純電動客車集成橋式動力系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

【摘 要】針對傳統(tǒng)直驅(qū)式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局占據(jù)空間大、系統(tǒng)質(zhì)量重、集成度低等問題，文章提出純電動客車集成橋式動力系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)方法，對比分析集成橋式與直驅(qū)式動力系統(tǒng)的構(gòu)型布置及質(zhì)量差異，闡述集成橋式動力系統(tǒng)的優(yōu)勢。通過Cruise軟件搭建整車動力匹配性能仿真模型，重點對比研究集成橋電機和直驅(qū)電機動力性、經(jīng)濟性的優(yōu)劣。通過開發(fā)集成橋樣車進(jìn)行試驗測試，試驗結(jié)果進(jìn)一步驗證集成橋式動力系統(tǒng)的優(yōu)勢，為純電動客車集成橋式驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐和設(shè)計基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】純電動客車;集成橋;Cruise仿真;動力性;經(jīng)濟性

中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0016-03

Designing and Developing Integrated Bridge of Powertrain for Electric Bus*

【Abstract】Aiming at the problems of traditional direct drive power system，such as large space，heavy system weight and low integration，this paper proposes a design and development method for integrated bridge power system of pure electric bus. Firstly，this paper compares the configuration space and weight difference between the integrated bridge and the direct drive power system. Meanwhile，the advantages of the integrated bridge are also analyzed. Then a simulation model is built in Cruise to match the dynamic of the whole vehicle. At the same time，analyzing and comparing the superiority and disadvantages of the power performance and economy of the integrated bridge motor and the direct drive motor. Finally，a prototype bus of the integrated bridge is developed and tested. The test results further verify the advantages of the integrated bridge. This paper provides data support and design basis for the development of integrated bridge prototype bus.

【Key words】electric bus;integrated bridge;Cruise simulation;dynamic;economics

0 引言

隨著大眾環(huán)保意識增強，新能源汽車快速發(fā)展，市場日益壯大，電驅(qū)動橋作為新能源汽車的重要零部件，其結(jié)構(gòu)多樣，優(yōu)缺點各異?，F(xiàn)有大型新能源客車多數(shù)采用直驅(qū)方式，即電機+傳動軸+傳統(tǒng)驅(qū)動橋，各部件單獨設(shè)置，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)布局占據(jù)空間大、系統(tǒng)質(zhì)量重、集成度低，不利于整車布置[1]。而目前新能源汽車產(chǎn)品迭代向功率密度提升、整車架構(gòu)精簡及動力系統(tǒng)效率提升的方向發(fā)展。集成橋作為驅(qū)動部件集成的一個重要方向，通過將電機與車橋總成集成一體，較傳統(tǒng)車橋節(jié)省了傳動軸，降低了簧下質(zhì)量。集成橋式動力系統(tǒng)體積小，有利于整車布置，具有空間優(yōu)勢;同時系統(tǒng)質(zhì)量減輕，機械效率提升，有利于提高整車的動力性與經(jīng)濟性[2]。集成橋相對于傳統(tǒng)車橋也具有明顯的成本優(yōu)勢。集成橋式動力系統(tǒng)已成為純電動客車領(lǐng)域的研究熱點，也是未來的重要發(fā)展方向。

本文將首先介紹集成橋式與傳統(tǒng)直驅(qū)式動力系統(tǒng)的構(gòu)型布置及質(zhì)量差異，然后基于8m純電動樣車的整車參數(shù)開展仿真分析，并與直驅(qū)式動力系統(tǒng)進(jìn)行對比。最后通過開發(fā)集成橋樣車，進(jìn)一步驗證集成橋式動力系統(tǒng)的優(yōu)勢。

1 集成橋式動力系統(tǒng)

1.1 構(gòu)型布置對比

為了比較集成橋電機與其他驅(qū)動形式的性能差異，本文對集成橋式和直驅(qū)式動力系統(tǒng)的構(gòu)型進(jìn)行性能分析。動力系統(tǒng)兩種構(gòu)型布置如圖1所示。傳統(tǒng)純電動客車動力總成構(gòu)型布置為驅(qū)動電機+傳動軸+車橋（圖1a），這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以快速產(chǎn)業(yè)化，其主要缺點為：①沒有充分發(fā)揮電驅(qū)動的優(yōu)勢，傳動效率低下;②系統(tǒng)集成度不高，不符合汽車輕量化的發(fā)展方向;③制動能量回收率低，經(jīng)濟性差[3]。本文提出的集成橋動力總成布置方案可以有效避免以上缺點。整車動力總成完全由驅(qū)動電機集成車橋方案替代（圖1b）。該方案減少了傳動軸，將電機集成在車橋上，有效擴大了布置空間，提高了布置工作的品質(zhì)和設(shè)計效率。同時，集成橋的機械效率提高，總質(zhì)量減輕，動力性、經(jīng)濟性顯著提升。

1.2 質(zhì)量對比

純電動8m客車傳統(tǒng)直驅(qū)方案選擇120kW的直驅(qū)電機作為驅(qū)動，具體參數(shù)見表1。選擇載荷為6.8t的車橋，車橋速比為6.14，直驅(qū)構(gòu)型的質(zhì)量參數(shù)見表2。通過動力計算，驅(qū)動輪胎的最大驅(qū)動力矩為1200×6.14=7368N·m。

對亞星的純電動8m客車進(jìn)行集成橋樣車設(shè)計。該集成橋方案選取高速電機作為驅(qū)動，電機具體參數(shù)見表1。選擇載荷為6t的集成橋，車橋速比設(shè)計為13.55，不需要傳動軸，集成橋質(zhì)量參數(shù)見表2。通過動力計算，驅(qū)動輪胎的最大驅(qū)動力矩為550×13.55=7452.5N·m。

兩種動力系統(tǒng)所能提供的最大驅(qū)動力矩相差不大，但是傳統(tǒng)純電動客車直驅(qū)方案的動力系統(tǒng)總質(zhì)量達(dá)到了453kg，而集成橋方案電機集成車橋的質(zhì)量僅為387kg，全面落實了輕量化原則。

2 動力系統(tǒng)仿真

分別對直驅(qū)電機和集成橋電機方案進(jìn)行動力性和經(jīng)濟性仿真計算及對比分析。

2.1 整車參數(shù)

以8m純電動客車為對象開展仿真分析，其整車參數(shù)見表3。

2.2 仿真模型

本文采用Cruise軟件搭建整車仿真模型[4]，如圖2所示。循環(huán)工況選擇兩種中國典型城市公交路況CCBC及CHTC-B，如圖3、圖4所示。

2.3 仿真結(jié)果

采用該仿真模型對集成橋的動力總成進(jìn)行動力性與經(jīng)濟性仿真計算，并與直驅(qū)電機進(jìn)行對比。此次仿真采用65%載荷，即總質(zhì)量為9270kg，具體仿真結(jié)果見表4、表5。

通過對比可知，集成橋電機在動力性方面具有一定優(yōu)勢;在經(jīng)濟性方面，等速能耗與兩種典型城市公交路況能耗都全面占優(yōu)。

為了進(jìn)一步分析集成橋電機的優(yōu)勢，圖5分別展現(xiàn)了采用直驅(qū)電機和集成橋電機在CCBC仿真時的工況點分布，圖6分別展現(xiàn)了直驅(qū)電機和集成橋電機在CHTC-B仿真時的工況點分布。表6給出了兩種動力系統(tǒng)在兩種公交工況下的效率點分布統(tǒng)計情況。從圖5、圖6及表6中可以看出，集成橋電機在兩種公交工況仿真時，90%以上的效率點總數(shù)占比較高，且其機械效率也較高，直接決定了集成橋電機低能耗的經(jīng)濟性優(yōu)勢。

3 試驗測試驗證

針對亞星8m純電動客車的集成橋設(shè)計方案，開發(fā)樣車進(jìn)行整車動力性及經(jīng)濟性測試，試驗質(zhì)量為9500kg，即加載2700kg。測試包括最高車速、坡度起步及加速時間測試、等速能耗、CCBC循環(huán)工況、CHTC-B循環(huán)工況以及實際公交工況路譜。直驅(qū)式動力系統(tǒng)的8m純電動樣車試驗質(zhì)量為9490kg。將試驗測試結(jié)果與集成橋動力系統(tǒng)進(jìn)行對比，動力性結(jié)果對比見表7，經(jīng)濟性結(jié)果對比見表8。

由表7可知，集成橋相對于直驅(qū)式動力系統(tǒng)動力性更佳。由表8可知，集成橋動力系統(tǒng)的能耗也較低，與直驅(qū)電機方案對比明顯占優(yōu)，也進(jìn)一步驗證了仿真結(jié)果的正確性。

4 總結(jié)

集成橋作為驅(qū)動集成的一個重要方向是目前各客車廠家研究的熱點。本文首先對集成橋與直驅(qū)動力系統(tǒng)的構(gòu)型布置及質(zhì)量進(jìn)行了對比分析，集成橋相較于直驅(qū)電機具有明顯的優(yōu)勢。接著通過整車動力性仿真模型，分析對比了集成橋電機和直驅(qū)電機的動力性和經(jīng)濟性，結(jié)果表明集成橋電機具有動力性強、經(jīng)濟性好的優(yōu)勢。最后對8m集成橋樣車進(jìn)行試驗測試，并與直驅(qū)電機的試驗結(jié)果對比，進(jìn)一步驗證集成橋的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 黃凡，孫國慶. 基于Cruise的乘用車動力性經(jīng)濟性仿真及優(yōu)化[J]. 汽車科技，2018（4）：8-13.