右側(cè)為3相線接口，電機(jī)控制器放置于電機(jī)正上方;電機(jī)位于減速器右側(cè)，如圖2所示(以下示意圖均是通過對(duì)各元件的簡(jiǎn)化建模后得到)。差速器中心平面相對(duì)XZ平面偏左200mm，電機(jī)減速器集成體外輪廓距左側(cè)縱梁最小170mm，距右側(cè)縱梁最小60mm。該設(shè)計(jì)方案中，根據(jù)電機(jī)減速器集成體的尺寸分布，將差速器中心平面布置與整車中心平面基本重合，左右半軸通過萬向節(jié)將車輪與減速器的輸出軸連接起來，在YZ平面上，左右半軸與前輪中心線的夾角相等，在核算半軸與前輪中心線夾角時(shí)計(jì)算一側(cè)即可，如圖4所示。裝配時(shí)電機(jī)、減速器集成體與車架的連接點(diǎn)一共有3個(gè)，分別位于左側(cè)縱梁、右側(cè)縱梁、副車架。左側(cè)縱梁懸置軸線平行于Y方向，限制X和Z方向運(yùn)動(dòng);右側(cè)縱梁懸置軸線平行于X方向，限制Y和Z向運(yùn)動(dòng);副車架上的懸置軸線平行于Y方向，限制X和Z方向運(yùn)動(dòng)。

2.2前后艙元件布置

如上所述，將電機(jī)、減速器布置在原發(fā)動(dòng)機(jī)前艙位置，同時(shí)DC/DC、電機(jī)控制器、空調(diào)壓縮機(jī)等相應(yīng)電氣裝置均布置在前艙。可利用各元件的外形尺寸將各元件簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體模型進(jìn)行布置，從車輛前艙上方往下俯視，如圖5所示。原車的后艙容積約為0.43m3，將車載充電器、電源管理器、配電箱、直流空氣開關(guān)布置在后排座椅背后，并且設(shè)計(jì)拱形支架，使其不影響備胎的放置，布置示意圖如圖7所示。同時(shí)，可設(shè)計(jì)一個(gè)大蓋板，將這幾個(gè)器件蓋住，以達(dá)到從后面看車內(nèi)美觀的效果，后艙電器蓋板采用塑料件制成，以減輕整車質(zhì)量。

2.3動(dòng)力電池布置

本設(shè)計(jì)將電池單體集中布置于一個(gè)電池包中，動(dòng)力電池包中共布置了100個(gè)電池單體，包內(nèi)電池單體總共分為6排，沿車輛X方向，前部3排電池臥放，后部3排電池立放，以保證其與后排座椅地板形狀相統(tǒng)一，同時(shí)通過串聯(lián)形式將所有單體進(jìn)行連接，如圖8所示。電池包采用無上蓋結(jié)構(gòu)，利用車身地板及四周安裝板和加強(qiáng)板形成電池包的上蓋。電池包外殼可采用鈑金件折彎和焊接的工藝形成箱體，翻邊形成安裝板，可實(shí)現(xiàn)在安裝孔定位時(shí)與車身地板的模具統(tǒng)一起來。同時(shí)，電池排布上充分利用車身地板下方空間，與車身地板的形狀一致，以最大程度節(jié)省空間，為避開后輪擺臂安裝座和后輪罩在電池包后部?jī)蛇呴_有2個(gè)缺口，如圖9所示。動(dòng)力蓄電池布置在座椅地板下方，并且盡量保留了車身地板形狀，該布置的電池包是車輛的最小離地間隙位置，如圖10所示。該布置保證了駕乘人員安全，給貨倉(cāng)和備胎留下了一定的空間，同時(shí)還考慮了電池包整體快速更換原則，方便電池包的整體更換。該動(dòng)力電池單體質(zhì)量為3.1kg，電池單體共310kg，加上電池包殼體及加強(qiáng)等附件結(jié)構(gòu)，電池包總質(zhì)量約385kg。該布置后電池包重心位置距離前軸水平距離為1558mm，前、后軸軸荷比例分別為49.4%和50.6%，滿足GB7258—2012中關(guān)于軸荷的要求。

3車身設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)是整車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，其設(shè)計(jì)效果對(duì)整車性能(如續(xù)駛里程、加速時(shí)間、爬坡性能等)的影響顯著。同時(shí)，車身必須達(dá)到足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及滿足其他性能指標(biāo)(如安全、耐久性、NVH、工藝等)。國(guó)內(nèi)外對(duì)純電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)研究較多，目前主要是應(yīng)用多種輕量化材料，同時(shí)集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和先進(jìn)制造技術(shù)及工藝等手段進(jìn)行設(shè)計(jì)［8］。基于以上所述，本例中電池包安裝在車身地板下方，其外殼設(shè)計(jì)及電池單體布置時(shí)盡量與車身地板的形狀一致。同時(shí)，電池包布置時(shí)考慮了整體快換原則，根據(jù)設(shè)計(jì)需要及電動(dòng)汽車相關(guān)安全規(guī)定，上車體可直接由原傳統(tǒng)車平臺(tái)提供，但原車身地板在結(jié)構(gòu)上必須做出相應(yīng)更改。

3.1更改因素

為滿足要求，設(shè)計(jì)地板時(shí)考慮的因素如下:1)電池包安裝于車身地板下方，根據(jù)電池實(shí)際布置，為達(dá)到電動(dòng)汽車安全法規(guī)相關(guān)要求，需抬高地板高度;2)車身地板下方要根據(jù)電池包外殼的形狀設(shè)計(jì)密封的加強(qiáng)梁，用于安裝電池包，并且與電池包共同形成電池包空間;3)車身地板下方需焊接3個(gè)支撐桿，該支撐桿用于支撐電池包中部變形產(chǎn)生的載荷，同時(shí)也用于安裝時(shí)的定位;4)車身地板上方需設(shè)計(jì)螺孔，用于安裝中央通道蓋板;5)設(shè)計(jì)中后排地板高度升至與前座椅安裝支架一致，需在車身地板上重新設(shè)計(jì)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)用于座椅安裝;6)車輛地板結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，側(cè)碰剛度發(fā)生變化，需重新校核，車身地板的承載能力同時(shí)也需要校核;7)新設(shè)計(jì)車身地板與周圍鈑金件的連接與原車不同，需重新設(shè)計(jì)。

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)需求，從車身底部右后邊向上斜看改進(jìn)后的車身地板結(jié)構(gòu)如圖12所示，其側(cè)面剖視示意圖如圖13所示。圖13中的臺(tái)階面從左至右依次表示:后排座椅安裝面、后排座椅腳地板及前排座椅安裝面、前排座椅腳地板。車身地板與電池包安裝梁通過車身焊裝構(gòu)成車身的一部分，而中央通道蓋板在整車裝配線束后，再通過螺釘或螺栓固定在地板上，用于構(gòu)成線束的通過空間。本例中由于車身地板在電池包的基礎(chǔ)上進(jìn)行了抬高和展平，使得后排座椅的H點(diǎn)與腳地板的垂直距離減小，從原車的400mm以上減少至250mm左右，但是仍然符合一般乘用車布置設(shè)計(jì)要求。座椅下方安裝板展平后，重新設(shè)計(jì)了小的安裝支架結(jié)構(gòu)，使得坐墊底座輕微改動(dòng)。本設(shè)計(jì)在適當(dāng)?shù)牡胤郊訌?qiáng)了車身地板設(shè)計(jì)剛度，以滿足整車碰撞法規(guī)要求和承載要求。綜上所述，前后艙、動(dòng)力電池包及與車身地板之間的布置關(guān)系如圖14所示。

4整車性能

改制后的純電動(dòng)汽車整車基本性能可通過理論計(jì)算求得。將以上計(jì)算選取的各項(xiàng)參數(shù)導(dǎo)入Matlab軟件，并通過編程獲得部分相關(guān)性能曲線，結(jié)果如圖15—18所示。圖15是不同車速電機(jī)需求功率曲線。可知，在整車運(yùn)行過程中，電機(jī)的需求功率隨整車車速變化，其大小隨車速增加而增大。其中，車速為50km/h時(shí)，電機(jī)滿足整車基本要求的需求功率為6.02kW;當(dāng)車速為80km/h時(shí)，電機(jī)的需求功率達(dá)到13.41kW。圖16所示是不同爬坡度的電機(jī)功率曲線。圖16是在35km/h的車速勻速爬坡情況下獲得，曲線反映出電機(jī)需求功率與爬坡度成正比例關(guān)系。在爬坡度為零時(shí)，電機(jī)功率為0.47kW;當(dāng)爬坡度為14.05%(8°)時(shí)，電機(jī)功率為24.63kW;當(dāng)爬坡度達(dá)到36.40%(20°)時(shí)，電機(jī)需求功率最大，達(dá)到55.66kW。圖17是在電機(jī)額定功率、整車空載狀態(tài)下，整車的百千米加速時(shí)間曲線。由圖可見，車輛從原地起步加速至50km/h時(shí)，時(shí)間為5.66s;(50～80)km/h所用時(shí)間為6.16s;整車車速達(dá)到100km/h時(shí)，共用時(shí)為19.34s。圖18是不同條件的加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線。可以看出，車輛在實(shí)驗(yàn)質(zhì)量－電機(jī)額定功率、車輛空載狀態(tài)、車輛滿載狀態(tài)下，其起步加速度大小不同。在車輛起步時(shí)，加速度的值最大，圖中3種條件下分別為2.63、2.41和0.84m/s2。在車輛起步后的一定車速范圍內(nèi)，加速度大小基本保持不變;當(dāng)車速達(dá)到一定值后，加速度開始逐漸減小，最后變?yōu)榱悖藭r(shí)車速達(dá)到最大。其他數(shù)據(jù)，如等速(60km/h)續(xù)駛里程大于260km，最小轉(zhuǎn)彎半徑小于11m，整車滿載時(shí)最小離地間隙為147mm等。這些理論計(jì)算數(shù)據(jù)均達(dá)到了前期設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)要求。

5結(jié)束語

純電動(dòng)汽車在能源利用率、減少排放污染、降低噪聲方面所具備的顯著優(yōu)勢(shì)，對(duì)目前能源危機(jī)、環(huán)境污染問題均可起到有效緩解作用。本文針對(duì)基于傳統(tǒng)汽車平臺(tái)的純電動(dòng)汽車改制進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，各總成布置合理，將選配的數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab程序獲得了相應(yīng)的車輛性能曲線。結(jié)果顯示，所有性能數(shù)據(jù)能夠滿足本文所提出的整車目標(biāo)性能要求，將為該純電動(dòng)汽車下一步整車優(yōu)化提供有效參考。

作者：何勇彭憶強(qiáng)王子江王海單位：西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院四川汽車工業(yè)股份有限公司新能源汽車研究院