插电式燃料电池汽车动力系统总布置参数化设计.pdf

插电式燃料电池汽车动力系统总布置参数化设计 王 斌 ( 上海汽车集团股份有限公司新能源汽车事业部) 【 摘要】 结合荣威插电式燃料电 池混合动力轿车的开发过程， 阐述了 荣威插电 式燃料电 池混合动力轿 车总布置的参数化设计系统、 关键技术和具体的布置方法， 初步实现了对荣威插电式燃料电池混合动力轿车总 布置的参数化设计 【 主题词】 燃料电池汽车总布置 环境污染和能源短缺 已经成为全球关注和急 需解决的问题燃料 电池汽车作为零排放 的新型 环保汽车引起了世界各 国的广泛关注并投人大量 的人力物力进行开发 ， 我国也 紧跟这一世界趋势 在插电式燃料电池混合动力轿车的开发中， 不仅 要进行燃料电池 技术及 高性 能、 大容量动力 蓄电 池技术的开发 ； 并且还要进行动力 系统 总成 匹配 等关键技术的开发 以及完成合理 的总布置设计 总布置设计任务 繁多且极 为重要 ， 既要确定相关 硬点 、 整 车基本形式 、 尺寸及质量等参数值 ， 还要 确保整车的动力性 、 操纵稳定 性和平顺性等性 能 达到设计 目标值现代计算机辅助工程的发展 为 汽车整车和零部件的设计提供了有力的支持， 不 仅减少 了开发成本 ， 而且 大大缩短 了开发周 期。

所谓参数化总布置设计就是以一定量的参数控制 整车、 总成装配和零件的几何模型 ， 通过修改参数 6 ． 3 对公用设施和基础设施分配的影响 与标准的家用 电器相 比， 电动车或插 电式混 合动力车是一种实质性的电力负载如果 P H E V 大量进入市场 ， 以回收项 目投资成本 ， 那么将 不得 不考虑负荷预测和公用设施的分配系统 Ab s t r a c t US h a s p l u n g e d i n t o s e v e r e f i n a n c i a l c r i s i s a n d 收稿 日期 ： 2 0 0 8— 0 9— 0 3 上海 汽车2 0 0 9 ． O 1 而改变装配模型和零件 的几何模 型， 从 而改变装 配形式或零件的尺寸 和结构利用参数化技术建 立 的模型 ， 图形修改非常容易， 能够避免完成后的 几何模型进行重复 的建模工作 ， 从 而提 高了设计 效率总布置 的参数化 设计是 以设计 理论为指 导 ， 以现代化 的 C A D ／ C A E技术为手段 ， 以获得 良 好的乘坐舒适性 、 操纵稳定性 、 较好 的动力性和安 全性等为 目标 。

1 总布置参数化设计思路 关于全新插 电式燃料电池混合动力轿车的开 发 ， 不仅要解决燃料 电池动力系统等核心技术的 开发 ， 还要建立一个燃料 电池轿车的动力系统平 台 ， 既要在性能上达到预定的设计 目标， 又要易于 燃料电池轿车未来持续的开发和完善而建立一 P r e s i d e n t B u s h a n n o u n c e d i n De c e mb e r ，2 0 0 8 t h a t US ha s e n t e r e d e c o n o mi c r e c e s s i o n． Ho we v e r，l o o — k i n g ba c k f o r e a c h e c o n o mi c c r i s i s o f US，i t s R&D p r o g r e s s c o u l d be d e l a y e d， b ut n e v e r s t o p p e d． Th e r e f o r e t e c h n o l o g y d e v e l o p me n t o f US a l wa y s s t a n d s i n t h e f o r e fr o n t o f t h e w o r l d ． A l o n g t e r m P HEV p r o g r a m o r g a n i z e d b y DOE，US i s b r i e f l y i n - t r o d u c e d ． ·1 3 · 个功能完善 的参数化设计系统 ， 包括利用相应软 件完成相关数据库的建立 、 整车总布置 的装配设 计和输出功能设计等。

数据库建立的主要任务有 指导设计的车型参数数据库、 汽车设计标准库、 总 布置设计规则库和供整车装配的三维总布置模 型 库 、 三维参数化零件库和三维参数的人体模型等 整车总布置的装配设计 主要有 ： 定 义三维 总布置 工作层 、 工作坐标 系及坐标系变换原则， 定义并描 述整车设计硬 点， 建立整车各总成参数化模 型和 装配树结构及安装定位方式及基于规则的整车总 布置参数化模型等输出功能设计主要是定义图 面和输出图纸等此参数化 的汽车设计系统能极 大地提高设计质量 、 减轻设计人员 的劳动 、 缩短设 计周期和 降低产 品成本 更 为重要 的是 ， 参数化 设计能够极大地方便对产品的后续开发 2 设计原则和要求 总布置设计的总体原则是在尺寸上要符合预 定的要求 ， 在性能和质量上要达到或优于预计的设 计 目标作为我公司首辆插 电式燃料 电池混合动 力轿车项 目， 要在有限的资金和时间内更好地集中 精力解决动力系统平 台的关键技术本项 目以荣 威 7 5 0轿车为原型车， 在不改变原车乘坐舒适性的 前提下 ， 保 留了原型车的车身和内、 外饰 ， 实现了燃 料电池动力系统整体集成于前舱， 底盘由燃料 电池 反应堆、 大容量动力蓄电池、 燃料 电池支持系统( 空 气系统、 冷却系统、 储氢供氢系统) 、 P C U和新的驱 动电机、 变速器等代替传统的发动机和变速器等传 动系， 转向系和行驶系则是在原型车的基础上进行 零部件适应性改制。

项 目的开发遵循 以下原则 ： ( 1 ) 一致性原则本车是在原荣威 7 5 0基础上进行 改进设计， 因此在进行总布置时必须充分考虑原车 的状态， 在布置过程中尽量保持与原车的一致性 ( 2 ) 沿用性原则在底盘平 台上 ， 尽量采用原车或 市场上能够采购的零部件， 从而减少了设计和试制 周期 3 ) 适应性原则总布置满足国家现行的汽 车强制性标准 4 ) 条件性原则最 高时速达到 1 5 0 k m ／ h ， 其制动性能 、 平顺性 、 操纵稳定性均需要 达到预先设定的要求 ·1 4 · 3 总布置概述 为了集 中力量进行核心技术研究 ， 项 目总布 置重点研究参数化动力系统布置并且为集成式发 动机系统进行一体框架的设计动力系统 的总布 置除了要考虑车身的设计硬点 、 乘客空间外 ， 还要 设计一个整体式框架结构来保证发动机系统 的刚 强度和模态性 能因此 ， 动力系统总布置主要包 括 ： 整体式框架的设计 、 各总成或系统的布置 3 ． 1 发动机系统安装框架的设计 此整体式框架是整个发动机 系统平 台建立的 基础 ， 又是与车身接合的主要部件它不仅要用 以安装和固定各 主要 总成零部件 ， 承受来至整个 发动机系统的多种静 载荷 ， 还要在使用过程 中与 白车身一起承受由各种外界作用力和车辆行驶过 程 中所产生的各种动载荷 。

因此 ， 在设计过程 中 要充分考虑到： ( 1 ) 与车身相适配 ， 接合容易 ， 安装 拆卸方便 ； ( 2 ) 具有足够的强度 ， 使安装于其上的 总成零部件和其 自身不会受力过大而遭破坏 ； ( 3 ) 整车 N V H特性研究 ， 使整车 N V H特性达 到满足 乘客舒适性要求 ； ( 4 )自身总量要轻 ， 以满 足整车 轻量化的要求 为此， 本框架的设计是一个以应力分析和模 态分析结果为指导的不断完善过程为了易于频 繁的修改 ， 车架的各横 梁和纵梁的截面形 状和尺 寸利用了基于草 图的参数化设计 ， 车架 的装配则 利用了基于装配的参数化设计 3 ． 2 部分关键系统总成的布置 本燃料 电池车的转 向系 、 行驶系 和制 动系在 结构上与原型 车基本保持一致 ， 转向系统 由于布 置发生了变化 ， 其转 向泵及 管路走 向进行适应性 改制 ， 在传动系统 中电机与变速器集成后布置在 前舱 中后部 ， 通 过半轴直接与驱动车轮相联 前 悬架为麦弗逊式 ， 后悬架采用 复合式后 桥由于 簧载质量增加 ， 现采用的前 、 后悬架的设计在原型 车悬架的基础上对前、 后螺旋弹簧重新设计， 并对 复合式后桥结构改进设计 。

动力系统主要 由 P C U控制 系统 、 动力蓄电池 系统 、 燃料电池发动机 、 燃料 电池发动机支持系统 上海 汽车2 0 0 9 ． 0 1 及氢气系统构成 目前 ， 此系统 的质量和体积都 比原型车内燃机要大为此 ， 根据本车设计原则 ， 须保证整车乘坐舒适性 、 轴荷分配和空间的要求 ， 采用 了 P C U控制系统 、 燃料电池发动机和支持系 统布置于前舱 ， 而动力蓄电池布置在行李箱 内， 氢 辅系统布置在后座椅下后方 ， 氢瓶布置在行李箱 下部的方案动力控制系统主要 由一些电器设备 构成 ， 如高低压 D C ／ D C、 高压 D C ／ A C等 ， 按相互间 的接线关系最优化布置在前舱 内 由于燃料电池发动机和 P C U控制系统在工作 中会产生大量的热量 ， 需要冷却 ， 两者对于冷却温 度的要求不同， 所以本车中共有 2套水冷系统 ， 分 别布置在车头和前舱下部通风较好的位置 4 实现总布置参数化的关键技术 对于该燃料 电池轿车总布置参数化 而言 ， 着 重需要解决 的技术主要包括 ： 良好 的数据共享 网 络平 台、 零部件 的参数化建模 、 装配相关性驱动、 运动分析、 有限元分析和虚拟仿真等技术。

4 ． 1 良好的数据共享的网络平台 汽车整 车的开发 是多人 同时协 同开 发 的过 程 要完成总布置的虚拟装配 ， 必需建立一个 能 够资源共享且有效管理的数据管理 网络平 台为 本燃料 电池车 开发 提供技术支 持 的是 三维 C A D 软件 C A T I A 4 ． 2 零部件的参数化建模技术 零部件的参数化建模主要考虑单个零部件建 模和相关部 件间 的零 部件 建模单 个零部 件建 模 ， 主要采用草 图尺寸控制 和表达式控 制考虑 到零部件设计过程 中， 每个零 部件与周 围部件具 有一定的相关性 ，WA V E几何连接器 能够满足在 部件间拷贝点 、 曲线 、 草图、 基准、 面、 实体等 ， 而相 关性管理器能够在一组具有相关性的零件 中， 当 其中一个部件的特征发生改变时 ， 相关部件会在 设计者的控制下 自动更新 4 ． 3 装配相关性驱动技术 对于总布置虚拟装配 的完成 ， 不仅要求在空 间上能严格准确地装 配各个 总成 和零部件 ， 而且 要求相关 的零部件和总成间要按位置和运动关 系 上海汽车2 0 0 9 ． 0 1 能够实现参数化控制这样就能保证在一个部件 需要变动时， 其他的相关部件能够参数化地调整 位置并及时预警不利情况的发生。

本项 目采用 了 尺寸驱动技术 、 装 配约束 驱动技 术和 WA V E( 尺 寸、 约束全相关 ) 驱动技术如： 在设计车架总成 时成功利用 了 WA V E的控制结构技术 ， 在控制结 构中对零部件进行优化后 ， 装 配和零件模型会 自 动更改 ， 从而使 车架 总成 内的众多零部件 ( 纵梁 、 横梁 、 支撑架等) 之间实现全相关建模和装配 4 ． 4 运 动分 析 在总布置时需要对各个运动部件进行干涉检 验 ， 以避免运动部件 自身运动不协调或者 与其它 部件发生冲突D A S S A U L T运动分析模块是专 门 为运动学分。