新一代城市客車功率分流混合動(dòng)力系統(tǒng)（ECVT）的研發(fā)

摘 要：隨著國(guó)家十三五規(guī)劃大力推廣新能源城市客車試點(diǎn)運(yùn)營(yíng)，各家企業(yè)均在純電動(dòng)客車和混合動(dòng)力客車之間選擇不同技術(shù)路線穩(wěn)步推進(jìn)，純電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)控制原理簡(jiǎn)單，但受制于電池技術(shù)無(wú)重大突破，導(dǎo)致整車整備質(zhì)量難以大幅度下降，能量轉(zhuǎn)換損失較大，與此同時(shí)，很多客車廠家也在積極探索混合動(dòng)力技術(shù)，混合動(dòng)力客車擁有較好的續(xù)駛里程，完全滿足公交企業(yè)的日常運(yùn)營(yíng)需求，為豐富產(chǎn)品線，客車廠家也在大力推行混合動(dòng)力技術(shù)，為了提高節(jié)油率，國(guó)內(nèi)外廠家采用各種技術(shù)路線的混合動(dòng)力系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)受制于并聯(lián)技術(shù)不能突破，基本多為混聯(lián)系統(tǒng)，混聯(lián)系統(tǒng)布置靈活，控制多樣，但成本昂貴，節(jié)油不明顯，不能很好的為公交客車運(yùn)營(yíng)降低成本，本文重在介紹一種新型混合動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)創(chuàng)新，旨在研發(fā)一套結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、節(jié)油率高的混合動(dòng)力系統(tǒng)，兼?zhèn)湫阅芎统杀緝?yōu)勢(shì)，進(jìn)而推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，響應(yīng)國(guó)家政策節(jié)能減排，為混合動(dòng)力客車研發(fā)提供幫助。

關(guān)鍵詞：新一代 混合動(dòng)力 城市客車 ECVT 節(jié)能減排 節(jié)油率 功率分流

1 前言

目前，國(guó)內(nèi)混合動(dòng)力客車上采用的混合動(dòng)力總成幾乎全部為串-并聯(lián)形式，即混聯(lián)系統(tǒng)，其通常包括與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連接的發(fā)電機(jī)，曲軸通過(guò)主離合器（或者AMT變速箱）與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸通過(guò)輸出法蘭與傳動(dòng)軸連接后驅(qū)動(dòng)后橋。經(jīng)過(guò)眾多廠家在多種車型和線路上的具體運(yùn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，這一總成所能實(shí)現(xiàn)的混合動(dòng)力工況下的節(jié)油率極限為15%，若要進(jìn)一步提高非常困難，另一方面，這一混合動(dòng)力總成匹配的電池包容量也較大，成本較高，在補(bǔ)貼逐年下降到2020年取消的大環(huán)境下，其價(jià)格將不具有競(jìng)爭(zhēng)性，如下圖1，是現(xiàn)有的一種混合動(dòng)力系統(tǒng)。因此，從性能和成本兩方面來(lái)分析，混合動(dòng)力市場(chǎng)急需要一種新原理、新思路的混合動(dòng)力總成產(chǎn)品，兼具性能和成本優(yōu)勢(shì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目的

ECVT設(shè)計(jì)的主要目的是：

（1）進(jìn)一步提高節(jié)油率。最關(guān)鍵的技術(shù)措施是使得發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作在高效率區(qū)，因此必須使得發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與車速解耦，這一點(diǎn)是現(xiàn)有的混聯(lián)式或并聯(lián)式混合動(dòng)力總成根本無(wú)法做到的；

（2）降低成本。首先，要降低所需匹配的電池包的容量，電池容量占系統(tǒng)成本的一半以上，其次，要從驅(qū)動(dòng)電機(jī)本身進(jìn)行降本，電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化也直接決定了所需電量減少，成本下降。

（3）提高驅(qū)動(dòng)效率。顯然，不希望經(jīng)過(guò)多次大功率的“發(fā)動(dòng)機(jī)—電動(dòng)機(jī)—發(fā)動(dòng)機(jī)”的能量轉(zhuǎn)換，即希望相當(dāng)一部分發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力能不經(jīng)過(guò)能量轉(zhuǎn)換而直接驅(qū)動(dòng)車輛，如此才能提高系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效率.

為此，本次設(shè)計(jì)提出的基于雙行星排功率分流混合動(dòng)力總成（ECVT），著重克服了現(xiàn)有技術(shù)的混合動(dòng)力總成的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能和降低成本的目標(biāo)。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于以上目的，特設(shè)計(jì)ECVT結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn)：

·雙輸入軸和雙行星排。

·三個(gè)相同的電機(jī)及其控制器，其中兩個(gè)電機(jī)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電機(jī)，另一個(gè)主要作為發(fā)電機(jī)使用，無(wú)須開發(fā)新電機(jī)，可利用現(xiàn)有成熟的電機(jī)系統(tǒng)，生產(chǎn)一致性好。

·結(jié)構(gòu)緊湊，徑向尺寸小，軸向長(zhǎng)度短，即其體積不超過(guò)現(xiàn)有的AT自動(dòng)變速箱，可用于匹配是多種車型。具有技術(shù)先進(jìn)性和產(chǎn)品成本的創(chuàng)新。

2.3 技術(shù)參數(shù)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)完成后可以達(dá)到如下技術(shù)水平，業(yè)界領(lǐng)先。

·動(dòng)力總成最大輸出扭矩3000N/M

·動(dòng)力總成外形最大尺寸820mm*530mm*500mm

·單個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電機(jī)功率50/100KW，最大扭矩400N/M，最高轉(zhuǎn)速9500rpm。

·動(dòng)力總成輸出最大轉(zhuǎn)速3000rpm.

·動(dòng)力總成重量380KG

·動(dòng)力總成最大功率300KW

·動(dòng)力總成電壓512V

·動(dòng)力總成實(shí)現(xiàn)全工況無(wú)極調(diào)速。

·全工況發(fā)動(dòng)機(jī)一直處在高效區(qū)工作

3 方案原理

3.1系統(tǒng)聯(lián)結(jié)

ECVT混合動(dòng)力總成主要結(jié)構(gòu)及聯(lián)結(jié)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)1通過(guò)前傳動(dòng)4分別與第一行星排5和第二行星排6連接；第一電機(jī)2（MG1）與第一行星排5連接；第二行星排6通過(guò)第二電機(jī)3（MG2）與車輪9連接；第一行星排5與第二行星排6嚙合傳動(dòng)；換檔元件7用于第一行星排5或第二行星排6實(shí)現(xiàn)固定傳動(dòng)比，具體位置見(jiàn)圖3。

3.2 方案原理

（1）前傳動(dòng)4將發(fā)動(dòng)機(jī)1的動(dòng)力分解成旋轉(zhuǎn)方向相反的兩路動(dòng)力分別輸出到第一行星排5和第二行星排6；

（2）與發(fā)動(dòng)機(jī)1旋轉(zhuǎn)方向相反的一路動(dòng)力輸出到所述第一行星排5，與所述發(fā)動(dòng)機(jī)1旋轉(zhuǎn)方向相同的另一路動(dòng)力輸出到所述第二行星排6；

（3）第一行星排5包括：第一太陽(yáng)輪51、第一行星架52和第一齒圈53，第一行星架52與前傳動(dòng)4連接，第一電機(jī)2與第一太陽(yáng)輪51連接；

（4）第一齒圈53上還設(shè)有第一中間齒輪54，第一中間齒輪54與第二行星排6嚙合傳動(dòng)；

（5）第二行星排6包括：第二太陽(yáng)輪61、第二行星架62和第二齒圈63，第二太陽(yáng)輪61與前傳動(dòng)4連接，第二行星架62與第二電機(jī)3連接后與車輪8連接；

（6）發(fā)動(dòng)機(jī)1經(jīng)過(guò)前傳動(dòng)4分別驅(qū)動(dòng)第一行星架52和第二太陽(yáng)輪61，第一電機(jī)2工作在發(fā)電模式給蓄電裝置充電或者給第二電機(jī)3供電，第二電機(jī)3工作在電動(dòng)模式，與發(fā)動(dòng)機(jī)1共同驅(qū)動(dòng)車輪9。

（7）此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)1的部分動(dòng)力不經(jīng)過(guò)機(jī)電轉(zhuǎn)換后傳遞第二電機(jī)3上與其輸出動(dòng)力匯合后驅(qū)動(dòng)車輪9，發(fā)動(dòng)機(jī)1的其余動(dòng)力經(jīng)過(guò)第一電機(jī)2轉(zhuǎn)換成電能給蓄電裝置充電或者給第二電機(jī)3供電。

（8）由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速解耦，且發(fā)動(dòng)機(jī)的部分動(dòng)力可以不經(jīng)過(guò)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)換而參與驅(qū)動(dòng)車輪，因此發(fā)動(dòng)機(jī)可持續(xù)工作在高效區(qū)并可參與驅(qū)動(dòng)車輛，節(jié)油效果明顯且所需匹配的電池包小。

（9）根據(jù)第一行星排5和第二行星排6的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可得出以下關(guān)系式（1），其中，if為前傳動(dòng)4中發(fā)動(dòng)機(jī)1到第一行星架52的傳動(dòng)比，第一行星排5和第二行星排6的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分別為k1和k2，發(fā)動(dòng)機(jī)1的轉(zhuǎn)速、第一電機(jī)2的轉(zhuǎn)速和第二電機(jī)3的轉(zhuǎn)速分別為ne、nm1和nm2：

（10）由式（1）可知，該功率分流結(jié)構(gòu)的參數(shù)有if 、k1和k2，因此其參數(shù)優(yōu)選的空間明顯比只有一個(gè)分流行星排的方案的要大，因此可以得到性能更佳的分流結(jié)構(gòu)。

3.3 實(shí)現(xiàn)工況

功率分流混合動(dòng)力裝置可以實(shí)現(xiàn)以下各種工況：

停車時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī) 停車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)MG1發(fā)電 車輛低負(fù)荷工況 車輛低負(fù)荷工況行駛中啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)

不難看出，基于新原理的功率分流方案的布置，使得ECVT適合各種多變工況。

4系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

目前，國(guó)內(nèi)外小型車如乘用車混合系統(tǒng)品種繁多，但大型客車這方面的研究比較少，歐洲大客車企業(yè)研究的主要是并聯(lián)混合動(dòng)力，但是成本巨大，在國(guó)內(nèi)很難接受，國(guó)內(nèi)大客車應(yīng)用比較廣泛的是美國(guó)伊頓系統(tǒng)，也同樣存在性價(jià)比不高的問(wèn)題，此功率分流混合動(dòng)力系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

（1）采用了三只結(jié)構(gòu)相同的小電機(jī)，相比行業(yè)使用較多的一大一小電機(jī)方案，零部件通用化程度高，有利于后期維護(hù)保養(yǎng)，以及減少庫(kù)存?zhèn)浼?/p>

（2）整個(gè)ECVT系統(tǒng)沒(méi)有傳統(tǒng)的變速箱減速器，也沒(méi)有自動(dòng)離合器，除了在系統(tǒng)成本上的優(yōu)勢(shì)以外，也減少了變速換擋的故障點(diǎn)，減少了離合器控制的故障點(diǎn)，僅僅采用電機(jī)調(diào)速的方式，控制簡(jiǎn)單。

（3）整套系統(tǒng)采用密封結(jié)構(gòu)，管道水冷，容易實(shí)現(xiàn)新能源車IP67的絕緣要求。

（4）整體系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換高效，比常規(guī)的串、并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)更高效，也更節(jié)油。

基于以上優(yōu)勢(shì)，相信此系統(tǒng)的推廣應(yīng)用將會(huì)對(duì)行業(yè)產(chǎn)生極大的沖擊。

5總結(jié)

新一代城市客車功率分流混合動(dòng)力系統(tǒng)的推出，性能和成本優(yōu)勢(shì)明顯，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具備良好的維修接近性，將對(duì)業(yè)界產(chǎn)生巨大的影響。隨著項(xiàng)目研發(fā)的深入，需要進(jìn)一步進(jìn)行裝車試驗(yàn)，驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性及耐久性，相信在不久的將來(lái)匹配此系統(tǒng)的公交車將在各大城市街頭閃亮登場(chǎng)，為改善城市形象和節(jié)能減排工作做出巨大貢獻(xiàn)，也將受到公交用戶的熱烈歡迎。同時(shí)，本系統(tǒng)的研發(fā)思路和方法將為我國(guó)混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展提供良好的幫助和借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

齊仲安（漢），男；主要從事大客車整車設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理、質(zhì)量管理等工作