摘 要：文章介绍了电动汽车开发阶段充电器布置研究的过程 结合某项目充电器布置实例 总结了充电器布置时需要考虑的因素 并对布置位置提出了建议 可以对新车型开发过程中充电器布置提供指导。合理的充电器布置可以降低成本、提高系统可靠性和整车性能。
关键词：充电器;电动汽车;布置
中图分类号：U469.72 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2019）07-26-03
Abstract： This paper introduces the process of charger arrangement during Electric Vehicle development， combined with a project work， summarizes the factors to consider the charger layout， and proposes some suggestions for the location， can provide guidance for the development of new models in the process of charger layout. The reasonable charger layout can reduce the cost， improve the reliability of the system and the performance of the vehicle.
Keywords： charger; electric car; layout
CLC NO.： U469.72 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2019）07-26-03
引言
为了应对环境问题的挑战 世界各国都投入大量资源到新能源汽车的研发工作 尤其是电动汽车 并且取得了显著的成果。特斯拉的Model S 和Model X、日产的Leaf已经在世界范围销售并得到用户的广泛认可 大众、丰田、通用等各大主机厂也在积极投入电动汽车的技术研发。国内的各大主机厂也投入资源研发并推出各自的电动汽车。另外 国家政策对新能源汽车积极扶持 客户对电动汽车的接受程度也日渐提高。根据2017年四月份工业和信息化部、发展改革委、科技部印发的《汽车产业中长期发展规划》内容显示 计划到2020年 新能源汽车年产销达到200万辆 到2025年 新能源汽车占汽车产销20%以上。电动汽车的在整个汽车保有量中的占比正处于一个快速增长的阶段。
1 充电器介绍
电动汽车充电方式分非接触式（感应式）和接触式（传導式） 传导式充电可以分为交流和直流充电 交流充电就是我们常称的低压充电 通过充电口连接220V交流电由经充电器到动力电池;直流充电是通过外部充电桩对动力电池进行充电 车载端只有充电口以及和电池连接的高压线束。感应式充电是利用电磁感应等原理 无金属触点即可向车辆提供电力 通过地面端和车载端感应线圈工作而实现对电池充电。以上充电方式都需要电流都需要经由分电箱（PDU）。图1是以后驱电机为主的四驱电动汽车项目高压线路图 该项目配置传导式充电和感应式充电 传导式充电同时配备了直流充电（快充）和交流充电（慢充）。
1.1 传导式充电器
传导式充电器由于在充电过程中会产生热量 需要对充电器进行冷却。根据充电功率的大小 冷却方式分风冷和水冷两种。风冷充电器通过在充电器上增加冷却风扇以及风道 在充电过程中通过强行排风冷却 水冷充电器通过串联或者并联进入车辆本身的冷却系统 通过水冷的方式实现充电器的冷却。充电器本身尺寸会随着充电功率的增加而增大 在充电功率一定的情况 充电器有机会在保持体积不变的前提下 通过调整充电器的长宽高比例来适应特殊的车辆环境。
1.2 感应式充电器
感应式充电器是通过车载端和地面端之间的电磁感应等形式 实现能量的传输 感应式充电器的原理包括电磁感应、磁谐振和微波。车载端根据充电感应线圈和充电元器件的关系 可以分集成式和分体式。集成式是充电元器件和感应线圈面板做成一个整体 外观表现为零件Z向厚度较高 有一个充电器元器件的鼓包 布置约束比较大。分体式将充电元器件和感应线圈单独拆分后中间通过导线连接 相对而言 感应线圈布置Z向要求空间较小 布置自由度更大。
2 充电器的布置
2.1 布置要求
充电器布置过程中的总体原则是满足充电器本身性能要求 考虑零件装配可行性。基于经济性考虑 在充电器布置过程中需要综合考虑周边能够提供的空间环境以及充电口位置、大电池接线位置以及其他充电器相关零部件的布置位置 从而选择一个连接线束总长度最短 经济可行的充电器布置方案。
感应式充电器的布置位置受到能量传递效率的要求 从而对车载端和地面端之间的距离（气隙）有要求 一般要求距离为不超过150mm。为了提高充电效率 车载端和地面端的中心线偏差要求小于±100mm 这要求工程师在布置过程中考虑顾客的使用过程中如何对准车辆的场景。
通过以上的约束条件 需要总布置工程师在整车上寻找满足充电器功能和性能要求的位置 并且避免或减少对车辆性能指标和外观品质的影响 如离地间隙 接近角和离去角度以及前后轴荷比等。同时需要一并考虑充电器对其他系统要求 例如采用需要冷却系统的支持 如水冷管路及充电器水位高度需要在布置中考虑。
2.2 布置环境匹配及分析
随着电动汽车技术的发展和车型的更新 现在越来越多主机厂采用专门的电动汽车项目全新开发 而不是根据传统动力车型改型来上电动汽车项目 这样的好处就是能够有更大的自由度来布置电动汽车的相关零部件 使得车辆的集成程度更高 提高布置效率 减少空间浪费 使得电动汽车整体的外观质量更好 消除了明显的更改痕迹。但是 全新开发也对工程师提出了更高的要求 在大量未知和不确定的情况下 如何安排零件的布置位置 如何规划三电系统的合理布局 实现高压线束总长度的最小化 拓撲结构简单化等都提出了新的挑战。
从传导式充电器的布置要求来看 针对充电功率较小 例如3.3KW风冷的充电器 在布置过程中需要考虑风道的布置位置以及风道长度对压降的影响 如果是考虑布置在舱内 一般布置位置优先考虑布置在后备舱内车身泄压阀附近 这样能够利用泄压阀门作为排风口 同步可以让风道尽量短 从而减轻风道的重量 降低成本。如果考虑布置在前舱内 则可以借助冷却风扇来冷却充电器 布置位置考虑布置在风扇工作覆盖区域内。
针对功率相对较高的需要水冷的充电器 布置位置选择过程中需要考虑连接到冷却管路的形式 是采用串联还是到主回路还是和其他零件并联到冷却管路 不同的联接形式会对冷却系统水路的整体阻力产生影响。
感应式充电器车载端在整车上的布置位置受到气隙要求 布置区域只能选择在下车体区域 一般电动汽车动力电池布置在下车体前后轴中间 所以车载端布置选择基本在动力电池以外的前副车架或者后副车架区域 但是该区域又有驱动单元存在 这对感应式充电器的布置提出了更大的挑战。
以上两类三种充电器的布置位置选择 都受到充电口以及大电池连接线束端口位置的影响 在高压线成本较高的情况下 各个相关零件之间的连接长度 是布置工程师需要考虑的问题。一般情况下充电口位置的选择会根据大电池线束端口位置选择 可以是布置在车头区域如进气格栅和翼子板 或者是布置在车尾区域如加油口或尾灯附近。而大电池线束端口的确定则根据动力总成位置确定 四驱车型则建议高压线束端口靠近主驱动力单元附近。
综合考虑以上因素及电动汽车上有可能的布置空间，针对传导式充电器而言 可能的布置位置是前舱、后备箱和座盆下方 而感应式充电器车载端的布置位置则集中在前后副车架下方。
3 布置案例
3.1 背景
在某电动汽车开发过程中 研究了3.3KW风冷充电器、7KW水冷充电器和感应式充电器的布置工作 布置过程中考虑的因素以及综合评估后最终选择的布置方案对后续充电器布置有参考和借鉴意义。
该开发车型为纯电动四驱车型 以后驱为主 这样的策略就确定了动力电池的线束接口靠近后驱动单元 充电口的位置选择在了加油口位置 项目研发早期采用的是2个3.3KW充电器 后续切换到7KW充电器加感应式充电配置。
3.2 布置过程
一般零件布置过程中需要考虑以下因素：安全碰撞、售后维修、装配空间、物理空间、热管理、水管理、EMC、顾客使用场景、人机以及贵重零件的布置保护等要求。在布置过程中 首先需要布置工程师向零件工程师收集零件的尺寸和重量信息 以及零件结合的系统中的原理图或者结构拓扑图 结合要求和原理综合考虑零件布置位置。
在项目早期采用的是2个3.3KW充电器的方案 经过研究布置位置选择在后备箱内两侧轮包区域 布置在该区域的优势是距离电池线束端和充电口近 充电高压线束整体长度短;风道可以从车身泄压阀排气 风道长度较短 整体排气阻力小 重量轻。相关布置位置和断面结构如图2所示：
在项目开发过程中 充电器的技术升级驱动单个充电器功率提升 由两个3.3KW充电器升级为一个7KW充电器 降低了充电器的单车成本。由于充电器功率加大 冷却模式由风冷切换为水冷 从而需要考虑冷却管路的布置和充电器接入冷却系统的位置要求。根据布置考虑高压线总体长度 布置空间等因素 充电器仍选择布置在后备箱轮包附近 同时需要考虑充电器加入到水冷系统中 充电器冷却水道的最高点位置不高于膨胀水壶的MIN 线 以防冷却管路中的空气在充电器中积聚从而影响充电器冷却 该系统要求约束了充电器的Z向最高高度。在各个方向的约束限制下 充电器的布置位置研究简化为几何空间的寻找 布置过程直观明了。
该项目感应式充电器车载端采用的是集成式感应式充电器 所以车载端厚度最大区域接近100mm 长和宽度分别为400mm和600mm 且零件重量接近25kg 尺寸及重量导致该零件的布置困难较大。由于感应式充电器厚度较大 直接增加到前副车架区域的话 会严重影响离地间隙 并且考虑到中国驾驶习惯和倒车入库 布置在前端也会对车载端和地面端的对准过程对驾驶员使用过程产生不便。若是布置到后副车架区域 则由于该处离地距离较大 不能满足感应式充电器地面端和车载端之间的气隙要求。经过权衡比较 布置在后端不影响整车离地间隙 且有利于感应式充电器车载端和地面端的对准 对客户体验相对布置在前副车架下方好。同步气隙的问题通过地面端基建过程中将线圈高度凸出地面解决 满足了充电气隙的要求。
3.3 结论
在电动汽车型研发的过程中 充电器的布置是必然会遇到的研究内容 从该项目布置过程来看 针对传导式充电器 布置过程中需要考虑以下内容 以便做到满足性能要求、降低重量 节约成本、提高车辆性能的目的。
1）根据车辆驱动单元位置按就近原则布置充电口和充电器;
2）充电器布置过程中需要考虑冷却形式及冷却系统的要求;
3）在开发早期识别和充电器相关零件并综合考虑它们的布置位置。
感应式充电器车载端的布置需要注意以下因素：
1）感应式充电器车载端布置在两驱车型中考虑布置在非驱动端。
2）四驱电动汽车则考虑布置在前后副车架下方 而在X向考虑布置在驱动单元和电池之间的空隙中。
3）布置过程中需要考虑客户的使用习惯以及基础设施建设要求 针对国内车型优先考虑布置在车辆后端。
4 展望
随着电池充电技术的发展和为解决车辆使用过程中充电时间长这个痛点 车载充电器的功率逐步在往大的方向发展 功率的增大就要求冷却方式采用水冷。感应式充电器这项配置会在新开发车型中研究和普及 也同样存在着功率增加的趋势 所以冷却方式也会向水冷转变 同时为了解决下车体布置空间限制 感应式充电器车载端可以将控制器、冷却水路和线圈分离 做成分体式以增加更大的布置自由度。
在实际项目的研发过程中 由于上文提到的布置策略 会将相关零部件往动力单元就近布置 这可能会导致动力单元端驱动轴载荷分配过多的情况 而感应式充电器车载端重量有30kg左右 同时其布置位置可前可后 这部分重量可以在布置过程中实现前后轴载荷调整。
电动汽车相关零件的布置和传统车型肯定存在差别 这些差别的识别和影响分析需要逐步的研究和积累 其中采用能量由化学能往电能的转变 零件布置考虑内容需要从几何的层面往物理性质层面进一步延伸 在考虑零件布置的几何特征如点 线、面、体和物理特征的重量、热场、空气流场等的同时 需要加入新的电磁场这个考虑因素 这对后续电动汽车智能化过程中 传感器工作和信号传递的可靠性都有很大的影响。
参考文献
[1] 周厚建，柯江林，张光慧.电动汽车关键零部件的布置研究[J].上海汽车，2016（3）.
[2] 关振东，电动汽车前舱高压零部件布置研究[J].上海汽车，2013（4）.
[3] 林立文，翟丽，宋超，电动汽车感应式充电技术[J].汽车电器，2016（8）.
[4] 許二超，周从源，电动汽车充电技术综述[J].汽车实用技术.2016（9）.
[5] 汽车工程手册10 新能源车辆设计篇[M].北京：北京理工大学出版社，2014.