電橋驅動技術在新能源客車的應用及產業化前景

王學舟

（廈門金龍汽車集團股份有限公司，福建 廈門 361004）

隨著經濟全球化步伐的進一步加快，人們對交通運輸行業的要求也越來越高，傳統燃油機動車消耗了大量的化石能源，隨著化石能源的過度消耗，環境污染問題也越來越受到人們的關注。因此，國家在新能源汽車的制造、銷售、使用和維護等方面制定了優惠政策，以期加快傳統燃油車向新能源汽車的市場轉變。自2014 年以來，我國新能源汽車無論是產量還是銷量，都呈現穩步增長的態勢，且連續多年穩居世界第一，毫無疑問我國已成為新能源汽車發展大國。2020年，《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》正式發布，并設立了產業總體發展里程碑：預計到2035 年節能汽車與新能源汽車年銷售量占比達到50%，汽車產業實現電動化轉型。

其中《新能源汽車產業發展規劃》則明確提出，加大對公共服務領域使用新能源汽車的政策支持。自2021 年起，國家生態文明試驗區、大氣污染防治重點區域和公共領域新增或更新車輛（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展潛能。

1 國內外客車電驅動系統發展狀況

1.1 直驅結構的動力系統

在新能源公交推廣的起步階段，因其對傳統公交車的改動量小，驅動電機直接安裝在原發動機或變速器的裝配位置上，迅速成為市場上主流系統方案。但因其驅動電機需要布置在車輛的后部中間位置，導致車內后部驅動總成所占空間較大，不能實現全低地板布置。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較差。

1.2 剛性橋分布式驅動系統

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

1.3 輪轂電機驅動系統

成立于20 世紀 80 年代的荷蘭 e-Traction 公司及德國 ZAwheel 公司致力于輪載電機驅動系統的開發，其產品因體積大、質量重、車內過道寬度窄、成本高、需定制化的超級輪胎等因素未能實現大規模批量生產，至今裝車量不足 20 臺。

1.4 獨立懸架分布式驅動系統

該構型將驅動裝置、傳動裝置集成到輪邊，進一步加大了通道空間，降低了簧下質量。該系統具有體積小、重量輕、舒適性高、成本低、布置靈活等特點，理論上可解決全平低地板的痛點。目前，受標準電池箱體規格及整車布置的影響，該驅動系統應用后也未能完全實現全平低地板。

1.5 集成式電橋驅動系統

該系統是一種集成式的一體化結構，即將電機、減速器、差速器等部件都集成在車橋上。根據各家實際應用需求及路線規劃呈現出不同的產品：中央集成式電驅橋、輪邊驅動式電驅橋、輪轂驅動式電驅橋，其中中央集成式電驅橋又可分為同軸輸出式集成電驅橋，非同軸輸出式集成電驅橋。

2 電橋驅動系統的優勢和缺點

目前國內主流客車企業的新能源電驅動系統動力方案依然以傳統的改裝式直驅系統為主，在行業同質化競爭的大環境下，亟需打破原有產品架構，開發出性能、成本、質量都更具有競爭力的新型動力總成系統，應用具備高度集成化的電橋驅動系統便是具備充分可行性的技術路線。該系統優勢包括：①可大大縮短傳動鏈的長度，提高系統的傳動效率。②底盤占用空間小，電池布置方便。③能實現較高的能量回收效率。④重量輕，比中央驅動低10%～25%。

從國內外研究現狀可以發現，不同于傳統驅動橋，電橋驅動系統涉及電機、減速器、驅動橋等部件集成，目前系統存在的主要缺點有：①輕量化設計和優化問題。由于技術起步晚，結構設計方面缺乏豐富的經驗，在設計時往往保留了足夠的余量，因此電橋驅動系統一般存在較大的輕量化優化空間。②電橋驅動系統NVH 問題。內燃機寬帶背景噪音的消失，它使電驅動總成中的電機、齒輪箱和逆變器的噪聲更加突出。此外，由于電驅動總成的結構特點和寬泛的轉速范圍，系統固有頻率不可避免與電機和齒輪箱的振動激勵頻率重疊，從而使噪聲水平惡化。驅動系統集成化和高速化也給NVH 優化帶來了很多附加的、更大的難題。

3 電橋驅動系統重點技術研究方向

在新能源客車市場的激烈競爭環境下，現已成熟的傳統構型式動力系統已進入同質化競爭的局面，產品性能的差異便成為客戶選擇產品的重要指標。在電機、電控產品技術、性能、質量都趨于成熟的環境下，建立全新的動力系統產品構型便成為了現下技術突破、產品提升的有效途徑。技術研究方向主要如下。

3.1 系統輕量化設計

要結合輕質材料和先進工藝應用，在具備可制造性和減重達標的情況下，性能滿足開發目標要求。通過開展控制策略-電磁-熱-機多領域場路協同仿真，對電驅橋系統匹配驅動電機進行電磁方案、散熱方案等進行優化改進設計，提高電機整體效率，進一步縮小電機尺寸、重量。

3.2 系統NVH 分析優化

要在驅動電機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，正向設計定子結構剛度與阻尼，并采用高剛度定子部件工藝，提高定子模態固有頻率；在減速器設計方面重點考慮齒輪接觸、軸承連接等振動、噪音集中點，提升NVH 水平，突破電橋驅動系統低噪聲的關鍵核心技術難題。

3.3 車輛多目標協調控制

要重點解決電動車輪非簧載質量大和動載荷波動劇烈的問題，研究復雜工況下電驅驅動系統垂向/縱向/側向動力學耦合機理，從扭矩效率MAP、車身失穩識別、扭矩安全校驗等方向考慮，以車輪滑移率為控制目標，基于門限值控制理論建立分布式驅動電動汽車“安全-節能-舒適”多目標協調控制方法，實現分布式驅動電動汽車多目標協調控制，保障車輛行駛穩定與安全。

3.4 集成控制系統的優化提升

開展電橋驅動系統用控制系統集成開發，結合控制系統高溫、高頻、高效特性，開發大電流驅動模塊，研究電橋驅動控制系統機、電、熱耦合模型，實現器件級和系統級熱仿真，開發結構節湊、低流阻、低熱阻的高效散熱系統，建立電橋驅動系統用控制系統優化設計能力。

4 電橋驅動系統重點關鍵技術及解決方法

現有大型新能源客車多數采用直驅方式，即電機+傳動軸+傳統驅動橋，每個部件單獨設置，導致這樣的結構設置占據空間大、系統重量大、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車輛高功率、大扭矩的需求，對電橋驅動進行優化設計，具體技術路線和方法如下。

4.1 復雜工況多維載荷譜下的電橋驅動系統輕量化設計

針對產品輕量化及高效率需求，將進行電機多域結構的概念設計和多物理域的正向設計，包括齒諧波解調制的極槽配合選取、電機鐵芯外徑/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、寬廣高效率區域設計、高強度高磁阻轉矩低諧波轉子結構設計、高密度高剛度的定子設計、可靠性高/換熱系數大/冷卻效果好的冷卻結構設計等。然后是“電磁設計”+“冷卻散熱結構設計”+“機械結構設計”+“控制策略”的多維并行有限元協同計算，高精度仿真結果分析后，判斷電機多領域性能是否滿足要求。

通過使用輕量化材料，結合有限元分析技術，基于質量、疲勞壽命、剛度和模態頻率等整車性能指標，建立驅動橋輕量化協同優化設計流程，采用靈敏度分析、拓撲優化、尺寸優化、形貌優化、多目標遺傳法等優化方法，結合輕質材料和先進工藝應用，在具備可制造性和減重達標的情況下，性能滿足開發目標要求。

4.2 高性能集成電橋驅動系統NVH 分析優化設計

內燃機寬帶背景噪音的消失，它使電驅動總成中的電機、齒輪箱和逆變器的噪聲更加突出。此外，由于電驅動總成的結構特點和寬泛的轉速范圍，系統固有頻率不可避免與電機和齒輪箱的振動激勵頻率重疊，從而使噪聲水平惡化。驅動系統集成化和高速化也給NVH 優化帶來了很多附加的、更大的難題。電驅動橋NVH 屬于系統工程，整車廠及供應商協作尤其重要。針對該項優化，需要在以下方面開展研究工作：①在設計層面需綜合考慮齒輪、剛度、模態、主階次分布等因素。②在制造層面需綜合考慮來料、裝配、檢測等關鍵影響因素。③在測試層面需綜合運用實驗室NVH 測試臺，在線NVH 檢測臺，整車NVH分析技術手段進行研究分析。④其中優化重點在于電橋驅動系統的驅動電機噪聲和后橋主減速器噪聲研究。

4.3 多維耦合運動下的電橋驅動系統多目標協調控制技術

以轉矩協調分配為設計原則，從車輛動力學分析出發，直接考慮車輛轉彎時在離心力的作用下，車輛垂直載荷發生側向轉移，造成左右車輪的垂直載荷發生變化，開發基于滑轉修正的自適應電子差速控制策略，同時遵循汽車電子V 型開發理念，運用模型開發方法實現電子差速算法設計，并進行了系統仿真分析，運用模型實現控制代碼自動生成，設計電子差速控制器和實車驗證等工作。

4.4 新能源客車集成控制系統的優化提升

結合驅動系統高溫、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，研究電橋驅動系統機、電、熱耦合模型，實現器件級和系統級熱仿真，開發結構節湊、低流阻、低熱阻的高效散熱系統。綜合考慮驅動系統效率、噪聲、振動、運行穩定性的平衡，開發驅動系統的全局高效控制技術，實現PWM載波頻率隨電機轉速自動調節，降低低速區的模塊開關損耗，有效提高車輛低速常用區域電機系統效率；提出基于電壓矢量自動補償的過調制控制算法，有效解決過調制帶來的電機輸出轉矩脈動增大問題，將最大電壓利用率提升，降低弱磁電流，提高高速區域運行效率，電驅動系統高效區范圍（效率≥90%區域）達到90%，詳見圖1。

圖1 新能源客車集成控制系統優化性能目標

5 電橋驅動系統的產業化應用前景

目前國內已初步具備動力總成、電機控制器、動力電池系統等關鍵零部件產業鏈資源，電池技術已經處于全球領先位置，但在電驅動、電控領域仍舊存在差距。距離整車高效適應全工況和復雜環境，關鍵零部件提高效率、壽命和可靠性，以及全面產業化水平還有一定距離。電驅動集成橋系統的優勢主要體現在高度集成化和高轉速，能夠普遍實現相比于傳統直驅系統的關鍵技術指標的優化，例如：減重10%～20%，性能提升20%，成本下降10%～20%。目前國內部分客車龍頭企業逐步構建起了在整車匹配應用、試驗驗證方面的能力以及新能源核心零部件方面的研發優勢，通過產學研用聯合開發的模式，建立了在新能源電橋驅動系統的研究優勢，突破包括純電動和氫燃料在內的新能源電橋驅動系統領域的關鍵核心技術。

6 結語

文章通過對電橋驅動系統的優劣勢分析、重點技術研究方向、關鍵技術及解決辦法、產業化應用前景等方面內容進行簡要分析，作者認為電橋驅動系統綜合考慮了性能、功能、工藝、成本及重量五大要素，結合輕量化設計、多領域場路協同仿真、軟硬件資源高效集成等多項先進技術，能夠實現電驅系統的高度集成化和高轉速，相較于傳統直驅系統在關鍵技術性能指標上有明顯優化和提升。如在關鍵零部件可靠性及系統成本優化上能夠進一步的改善和解決，電橋驅動系統在客車行業將具備較大的產業化應用前景。