2.1 纯电动汽车总体设计概述

2.1.1 纯电动汽车总体设计要点

纯电动汽车不仅需要配置传统燃油汽车上的车身控制、信息娱乐控制、辅助驾驶控制等功能，还因其搭载动力蓄电池系统、驱动电机系统等特有系统会带来驱动型式、总体布置、充放电控制、高压安全以及电磁兼容、电磁噪声等新问题[1,2]。纯电动汽车的总体设计有以下要点：

1.电驱动系统型式及布置方案设计

对于传统燃油汽车，转向、制动、空调、低压发电、冷却等附件依靠发动机的动力进行工作，且受限于发动机外特性，传动系统复杂、体积庞大。这些因素带来的复杂机械连接需求限制了发动机的布置位置，进而限制了传统燃油汽车的构型与空间布置。与传统燃油车相比，电动汽车的转向、制动、空调、低压发电、冷却等附件借助自带电机工作，且得益于驱动电机外特性，其减速器传动比比档位少（甚至为1）、体积小，这使得电动汽车上各子系统间机械耦合少，布置灵活。如何充分利用电动汽车在构型上的灵活性优势进行布置方案设计，是电动汽车研发的首要问题。

在进行动力电池和驱动电机布置时，首先应遵循轴荷分配的约束，以使质心位置与中性转向点、风压中心等一致[3]；布置高压控制器时，应在考虑高压安全约束的前提下，尽量缩短线束、节省成本；布置充电座时，既要考虑减少车身覆盖件模具费用，又要考虑用户日常停车习惯[4]；而车身、内外饰设计还应考虑动力电池对地板高度的影响，以及电动汽车特有功能带来的按键开关的布置需求。

2.动力蓄电池安全及极端环境应对设计

动力蓄电池的安全设计是整车设计阶段必须重视的设计要点。当前广泛使用的锂离子动力蓄电池存在热失控的风险，而碰撞挤压带来的电解液泄漏、过充电或长期过放电带来的极柱析锂等，是动力蓄电池热失控的主要原因[5,6]。如何进行安全防护设计，确保动力蓄电池不至于在用户使用中轻易受到碰撞、挤压，是电动汽车整车布置及结构设计时需要重点考虑的内容之一。动力蓄电池包由体积较小、形状规则的单体电池（电芯）构成，可设计成扁平的长方体或设计成多个分箱体方便灵活布置，乘用车多布置于车辆的底部，商用车可布置于底部、座椅下或车顶。在布置动力蓄电池箱体时，需要满足离地间隙在13cm以上，且需要根据刮底和撞底两种失效模式进行设计阶段的仿真计算及后期实车试验。动力蓄电池包还应设计安全机制，以防止出现过充电、长期过放电等情况。目前国家正在审批《电动汽车用动力蓄电池安全要求》（报批稿）强制性标准，将为动力电池的安全设计和使用提供重要依据。

动力蓄电池系统设计还应考虑极端使用条件下动力蓄电池的性能与安全问题。作为纯电动汽车的唯一能量源，动力蓄电池系统必须保证在各种极端使用条件下的安全性，且性能不大幅度下降。温度对动力蓄电池的性能与安全有很大影响，如图2-1所示。对于高温、严寒等极端温度条件，通过设计动力蓄电池热管理系统来确保电池的性能和安全性。

3.整车电子电气架构设计

在车辆功能需求确定后，要进行整车的电子电气架构设计[7,8]。作为整车级电控系统集成方案，电子电气架构设计应在电控零部件开发之前进行。按照业务开展顺序，功能需求梳理与实现架构设计、电控部件接口设计、整车通信与控制网络设计、整车高低压线束原理设计，是整车电子电气架构设计的主要内容。

整车电子电气架构设计的起始工作，是梳理功能需求，并结合当前零部件资源最终确定单个功能的实现架构。此部分工作的开展，需要综合考虑技术趋势、技术成熟度、零部件成本、供应商资源等因素最终确定设计，是架构设计的难点之一。此外，近些年来随着车辆智能网联功能增多，电子电气架构设计越来越注重功能安全和信息安全。功能架构确定后，整车高低压供电原理、控制器唤醒与休眠原理也确定下来，电控部件接口随之确定。接下来根据电控部件间通信与控制资源需求，进行整车通信与控制拓扑设计，完成电气特性匹配、部件选型后，整车高低压线束设计冻结。

合理的电子电气架构，应在满足整车功能搭载及扩展需求的前提下，最大限度考虑通信及控制安全可靠性、控制部件集成化、线束连接简洁化，进而提升车辆的整体性能，降低成本。

4.高压安全设计

高压用电安全是电动汽车大规模市场应用的前提。目前纯电动汽车电压等级较高，GB/T 31466—2015《电动汽车高压系统电压等级》推荐采用的电压等级和实际应用的电压均超出了人体所能承受的安全电压范围，这就要求电动汽车必须配置严格的高压暴露检测、绝缘检测以及高压切断控制功能。

目前，高压暴露检测多通过高压互锁机制实现。即，在高压带电部件的盒盖、高压线束插接器中，同步并联一路低压检测电路，以在高压部件盒盖被打开或者高压插接器被拔开时，高压控制系统能够及时切断动力蓄电池的输出。在设计高压互锁回路时，为防止误报、漏报问题发生，插接器质量、检测回路连接形式、互锁故障时高压切断控制逻辑等是设计难点。整车高压绝缘检测是电动汽车必备的另一个基本安全机制，主要由动力蓄电池管理系统在控制高压上电时执行，绝缘无问题后才进行整车高压回路连接，并在绝缘发生故障时切断高压连接。考虑到绝缘故障造成伤害时的容忍时间短，需要对绝缘检测的周期进行约束。根据绝缘检测机制，对高压回路中的阻容进行选型需要特别注意对绝缘检测的影响。碰撞时高压回路自动切断，不仅能防止动力蓄电池短路起火，同时也是防止高压线断开或高压部件破裂造成高压暴露的重要机制，这需要在设计高压控制器环节进行设计[9,10]。

5.电磁兼容设计

对于纯电动汽车，除了驱动部件，电动助力转向、电子制动系统等采用电力电子组件的辅助控制装置也越来越多。这些车载电动装置的使用可以提高控制性能，但也会带来电磁兼容问题。电力电子设备依靠金属-氧化物半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的高速开关动作来控制高电压和大电流，这种急速变化的电压和电流会使电路中的电感元件积蓄能量，产生高频噪声，影响其他电气设备的信号接收。EMC问题已经成为纯电动汽车现阶段的重要技术课题[11，12]。

当前，整车电磁兼容问题主要集中于以下几种模式：

①零部件150kHz～30MHz频段辐射发射或传导发射不满足发射要求。

②高压部件工作关联性大，需要设置电容元件或加装磁环等进行解耦。

③进行零部件测试时，缺乏整车电磁环境模拟测试。

④零部件电磁兼容特性设计指标不完善。

⑤装车部件一致性问题导致批量装车后出现电磁兼容问题。

⑥在线束走向设计、搭铁点、导电性设计环节缺乏对电磁兼容的考虑。

在进行整车电磁兼容设计时，需要重点考虑、解决以上问题。

6.整车声品质设计

与传统内燃机汽车不同，纯电动汽车取消发动机，使得动力系统NVH性能有所提升，但由驱动电机取代发动机，又出现了定子和转子谐波激励噪声问题。纯电动汽车还存在高频电磁噪声，驾驶中给人的感觉会有点“吵”。此外，在缺少了发动机噪声后，空调噪声、助力转向泵的噪声反而凸显出来。顾客对电动汽车的噪声抱怨已不再是噪声级的高低，而是声品质的水平。

上述声品质问题的优化设计，需要基于声品质客观评价与主观评价进行对应部分的优化设计。当前，电动汽车常用声品质评价指标主要有A计权声压级、响度与脉冲度、尖锐度与音调度、粗糙度与抖动度和语音清晰度等。声品质主观评价主要通过主观评价实验完成。驱动电机噪声是电动汽车声品质的主要影响因素，因此，整车声品质设计需要进行专门的电机电磁力分析及车内电机噪声预测，并据此进行隔声设计及主动降噪设计。此外，有的电动汽车上还装配有行人提醒警示装置，也是电动汽车低速工况下声品质的重要影响因素，行人警示声需要与车内噪声结合起来进行优化设计[13]。