純電動(dòng)客車集成橋式動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

【摘 要】針對(duì)傳統(tǒng)直驅(qū)式動(dòng)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(wèn)題，文章提出純電動(dòng)客車集成橋式動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方法，對(duì)比分析集成橋式與直驅(qū)式動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)型布置及質(zhì)量差異，闡述集成橋式動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)Cruise軟件搭建整車動(dòng)力匹配性能仿真模型，重點(diǎn)對(duì)比研究集成橋電機(jī)和直驅(qū)電機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)劣。通過(guò)開(kāi)發(fā)集成橋樣車進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證集成橋式動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，為純電動(dòng)客車集成橋式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】純電動(dòng)客車;集成橋;Cruise仿真;動(dòng)力性;經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)增強(qiáng)，新能源汽車快速發(fā)展，市場(chǎng)日益壯大，電驅(qū)動(dòng)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(diǎn)各異。現(xiàn)有大型新能源客車多數(shù)采用直驅(qū)方式，即電機(jī)+傳動(dòng)軸+傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋，各部件單獨(dú)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(jiǎn)及動(dòng)力系統(tǒng)效率提升的方向發(fā)展。集成橋作為驅(qū)動(dòng)部件集成的一個(gè)重要方向，通過(guò)將電機(jī)與車橋總成集成一體，較傳統(tǒng)車橋節(jié)省了傳動(dòng)軸，降低了簧下質(zhì)量。集成橋式動(dòng)力系統(tǒng)體積小，有利于整車布置，具有空間優(yōu)勢(shì);同時(shí)系統(tǒng)質(zhì)量減輕，機(jī)械效率提升，有利于提高整車的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性[2]。集成橋相對(duì)于傳統(tǒng)車橋也具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。集成橋式動(dòng)力系統(tǒng)已成為純電動(dòng)客車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是未來(lái)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(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)型布置及質(zhì)量差異，然后基于8m純電動(dòng)樣車的整車參數(shù)開(kāi)展仿真分析，并與直驅(qū)式動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。最后通過(guò)開(kāi)發(fā)集成橋樣車，進(jìn)一步驗(yàn)證集成橋式動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

1 集成橋式動(dòng)力系統(tǒng)

1.1 構(gòu)型布置對(duì)比

為了比較集成橋電機(jī)與其他驅(qū)動(dòng)形式的性能差異，本文對(duì)集成橋式和直驅(qū)式動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)型進(jìn)行性能分析。動(dòng)力系統(tǒng)兩種構(gòu)型布置如圖1所示。傳統(tǒng)純電動(dòng)客車動(dòng)力總成構(gòu)型布置為驅(qū)動(dòng)電機(jī)+傳動(dòng)軸+車橋（圖1a），這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以快速產(chǎn)業(yè)化，其主要缺點(diǎn)為：①?zèng)]有充分發(fā)揮電驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，傳動(dòng)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(dòng)能量回收率低，經(jīng)濟(jì)性差[3]。本文提出的集成橋動(dòng)力總成布置方案可以有效避免以上缺點(diǎn)。整車動(dòng)力總成完全由驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成車橋方案替代（圖1b）。該方案減少了傳動(dòng)軸，將電機(jī)集成在車橋上，有效擴(kuò)大了布置空間，提高了布置工作的品質(zhì)和設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，集成橋的機(jī)械效率提高，總質(zhì)量減輕，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性顯著提升。

1.2 質(zhì)量對(duì)比

純電動(dòng)8m客車傳統(tǒng)直驅(qū)方案選擇120kW的直驅(qū)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，具體參數(shù)見(jiàn)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(jiàn)表2。通過(guò)動(dòng)力計(jì)算，驅(qū)動(dòng)輪胎的最大驅(qū)動(dòng)力矩為1200×6.14=7368N·m。

對(duì)亞星的純電動(dòng)8m客車進(jìn)行集成橋樣車設(shè)計(jì)。該集成橋方案選取高速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，電機(jī)具體參數(shù)見(jiàn)表1。選擇載荷為6t的集成橋，車橋速比設(shè)計(jì)為13.55，不需要傳動(dòng)軸，集成橋質(zhì)量參數(shù)見(jiàn)表2。通過(guò)動(dòng)力計(jì)算，驅(qū)動(dòng)輪胎的最大驅(qū)動(dòng)力矩為550×13.55=7452.5N·m。

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

2 動(dòng)力系統(tǒng)仿真

分別對(duì)直驅(qū)電機(jī)和集成橋電機(jī)方案進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算及對(duì)比分析。

2.1 整車參數(shù)

以8m純電動(dòng)客車為對(duì)象開(kāi)展仿真分析，其整車參數(shù)見(jiàn)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(guó)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(duì)集成橋的動(dòng)力總成進(jìn)行動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算，并與直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行對(duì)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(jiàn)表4、表5。

通過(guò)對(duì)比可知，集成橋電機(jī)在動(dòng)力性方面具有一定優(yōu)勢(shì);在經(jīng)濟(jì)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(jī)的優(yōu)勢(shì)，圖5分別展現(xiàn)了采用直驅(qū)電機(jī)和集成橋電機(jī)在CCBC仿真時(shí)的工況點(diǎn)分布，圖6分別展現(xiàn)了直驅(qū)電機(jī)和集成橋電機(jī)在CHTC-B仿真時(shí)的工況點(diǎn)分布。表6給出了兩種動(dòng)力系統(tǒng)在兩種公交工況下的效率點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)情況。從圖5、圖6及表6中可以看出，集成橋電機(jī)在兩種公交工況仿真時(shí)，90%以上的效率點(diǎn)總數(shù)占比較高，且其機(jī)械效率也較高，直接決定了集成橋電機(jī)低能耗的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

3 試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證

針對(duì)亞星8m純電動(dòng)客車的集成橋設(shè)計(jì)方案，開(kāi)發(fā)樣車進(jìn)行整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性測(cè)試，試驗(yàn)質(zhì)量為9500kg，即加載2700kg。測(cè)試包括最高車速、坡度起步及加速時(shí)間測(cè)試、等速能耗、CCBC循環(huán)工況、CHTC-B循環(huán)工況以及實(shí)際公交工況路譜。直驅(qū)式動(dòng)力系統(tǒng)的8m純電動(dòng)樣車試驗(yàn)質(zhì)量為9490kg。將試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與集成橋動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，動(dòng)力性結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表7，經(jīng)濟(jì)性結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表8。

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

4 總結(jié)

集成橋作為驅(qū)動(dòng)集成的一個(gè)重要方向是目前各客車廠家研究的熱點(diǎn)。本文首先對(duì)集成橋與直驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)型布置及質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比分析，集成橋相較于直驅(qū)電機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。接著通過(guò)整車動(dòng)力性仿真模型，分析對(duì)比了集成橋電機(jī)和直驅(qū)電機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明集成橋電機(jī)具有動(dòng)力性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)勢(shì)。最后對(duì)8m集成橋樣車進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，并與直驅(qū)電機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證集成橋的優(yōu)勢(shì)。

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