【技术帖】重型商用车双电驱动桥构型方案设计与参数匹配方法研究

重型商用车在我国汽车保有量中总体占比不足5%，而其碳排放占比超过50%，燃油消耗占比超过20%。因此，重型商用车的电动化对汽车的节能减排具有重要意义。为了满足车辆动力性的需求，通常设置49 t 重型商用车为2 个驱动桥。为了实现49 t重型商用车的电动化，需要将2个驱动桥设计为电驱动桥，这对电动重型商用车动力性和经济性都提出了较高的要求，电驱动桥的构型方案以及主要部件的结构性能参数是保证车辆动力性和经济性的关键。

电驱动系统构型方案设计主要是确定驱动电动机数量、变速装置挡位数和类型，以及整体的结构布置。目前的乘用车电驱动系统通常设置有1 个或2个驱动电动机[1-2]，而重型商用车也可能设置有多个驱动电动机[3]73。乘用车电驱动系统的变速传动装置主要是固定速比的传动装置[4]或两挡变速传动装置[5]。而由于重型商用车较大的功率需求范围，部分构型选择了多挡变速传动装置[6]。此外，对于多动力源驱动系统，需要设置动力耦合装置；对于双电动机驱动系统，目前主要有利用行星排转速和转矩特性的转速耦合装置[7]、利用平行轴齿轮传动特性的转矩耦合装置[8]以及前后轴驱动的牵引力耦合方式[9]。特斯拉的Semi 重卡设置有2 个电驱动桥、3 个驱动电动机，其中，1 个驱动桥有2 个驱动电动机，分别驱动左右车轮，第3个驱动电动机单独为1个驱动桥提供动力，3 个驱动电动机的动力耦合方式是牵引力耦合[10]。对于集中式驱动的电动货车，通常设置有多挡位变速装置[11]，双电动机或多电动机驱动的设置有动力耦合装置[12]。变速装置主要有平行轴齿轮传动和行星排齿轮传动，且多挡变速器能实现无动力中断换挡[13-14]。构型方案设计需要确定驱动电动机数量和布置形式，以及变速装置的类型和挡位数。在此基础上，需要根据车辆的功能和性能要求，计算匹配主要部件的结构性能参数[15]。目前主要的参数匹配方法是基于车辆的最高动力性要求以及车辆的续航里程来确定驱动电动机、变速装置和动力电池的主要结构性能参数[16]146。此外，还有基于电动机效率最优的电驱动系统参数匹配设计方法[17]39-44。以上研究表明，电驱动系统构型方案设计和参数匹配的问题已经得到了广泛的研究，但对于重型商用车双电驱动桥构型方案的设计与参数匹配的研究相对较少。

本文以49 t 重型商用车电驱动桥为研究对象，对2 个电驱动桥的电驱动构型方案进行设计，确定2个驱动桥的驱动电动机数量、布置形式，以及变速装置的类型和挡位数。在此基础上，提出了重型商用车电驱动桥主要部件结构性能参数的计算匹配方法，确定驱动电动机、变速装置和动力电池的主要参数，并通过仿真分析论证了所设计构型方案和匹配参数的有效性。

为了满足车辆动力性的需求，49 t重型商用车配置有2 个驱动桥。图1 为目前49 t 重型商用车双联桥的结构简图。2 个驱动桥的动力来自于同一个发动机，两个驱动桥总是同时参与驱动。对于重型商用车的双电驱动桥，其动力布置十分灵活，可以实现单个驱动桥的独立驱动，也可以实现两个驱动桥的联合驱动。本文将重点分析重型商用车双电驱动桥的构型方案，确定每个驱动桥驱动电动机的数量、变速装置的挡位数，以及驱动电动机和变速装置的布置形式。

图1 49 t重型商用车双联桥简图
Fig.1 Double driving axles structural sketch of 49 t heavy duty trucks

重型商用车电驱动桥构型方案的设计目标如下：

1）驱动电动机数量合理，且具有较大的经济性；车辆行驶过程中，各驱动电动机的使用频率相当。

2）变速传动装置挡位数尽可能少。

3）总体结构布置相对简单。

1.1 电驱动构型方案对比分析

目前，商用车电驱动系统主要有3种类型，分别为中央驱动、电驱动桥和分布式电驱动。中央驱动构型方案如图2（a）所示，其总体结构与传统柴油机驱动系统类似；电驱动桥构型方案如图2（b）所示，整个驱动系统集成在驱动桥上，结构相对中央驱动形式更加紧凑；图2（c）所示为分布式驱动构型方案，每个车轮由独立的驱动电动机驱动。比较3种商用车电驱动构型可知，第一种方案传动链较长，导致其传动效率较低；第三种方案驱动构型对驱动电动机的转矩和转速控制要求较高；而电驱动桥的构型方案结构紧凑、控制难度较低。因此，选择基于电驱动桥的重型商用车电驱动构型方案。

图2 常见商用车电驱动系统构型简图
Fig.2 Common commercial electric driving system configuration scheme

1.2 驱动电动机数和变速装置确定

每个电驱动桥可设置1 个驱动电动机或者2 个驱动电动机，综合考虑49 t重型商用车2个驱动桥的特点，驱动电动机的数量可以为2个、3个或4个。

考虑空载和满载的工况，49 t重型商用车的需求功率范围大。为了避免驱动电动机在工作过程中长时间出现大马拉小车或小马拉大车的现象，应在电驱动系统中设置尽可能多的驱动电动机。又考虑到驱动电动机的布置和综合成本的问题，本文设计的重型商用车双电驱动桥的驱动电动机数量为3个。为进一步提高车辆的动力性，前驱动桥设置1个驱动电动机，后驱动桥设置2个驱动电动机。

为了满足49 t 重型商用车的转矩需求，同时为了降低对驱动电动机的要求，使驱动电动机更多地工作在高效率区间，可在双电驱动桥中设置变速装置。目前，电驱动桥中的变速装置主要有单挡变速装置、两挡变速装置和多挡变速装置[18]。考虑到重型商用车兼顾多工况和能耗的问题[19]，前驱动桥设置1个单挡变速装置，后驱动桥设置转矩耦合的动力耦合装置，以及一个3 挡AMT（Automated Manual Transmission）变速装置。

1.3 重型商用车电驱动构型方案

根据上述重型商用车电驱动桥的电驱动系统构型特点、驱动电动机数量以及变速传动装置的类型和挡位数，设计的双电驱动桥的构型方案如图3 所示。图3 中，前驱动桥有1 个驱动电动机和1 个固定速比传动装置；后驱动桥有2 个驱动电动机，2 个电动机的动力通过平行轴齿轮传动进行转矩耦合，并且设计有一个3挡AMT变速器。

图3 双电驱动桥构型方案示意图
Fig.3 Schematic diagram of dual electric driving axles

参数匹配是电驱动系统实现其功能和性能的关键。根据图3 所示重型商用车双电驱动桥构型方案，对前驱动桥和后驱动桥的驱动电动机、固定速比变速装置以及3 挡AMT 变速器的结构性能参数进行匹配，同时根据车辆的续航里程要求对动力电池的参数进行匹配。

2.1 重型商用车的功能和性能要求

以干线物流用49 t 重型商用车为基础，对其双驱动桥的电动化问题进行研究。电动化后车辆的功能和性能参数应满足原型车相关的要求，首先应满足车辆动力性要求，其次应考虑车辆的经济性要求。原型车的相关结构性能参数如表1所示。

表1 49 t重型商用车结构和性能参数
Tab.1 Structure and performance parameters of the 49 t heavy duty truck

2.2 主要部件参数匹配

电驱动系统参数匹配需要根据车辆的功能和性能要求，计算确定车辆整体的功率和转矩需求；然后根据车辆的具体情况，考虑车辆经济性因素，确定各个驱动电动机参数、变速装置以及动力电池的结构性能参数。

2.2.1 驱动电动机参数确定

上文所述重型商用车共有2 个驱动桥、3 个驱动电动机，驱动电动机的类型选择为永磁同步电动机。需要匹配的驱动电动机参数有额定功率、峰值功率、额定转矩、峰值转矩、额定转速和峰值转速。

为匹配计算驱动电动机上述性能参数，首先，根据式（1）所示车辆的功率平衡方程确定49 t 重型商用车的功率需求范围；然后，综合考虑车辆的爬坡性能要求和加速性能要求，计算确定车辆的转矩需求范围；最后，根据车速要求和车辆的传动比，确定驱动电动机的转速需求范围。

式中，Pe为车辆的需求功率，kW；ηT为车辆传动系统效率；m为车辆的质量，kg；f为滚动阻力系数；u为车辆的行驶速度，m/s；α 为车辆行驶路面的坡度角，（°）；CD为空气阻力系数；A 为车辆迎风面积，m2；δ为车辆旋转质量转换系数；t为时间，s。

驱动电动机总的额定功率根据最高稳定车速下的需求功率进行计算[16]147。考虑重型商用车大多数时间在满载工况下运行，驱动电动机额定功率计算使用的质量为49 000 kg。经计算，3个驱动电动机总的额定功率要求约为326 kW。又考虑驱动系统工作过程中的电气损耗和机械损耗，通常额定功率应在计算值的基础上增加15%左右。本文取驱动电动机额定功率在计算值的基础上增加15%，要求3个驱动电动机的额定功率之和不小于375 kW。

在计算获得驱动电动机总的额定功率后，需要分别确定3个驱动电动机的额定功率。根据车辆的爬坡性能要求以及加速性能要求，综合车辆的空载、满载运行工况，又考虑车辆在行驶过程中的最大爬坡度和最大加速度不会同时出现的工况，计算重型商用车各车速下的空载最小需求功率、满载最小需求功率、考虑爬坡能力的最大需求功率，以及考虑加速能力的最大需求功率。计算结果如图4所示。要求单电动机驱动桥满足空载和满载中低速最小功率需求，根据图4中所示的功率需求，设定单电动机驱动桥中驱动电动机的额定功率为120 kW，双电动机驱动桥中2个驱动电动机的额定功率为130 kW。

图4 重型商用车不同工况下的功率需求范围
Fig.4 Range of power requirements of the heavy commercial vehicle in different working conditions

要求车辆能够以15 km/h的速度在30%的斜坡上稳定行驶，在车速40 km/h 时具有1 m/s2的加速度，则3个驱动电动机的峰值功率应不小于770 kW。而永磁同步电动机的过载系数在1.8～2.5[16]147，因此，单电动机驱动桥的峰值功率可达216～300 kW，双电动机驱动桥单个电动机的峰值功率可达234～325 kW，总的峰值功率超过900 kW，满足车辆的性能要求。

驱动电动机的转速决定于车速和传动比，如式（2）所示。计算驱动电动机的转速需要确定各个电驱动桥的传动比it和工作的车速范围。单电动机驱动桥在中低速时可独立驱动车辆；当处于高速或功率需求较大时，双电动机驱动桥参与驱动。可见单电动机驱动桥和双电动机驱动桥都要有工作于最高车速的性能。根据前文所述，单电动机驱动桥为固定速比传动装置，参考相关车型变速传动装置参数，初步设定固定速比传动装置传动比为7.5；双电动机驱动桥为3挡变速传动装置，设定3个挡位的传动比分别为18、38 和46。综合考虑各挡位的工作车速范围，单电动机驱动桥驱动电动机的最高转速要求为4 500 r/min，双电动机驱动桥驱动电动机的最高转速要求为11 500 r/min。根据上述计算结果，单电动机驱动桥驱动电动机额定转速选定为3 000 r/min，峰值转速为6 000 r/min；双电动机驱动桥驱动电动机的额定转速为5 000 r/min，峰值转速为13 000 r/min。

式中，ne 为驱动电动机转速，r/min；it为电驱动系统传动比；r为车辆轮胎半径，m。

根据表2所示的驱动电动机的额定功率和额定转速，计算得单电动机驱动桥的驱动电动机额定转矩为275 N·m，双电动机驱动桥的驱动电动机额定转矩为179 N·m；永磁同步电动机峰值转矩可以达到额定转矩的3倍，此时2个驱动电动机的峰值转矩分别为800 N·m和480 N·m。综合上述内容，驱动电动机相关的参数如表2所示。表2中，驱动电动机M1为单电动机驱动桥中的驱动电动机，驱动电动机M2为双电动机驱动桥中的驱动电动机。

表2 驱动电动机性能参数
Tab.2 Driving motor performance parameters

2.2.2 变速装置参数确定

重型商用车中单电动机驱动桥设置有固定速比传动装置，双电动机驱动桥设置有3 挡变速传动装置。因此，变速装置主要计算匹配4个传动比。

对式（2）进行变形，可得到驱动系统传动比与车速和动力源转速之间的关系，即

对于单电动机驱动桥的固定速比传动装置，其传动比必须满足驱动电动机额定转速和峰值转速下的最高车速要求[17]41，即满足式（4）的要求，则固定速比传动装置的传动比应在5到10之间。

式中，umax为车辆的最高车速；ne1为单电动机驱动桥驱动电动机的额定转速；ne1max为单电动机驱动桥驱动电动机的峰值转速。

对于双电动机驱动桥3 挡变速传动装置，首先，2个驱动电动机有转矩耦合装置，该装置具有减速增扭的作用，耦合后的动力进入3挡变速装置，可进一步减速增扭。因此，双电动机驱动桥变速传动装置中需要计算确定4个传动比值，分别是转矩耦合装置的传动比、3 挡变速传动装置3 个挡位的传动比。图3 中后驱动桥的2 个驱动电动机通过平行轴转矩耦合的方式实现动力汇流，转矩耦合装置减速比与3挡变速装置传动比的乘积为双电动机驱动桥的传动比，现将其看作一个整体，1挡对应的整体传动比应满足车辆满载最大爬坡度的要求，且满足道路的附着条件，即满足式（5）要求，计算的1 挡整体传动比在46.8～65。3 挡对应的整体传动比应满足最高车速的要求，相关计算公式类似于式（4），此处不再赘述，计算得该整体传动比在8.3～21.6。2 挡对应的整体传动比的设定值，应使驱动电动机能够更多地工作在高效区间。设定3 挡变速装置的1 挡时车速范围大约为0～30 km/h，2 挡时的车速范围大约为30～50 km/h，3 挡时的车速范围大约为50～100 km/h，对应的驱动电动机转速范围大约为5 000～1 000 r/min，据此计算2 挡对应的整体传动比应在33 左右。结合1 挡、2挡整体传动比的范围，设定2 挡整体传动比在27～40。

式中，μ为路面的附着系数，良好路面的附着系数在0.7～0.8；m1为双电动机驱动桥满载时轴载质量，设定此值为13 000 kg。

根据式（3）～式（5）计算的固定速比传动装置和挡位变速装置的需求传动比范围，结合主从动轮齿数一般互为质数的特点，设定单电动机驱动桥和双电动机驱动桥中变速装置的传动比，如表3所示。

表3 电驱动系统变速装置的主要参数
Tab.3 Main parameters of the electric driving system variable speed device

2.2.3 动力电池参数确定

目前，电动汽车动力电池的类型主要是磷酸铁锂电池和三元锂离子电池。磷酸铁锂电池的安全稳定性较高，寿命较长；三元锂电池的能量密度较高，具有更高续航能力，但其成本相对较高。结合重型商用车需求电池容量大的特点，综合动力电池的特性，选用磷酸铁锂电池作为49 t 重型商用车的动力电池。

需要确定的动力电池参数主要是电压和容量。单体磷酸铁锂电池的标称电压为3.2 V，单体电池容量为60 A·h。单体电池以串并联的形式实现目标的动力电池电压和容量。设定动力电池的端电压为400 V，则需要125个单体电池串联。动力电池的容量要满足车辆的续航里程要求，根据GB/T 18385—2005《电动汽车动力性能试验方法》[20]的规定，将以60 km/h的车速匀速行驶的距离作为车辆的续航里程，此时车辆的输出功率如式（6）所示，完成300 km的续航里程所需的电池能量如式（7）所示，要求电池的容量如式（8）所示[21]。计算得，重型商用车需要的动力电池容量为2 331.4 A·h，需要并联39组电池。

式中，u1为车速，取60 km/h；S 为要求的续航里程；ηk为电池有效放电系数，一般取值0.8；U 为动力电池的端电压；C为动力电池的容量。

利用Matlab/Simulink 软件建立重型商用车双电驱动桥系统的动力学仿真模型，对车辆的动力性和经济性进行仿真。模型主要用于验证所设计参数是否能够满足车辆的动力性和续航里程要求。主要考虑了驱动电动机外特性、变速装置的速比以及动力电池的容量和车辆行驶阻力等因素，未充分考虑驱动电动机控制、换挡策略以及制动能量回收等过程。

图5 所示为车辆满载时变速装置1 挡不同车速下车辆的加速能力。由图5 可知，在50 km/h 车速时的加速度为0.78 m/s2，车辆以此加速度运行，20 s 车速可达56.2 km/h，满足原型车的加速性能要求；在车速为100 km/h 时，仍有超过0.2 m/s2的加速能力。因此，车辆的最高车速超过100 km/h，满足原型车的最高车速要求。图5中，加速度有突变的情况，这是因为所用模型未考虑工作模式切换时驱动电动机转矩控制问题。加速度的突变会引起较大的车辆冲击度，这将是后续研究中的重点问题。图6所示为车速在0～50 km/h 时的车辆爬坡度。从图6 可以看出，在15 km/h 车速时，车辆满载的最大爬坡度超过30%，满足表1要求的最大爬坡度。

图5 重型商用车加速性能仿真结果
Fig.5 Acceleration simulation results of the heavy commercial vehicle

图6 重型商用车爬坡性能仿真结果
Fig.6 Climbing simulation results of the heavy commercial vehicle

在仿真中设置重型商用车在图7所示的CHTC—TT工况下运行，该工况时长1 800 s，包含高中低速工况，循环工况1 次的总里程为23.22 km。1 次循环工况下重型商用车的能量消耗如图8 所示。共消耗能量50.84 kW·h，由此计算可得车辆的百公里电耗约为219 kW·h。结合第2.2.3 节计算的电池容量2 331 A·h，动力电池的端电压为400 V，所以，电池的电量为932 kW·h；设定电池放电效率为0.8，则车辆的续航里程为340.5 km，满足车辆300 km 的续航里程要求。

图7 重型商用车CHTC_TT循环工况
Fig.7 CHTC_TT driving cycles of heavy commercial vehicles

图8 重型商用车1次循环工况的耗电量
Fig.8 Power consumption of the heavy commercial vehicle in one driving cycle

由文献[22]可知，电动重卡日均百千米电耗集中在210～230 kW·h，与本文的计算结果相近。然而又有研究表明[3]75，某电动重卡的百千米电耗仅在160 kW·h 左右，与本文计算得出的电耗相差较多，这是因为未考虑制动能量回收。

1）49 t 重型商用车设置有2 个驱动桥，设计前驱动桥为单电动机固定速比的构型，后驱动桥为双电动机转矩耦合3挡变速的构型，该构型方案能够满足车辆动力性和经济性的要求。

2）基于车辆的动力性要求，对电驱动系统的驱动电动机转矩、转速和功率参数进行了计算设计；根据车速要求、驱动电动机的转速范围和车辆的爬坡性能要求，计算确定了变速传动装置的传动比；根据车辆的电压要求和续航里程要求，计算确定了动力电池的端电压和容量。完成了重型商用车双电驱动桥主要部件结构性能参数的匹配。

3）对重型商用车的双电驱动桥进行了动力性和经济性仿真。仿真结果表明，所设计的双电驱动桥重型商用车能够满足预期的动力性和经济性要求，提出的双电驱动桥构型方案以及驱动电动机、变速装置和动力电池主要性能参数的匹配计算方法有效可行。