電橋驅(qū)動技術(shù)在新能源客車的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化前景

王學(xué)舟

（廈門金龍汽車集團(tuán)股份有限公司，福建 廈門 361004）

隨著經(jīng)濟(jì)全球化步伐的進(jìn)一步加快，人們對交通運(yùn)輸行業(yè)的要求也越來越高，傳統(tǒng)燃油機(jī)動車消耗了大量的化石能源，隨著化石能源的過度消耗，環(huán)境污染問題也越來越受到人們的關(guān)注。因此，國家在新能源汽車的制造、銷售、使用和維護(hù)等方面制定了優(yōu)惠政策，以期加快傳統(tǒng)燃油車向新能源汽車的市場轉(zhuǎn)變。自2014 年以來，我國新能源汽車無論是產(chǎn)量還是銷量，都呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的態(tài)勢，且連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一，毫無疑問我國已成為新能源汽車發(fā)展大國。2020年，《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》正式發(fā)布，并設(shè)立了產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展里程碑：預(yù)計到2035 年節(jié)能汽車與新能源汽車年銷售量占比達(dá)到50%，汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)電動化轉(zhuǎn)型。

其中《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》則明確提出，加大對公共服務(wù)領(lǐng)域使用新能源汽車的政策支持。自2021 年起，國家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)、大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域和公共領(lǐng)域新增或更新車輛（公交、出租、物流配送等車輛）中新能源汽車比例不低于80%；到2035 年，純電動汽車成為新銷售車輛的主流，公共領(lǐng)域用車全面電動化。因此，在國家政策大力推動下，純電動客車將迎來更大發(fā)展?jié)撃堋?/p>

1 國內(nèi)外客車電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

1.1 直驅(qū)結(jié)構(gòu)的動力系統(tǒng)

在新能源公交推廣的起步階段，因其對傳統(tǒng)公交車的改動量小，驅(qū)動電機(jī)直接安裝在原發(fā)動機(jī)或變速器的裝配位置上，迅速成為市場上主流系統(tǒng)方案。但因其驅(qū)動電機(jī)需要布置在車輛的后部中間位置，導(dǎo)致車內(nèi)后部驅(qū)動總成所占空間較大，不能實(shí)現(xiàn)全低地板布置。多級踏步影響乘客上下和車的便利性及安全性，老人及殘障人士的出行體驗(yàn)較差。

1.2 剛性橋分布式驅(qū)動系統(tǒng)

因動力系統(tǒng)分布在驅(qū)動輪端，可有效改善車內(nèi)后部布置空間。國外輪邊及輪載驅(qū)動技術(shù)研究較早，ZF 公司的分布式輪邊驅(qū)動系統(tǒng)AVE130 已應(yīng)用超過十五年，但由于采用了剛性門式橋結(jié)構(gòu)，其后橋通道空間小、成本高，全低地板的功能化差等因素導(dǎo)致國內(nèi)外市場應(yīng)用案例較少。依托國家科技部 863 項目的推動，比亞迪聯(lián)合長安大學(xué)、漢德車橋開發(fā)了第一款國產(chǎn)化的類 ZF 構(gòu)型剛性分布式了驅(qū)動橋，并率先應(yīng)用在其自主品牌的公交車上，經(jīng)歷了近十年的技術(shù)沉淀，產(chǎn)品的質(zhì)量逐漸穩(wěn)定下來，但受過道寬度小及制造成本高，市場推廣應(yīng)用受限。

1.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

成立于20 世紀(jì) 80 年代的荷蘭 e-Traction 公司及德國 ZAwheel 公司致力于輪載電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)，其產(chǎn)品因體積大、質(zhì)量重、車內(nèi)過道寬度窄、成本高、需定制化的超級輪胎等因素未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)，至今裝車量不足 20 臺。

1.4 獨(dú)立懸架分布式驅(qū)動系統(tǒng)

該構(gòu)型將驅(qū)動裝置、傳動裝置集成到輪邊，進(jìn)一步加大了通道空間，降低了簧下質(zhì)量。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、舒適性高、成本低、布置靈活等特點(diǎn)，理論上可解決全平低地板的痛點(diǎn)。目前，受標(biāo)準(zhǔn)電池箱體規(guī)格及整車布置的影響，該驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用后也未能完全實(shí)現(xiàn)全平低地板。

1.5 集成式電橋驅(qū)動系統(tǒng)

該系統(tǒng)是一種集成式的一體化結(jié)構(gòu)，即將電機(jī)、減速器、差速器等部件都集成在車橋上。根據(jù)各家實(shí)際應(yīng)用需求及路線規(guī)劃呈現(xiàn)出不同的產(chǎn)品：中央集成式電驅(qū)橋、輪邊驅(qū)動式電驅(qū)橋、輪轂驅(qū)動式電驅(qū)橋，其中中央集成式電驅(qū)橋又可分為同軸輸出式集成電驅(qū)橋，非同軸輸出式集成電驅(qū)橋。

2 電橋驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢和缺點(diǎn)

目前國內(nèi)主流客車企業(yè)的新能源電驅(qū)動系統(tǒng)動力方案依然以傳統(tǒng)的改裝式直驅(qū)系統(tǒng)為主，在行業(yè)同質(zhì)化競爭的大環(huán)境下，亟需打破原有產(chǎn)品架構(gòu)，開發(fā)出性能、成本、質(zhì)量都更具有競爭力的新型動力總成系統(tǒng)，應(yīng)用具備高度集成化的電橋驅(qū)動系統(tǒng)便是具備充分可行性的技術(shù)路線。該系統(tǒng)優(yōu)勢包括：①可大大縮短傳動鏈的長度，提高系統(tǒng)的傳動效率。②底盤占用空間小，電池布置方便。③能實(shí)現(xiàn)較高的能量回收效率。④重量輕，比中央驅(qū)動低10%～25%。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，不同于傳統(tǒng)驅(qū)動橋，電橋驅(qū)動系統(tǒng)涉及電機(jī)、減速器、驅(qū)動橋等部件集成，目前系統(tǒng)存在的主要缺點(diǎn)有：①輕量化設(shè)計和優(yōu)化問題。由于技術(shù)起步晚，結(jié)構(gòu)設(shè)計方面缺乏豐富的經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計時往往保留了足夠的余量，因此電橋驅(qū)動系統(tǒng)一般存在較大的輕量化優(yōu)化空間。②電橋驅(qū)動系統(tǒng)NVH 問題。內(nèi)燃機(jī)寬帶背景噪音的消失，它使電驅(qū)動總成中的電機(jī)、齒輪箱和逆變器的噪聲更加突出。此外，由于電驅(qū)動總成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和寬泛的轉(zhuǎn)速范圍，系統(tǒng)固有頻率不可避免與電機(jī)和齒輪箱的振動激勵頻率重疊，從而使噪聲水平惡化。驅(qū)動系統(tǒng)集成化和高速化也給NVH 優(yōu)化帶來了很多附加的、更大的難題。

3 電橋驅(qū)動系統(tǒng)重點(diǎn)技術(shù)研究方向

在新能源客車市場的激烈競爭環(huán)境下，現(xiàn)已成熟的傳統(tǒng)構(gòu)型式動力系統(tǒng)已進(jìn)入同質(zhì)化競爭的局面，產(chǎn)品性能的差異便成為客戶選擇產(chǎn)品的重要指標(biāo)。在電機(jī)、電控產(chǎn)品技術(shù)、性能、質(zhì)量都趨于成熟的環(huán)境下，建立全新的動力系統(tǒng)產(chǎn)品構(gòu)型便成為了現(xiàn)下技術(shù)突破、產(chǎn)品提升的有效途徑。技術(shù)研究方向主要如下。

3.1 系統(tǒng)輕量化設(shè)計

要結(jié)合輕質(zhì)材料和先進(jìn)工藝應(yīng)用，在具備可制造性和減重達(dá)標(biāo)的情況下，性能滿足開發(fā)目標(biāo)要求。通過開展控制策略-電磁-熱-機(jī)多領(lǐng)域場路協(xié)同仿真，對電驅(qū)橋系統(tǒng)匹配驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行電磁方案、散熱方案等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計，提高電機(jī)整體效率，進(jìn)一步縮小電機(jī)尺寸、重量。

3.2 系統(tǒng)NVH 分析優(yōu)化

要在驅(qū)動電機(jī)電磁仿真方面合理匹配電磁力波載荷譜與電磁材料服役特性，正向設(shè)計定子結(jié)構(gòu)剛度與阻尼，并采用高剛度定子部件工藝，提高定子模態(tài)固有頻率；在減速器設(shè)計方面重點(diǎn)考慮齒輪接觸、軸承連接等振動、噪音集中點(diǎn)，提升NVH 水平，突破電橋驅(qū)動系統(tǒng)低噪聲的關(guān)鍵核心技術(shù)難題。

3.3 車輛多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制

要重點(diǎn)解決電動車輪非簧載質(zhì)量大和動載荷波動劇烈的問題，研究復(fù)雜工況下電驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)垂向/縱向/側(cè)向動力學(xué)耦合機(jī)理，從扭矩效率MAP、車身失穩(wěn)識別、扭矩安全校驗(yàn)等方向考慮，以車輪滑移率為控制目標(biāo)，基于門限值控制理論建立分布式驅(qū)動電動汽車“安全-節(jié)能-舒適”多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制方法，實(shí)現(xiàn)分布式驅(qū)動電動汽車多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制，保障車輛行駛穩(wěn)定與安全。

3.4 集成控制系統(tǒng)的優(yōu)化提升

開展電橋驅(qū)動系統(tǒng)用控制系統(tǒng)集成開發(fā)，結(jié)合控制系統(tǒng)高溫、高頻、高效特性，開發(fā)大電流驅(qū)動模塊，研究電橋驅(qū)動控制系統(tǒng)機(jī)、電、熱耦合模型，實(shí)現(xiàn)器件級和系統(tǒng)級熱仿真，開發(fā)結(jié)構(gòu)節(jié)湊、低流阻、低熱阻的高效散熱系統(tǒng)，建立電橋驅(qū)動系統(tǒng)用控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計能力。

4 電橋驅(qū)動系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)及解決方法

現(xiàn)有大型新能源客車多數(shù)采用直驅(qū)方式，即電機(jī)+傳動軸+傳統(tǒng)驅(qū)動橋，每個部件單獨(dú)設(shè)置，導(dǎo)致這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)置占據(jù)空間大、系統(tǒng)重量大、集成度低，不利于整車布置，為了提高車輛的集成度和可靠性，解決客車及城郊客運(yùn)車輛高功率、大扭矩的需求，對電橋驅(qū)動進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，具體技術(shù)路線和方法如下。

4.1 復(fù)雜工況多維載荷譜下的電橋驅(qū)動系統(tǒng)輕量化設(shè)計

針對產(chǎn)品輕量化及高效率需求，將進(jìn)行電機(jī)多域結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計和多物理域的正向設(shè)計，包括齒諧波解調(diào)制的極槽配合選取、電機(jī)鐵芯外徑/長度等主要尺寸的確定、抑制渦流損耗的槽型和超短端部高密度繞組設(shè)計、抑制時空諧波的鐵耗計算和削弱永磁體渦流損耗的拼塊技術(shù)、寬廣高效率區(qū)域設(shè)計、高強(qiáng)度高磁阻轉(zhuǎn)矩低諧波轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計、高密度高剛度的定子設(shè)計、可靠性高/換熱系數(shù)大/冷卻效果好的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計等。然后是“電磁設(shè)計”+“冷卻散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計”+“機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計”+“控制策略”的多維并行有限元協(xié)同計算，高精度仿真結(jié)果分析后，判斷電機(jī)多領(lǐng)域性能是否滿足要求。

通過使用輕量化材料，結(jié)合有限元分析技術(shù)，基于質(zhì)量、疲勞壽命、剛度和模態(tài)頻率等整車性能指標(biāo)，建立驅(qū)動橋輕量化協(xié)同優(yōu)化設(shè)計流程，采用靈敏度分析、拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化、多目標(biāo)遺傳法等優(yōu)化方法，結(jié)合輕質(zhì)材料和先進(jìn)工藝應(yīng)用，在具備可制造性和減重達(dá)標(biāo)的情況下，性能滿足開發(fā)目標(biāo)要求。

4.2 高性能集成電橋驅(qū)動系統(tǒng)NVH 分析優(yōu)化設(shè)計

內(nèi)燃機(jī)寬帶背景噪音的消失，它使電驅(qū)動總成中的電機(jī)、齒輪箱和逆變器的噪聲更加突出。此外，由于電驅(qū)動總成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和寬泛的轉(zhuǎn)速范圍，系統(tǒng)固有頻率不可避免與電機(jī)和齒輪箱的振動激勵頻率重疊，從而使噪聲水平惡化。驅(qū)動系統(tǒng)集成化和高速化也給NVH 優(yōu)化帶來了很多附加的、更大的難題。電驅(qū)動橋NVH 屬于系統(tǒng)工程，整車廠及供應(yīng)商協(xié)作尤其重要。針對該項優(yōu)化，需要在以下方面開展研究工作：①在設(shè)計層面需綜合考慮齒輪、剛度、模態(tài)、主階次分布等因素。②在制造層面需綜合考慮來料、裝配、檢測等關(guān)鍵影響因素。③在測試層面需綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室NVH 測試臺，在線NVH 檢測臺，整車NVH分析技術(shù)手段進(jìn)行研究分析。④其中優(yōu)化重點(diǎn)在于電橋驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)噪聲和后橋主減速器噪聲研究。

4.3 多維耦合運(yùn)動下的電橋驅(qū)動系統(tǒng)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制技術(shù)

以轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)分配為設(shè)計原則，從車輛動力學(xué)分析出發(fā)，直接考慮車輛轉(zhuǎn)彎時在離心力的作用下，車輛垂直載荷發(fā)生側(cè)向轉(zhuǎn)移，造成左右車輪的垂直載荷發(fā)生變化，開發(fā)基于滑轉(zhuǎn)修正的自適應(yīng)電子差速控制策略，同時遵循汽車電子V 型開發(fā)理念，運(yùn)用模型開發(fā)方法實(shí)現(xiàn)電子差速算法設(shè)計，并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真分析，運(yùn)用模型實(shí)現(xiàn)控制代碼自動生成，設(shè)計電子差速控制器和實(shí)車驗(yàn)證等工作。

4.4 新能源客車集成控制系統(tǒng)的優(yōu)化提升

結(jié)合驅(qū)動系統(tǒng)高溫、高頻、高效特性，通過研究薄膜電容器許用紋波電流提升技術(shù)，研究電橋驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)、電、熱耦合模型，實(shí)現(xiàn)器件級和系統(tǒng)級熱仿真，開發(fā)結(jié)構(gòu)節(jié)湊、低流阻、低熱阻的高效散熱系統(tǒng)。綜合考慮驅(qū)動系統(tǒng)效率、噪聲、振動、運(yùn)行穩(wěn)定性的平衡，開發(fā)驅(qū)動系統(tǒng)的全局高效控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)PWM載波頻率隨電機(jī)轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)，降低低速區(qū)的模塊開關(guān)損耗，有效提高車輛低速常用區(qū)域電機(jī)系統(tǒng)效率；提出基于電壓矢量自動補(bǔ)償?shù)倪^調(diào)制控制算法，有效解決過調(diào)制帶來的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動增大問題，將最大電壓利用率提升，降低弱磁電流，提高高速區(qū)域運(yùn)行效率，電驅(qū)動系統(tǒng)高效區(qū)范圍（效率≥90%區(qū)域）達(dá)到90%，詳見圖1。

圖1 新能源客車集成控制系統(tǒng)優(yōu)化性能目標(biāo)

5 電橋驅(qū)動系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景

目前國內(nèi)已初步具備動力總成、電機(jī)控制器、動力電池系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)鏈資源，電池技術(shù)已經(jīng)處于全球領(lǐng)先位置，但在電驅(qū)動、電控領(lǐng)域仍舊存在差距。距離整車高效適應(yīng)全工況和復(fù)雜環(huán)境，關(guān)鍵零部件提高效率、壽命和可靠性，以及全面產(chǎn)業(yè)化水平還有一定距離。電驅(qū)動集成橋系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在高度集成化和高轉(zhuǎn)速，能夠普遍實(shí)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)直驅(qū)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)化，例如：減重10%～20%，性能提升20%，成本下降10%～20%。目前國內(nèi)部分客車龍頭企業(yè)逐步構(gòu)建起了在整車匹配應(yīng)用、試驗(yàn)驗(yàn)證方面的能力以及新能源核心零部件方面的研發(fā)優(yōu)勢，通過產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合開發(fā)的模式，建立了在新能源電橋驅(qū)動系統(tǒng)的研究優(yōu)勢，突破包括純電動和氫燃料在內(nèi)的新能源電橋驅(qū)動系統(tǒng)領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)。

6 結(jié)語

文章通過對電橋驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)劣勢分析、重點(diǎn)技術(shù)研究方向、關(guān)鍵技術(shù)及解決辦法、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景等方面內(nèi)容進(jìn)行簡要分析，作者認(rèn)為電橋驅(qū)動系統(tǒng)綜合考慮了性能、功能、工藝、成本及重量五大要素，結(jié)合輕量化設(shè)計、多領(lǐng)域場路協(xié)同仿真、軟硬件資源高效集成等多項先進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電驅(qū)系統(tǒng)的高度集成化和高轉(zhuǎn)速，相較于傳統(tǒng)直驅(qū)系統(tǒng)在關(guān)鍵技術(shù)性能指標(biāo)上有明顯優(yōu)化和提升。如在關(guān)鍵零部件可靠性及系統(tǒng)成本優(yōu)化上能夠進(jìn)一步的改善和解決，電橋驅(qū)動系統(tǒng)在客車行業(yè)將具備較大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。