纯电动客车集成桥式动力系统设计与开发

【摘 要】针对传统直驱式动力系统结构布局占据空间大、系统质量重、集成度低等问题，文章提出纯电动客车集成桥式动力系统设计与开发方法，对比分析集成桥式与直驱式动力系统的构型布置及质量差异，阐述集成桥式动力系统的优势。通过Cruise软件搭建整车动力匹配性能仿真模型，重点对比研究集成桥电机和直驱电机动力性、经济性的优劣。通过开发集成桥样车进行试验测试，试验结果进一步验证集成桥式动力系统的优势，为纯电动客车集成桥式驱动系统开发提供数据支撑和设计基础。

【关键词】纯电动客车;集成桥;Cruise仿真;动力性;经济性

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：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

随着大众环保意识增强，新能源汽车快速发展，市场日益壮大，电驱动桥作为新能源汽车的重要零部件，其结构多样，优缺点各异。现有大型新能源客车多数采用直驱方式，即电机+传动轴+传统驱动桥，各部件单独设置，导致结构布局占据空间大、系统质量重、集成度低，不利于整车布置[1]。而目前新能源汽车产品迭代向功率密度提升、整车架构精简及动力系统效率提升的方向发展。集成桥作为驱动部件集成的一个重要方向，通过将电机与车桥总成集成一体，较传统车桥节省了传动轴，降低了簧下质量。集成桥式动力系统体积小，有利于整车布置，具有空间优势;同时系统质量减轻，机械效率提升，有利于提高整车的动力性与经济性[2]。集成桥相对于传统车桥也具有明显的成本优势。集成桥式动力系统已成为纯电动客车领域的研究热点，也是未来的重要发展方向。

本文将首先介绍集成桥式与传统直驱式动力系统的构型布置及质量差异，然后基于8m纯电动样车的整车参数开展仿真分析，并与直驱式动力系统进行对比。最后通过开发集成桥样车，进一步验证集成桥式动力系统的优势。

1 集成桥式动力系统

1.1 构型布置对比

为了比较集成桥电机与其他驱动形式的性能差异，本文对集成桥式和直驱式动力系统的构型进行性能分析。动力系统两种构型布置如图1所示。传统纯电动客车动力总成构型布置为驱动电机+传动轴+车桥（图1a），这种结构的优点是可以快速产业化，其主要缺点为：①没有充分发挥电驱动的优势，传动效率低下;②系统集成度不高，不符合汽车轻量化的发展方向;③制动能量回收率低，经济性差[3]。本文提出的集成桥动力总成布置方案可以有效避免以上缺点。整车动力总成完全由驱动电机集成车桥方案替代（图1b）。该方案减少了传动轴，将电机集成在车桥上，有效扩大了布置空间，提高了布置工作的品质和设计效率。同时，集成桥的机械效率提高，总质量减轻，动力性、经济性显著提升。

1.2 质量对比

纯电动8m客车传统直驱方案选择120kW的直驱电机作为驱动，具体参数见表1。选择载荷为6.8t的车桥，车桥速比为6.14，直驱构型的质量参数见表2。通过动力计算，驱动轮胎的最大驱动力矩为1200×6.14=7368N·m。

对亚星的纯电动8m客车进行集成桥样车设计。该集成桥方案选取高速电机作为驱动，电机具体参数见表1。选择载荷为6t的集成桥，车桥速比设计为13.55，不需要传动轴，集成桥质量参数见表2。通过动力计算，驱动轮胎的最大驱动力矩为550×13.55=7452.5N·m。

两种动力系统所能提供的最大驱动力矩相差不大，但是传统纯电动客车直驱方案的动力系统总质量达到了453kg，而集成桥方案电机集成车桥的质量仅为387kg，全面落实了轻量化原则。

2 动力系统仿真

分别对直驱电机和集成桥电机方案进行动力性和经济性仿真计算及对比分析。

2.1 整车参数

以8m纯电动客车为对象开展仿真分析，其整车参数见表3。

2.2 仿真模型

本文采用Cruise软件搭建整车仿真模型[4]，如图2所示。循环工况选择两种中国典型城市公交路况CCBC及CHTC-B，如图3、图4所示。

2.3 仿真结果

采用该仿真模型对集成桥的动力总成进行动力性与经济性仿真计算，并与直驱电机进行对比。此次仿真采用65%载荷，即总质量为9270kg，具体仿真结果见表4、表5。

通过对比可知，集成桥电机在动力性方面具有一定优势;在经济性方面，等速能耗与两种典型城市公交路况能耗都全面占优。

为了进一步分析集成桥电机的优势，图5分别展现了采用直驱电机和集成桥电机在CCBC仿真时的工况点分布，图6分别展现了直驱电机和集成桥电机在CHTC-B仿真时的工况点分布。表6给出了两种动力系统在两种公交工况下的效率点分布统计情况。从图5、图6及表6中可以看出，集成桥电机在两种公交工况仿真时，90%以上的效率点总数占比较高，且其机械效率也较高，直接决定了集成桥电机低能耗的经济性优势。

3 试验测试验证

针对亚星8m纯电动客车的集成桥设计方案，开发样车进行整车动力性及经济性测试，试验质量为9500kg，即加载2700kg。测试包括最高车速、坡度起步及加速时间测试、等速能耗、CCBC循环工况、CHTC-B循环工况以及实际公交工况路谱。直驱式动力系统的8m纯电动样车试验质量为9490kg。将试验测试结果与集成桥动力系统进行对比，动力性结果对比见表7，经济性结果对比见表8。

由表7可知，集成桥相对于直驱式动力系统动力性更佳。由表8可知，集成桥动力系统的能耗也较低，与直驱电机方案对比明显占优，也进一步验证了仿真结果的正确性。

4 总结

集成桥作为驱动集成的一个重要方向是目前各客车厂家研究的热点。本文首先对集成桥与直驱动力系统的构型布置及质量进行了对比分析，集成桥相较于直驱电机具有明显的优势。接着通过整车动力性仿真模型，分析对比了集成桥电机和直驱电机的动力性和经济性，结果表明集成桥电机具有动力性强、经济性好的优势。最后对8m集成桥样车进行试验测试，并与直驱电机的试验结果对比，进一步验证集成桥的优势。

参考文献：

[1] 南京司凯奇汽车科技有限公司. 一种卡车用自动换挡电驱动集成桥：中国，202122739772.5[P]. 2022-04-26.

[2] 王建武，黄赟鹤. 浅谈纯电动客车用电机集成车桥总成的设计[J]. 科技视界，2018（10）：247-248.

[3] 王锋刚，黄浩锋，冯黎波，等. 纯电动客车用电机集成车桥总成设计[J]. 信息记录材料，2017，18（9）：62-63.

[4] 黄凡，孙国庆. 基于Cruise的乘用车动力性经济性仿真及优化[J]. 汽车科技，2018（4）：8-13.