摘 要：隨著國家十三五規(guī)劃大力推廣新能源城市客車試點運營，各家企業(yè)均在純電動客車和混合動力客車之間選擇不同技術路線穩(wěn)步推進，純電動客車驅動控制原理簡單，但受制于電池技術無重大突破，導致整車整備質量難以大幅度下降，能量轉換損失較大，與此同時，很多客車廠家也在積極探索混合動力技術，混合動力客車擁有較好的續(xù)駛里程，完全滿足公交企業(yè)的日常運營需求，為豐富產(chǎn)品線，客車廠家也在大力推行混合動力技術，為了提高節(jié)油率，國內外廠家采用各種技術路線的混合動力系統(tǒng)，國內受制于并聯(lián)技術不能突破，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營降低成本，本文重在介紹一種新型混合動力系統(tǒng)的研發(fā)創(chuàng)新，旨在研發(fā)一套結構緊湊、成本低廉、節(jié)油率高的混合動力系統(tǒng)，兼?zhèn)湫阅芎统杀緝?yōu)勢，進而推進產(chǎn)業(yè)化，響應國家政策節(jié)能減排，為混合動力客車研發(fā)提供幫助。

關鍵詞：新一代 混合動力 城市客車 ECVT 節(jié)能減排 節(jié)油率 功率分流

1 前言

目前，國內混合動力客車上采用的混合動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)動機曲軸連接的發(fā)電機，曲軸通過主離合器（或者AMT變速箱）與驅動電機連接，驅動電機轉子軸通過輸出法蘭與傳動軸連接后驅動后橋。經(jīng)過眾多廠家在多種車型和線路上的具體運行結果統(tǒng)計表明，這一總成所能實現(xiàn)的混合動力工況下的節(jié)油率極限為15%，若要進一步提高非常困難，另一方面，這一混合動力總成匹配的電池包容量也較大，成本較高，在補貼逐年下降到2020年取消的大環(huán)境下，其價格將不具有競爭性，如下圖1，是現(xiàn)有的一種混合動力系統(tǒng)。因此，從性能和成本兩方面來分析，混合動力市場急需要一種新原理、新思路的混合動力總成產(chǎn)品，兼具性能和成本優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)設計

2.1 設計目的

ECVT設計的主要目的是：

（1）進一步提高節(jié)油率。最關鍵的技術措施是使得發(fā)動機主要工作在高效率區(qū)，因此必須使得發(fā)動機的轉速與車速解耦，這一點是現(xiàn)有的混聯(lián)式或并聯(lián)式混合動力總成根本無法做到的；

（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，要從驅動電機本身進行降本，電機系統(tǒng)結構優(yōu)化也直接決定了所需電量減少，成本下降。

（3）提高驅動效率。顯然，不希望經(jīng)過多次大功率的“發(fā)動機—電動機—發(fā)動機”的能量轉換，即希望相當一部分發(fā)動機動力能不經(jīng)過能量轉換而直接驅動車輛，如此才能提高系統(tǒng)驅動效率.

為此，本次設計提出的基于雙行星排功率分流混合動力總成（ECVT），著重克服了現(xiàn)有技術的混合動力總成的缺點，能夠實現(xiàn)高性能和降低成本的目標。

2.2 結構設計

基于以上目的，特設計ECVT結構如下圖2所示。

該系統(tǒng)結構在設計上具有以下特點：

·雙輸入軸和雙行星排。

·三個相同的電機及其控制器，其中兩個電機構成驅動電機，另一個主要作為發(fā)電機使用，無須開發(fā)新電機，可利用現(xiàn)有成熟的電機系統(tǒng)，生產(chǎn)一致性好。

·結構緊湊，徑向尺寸小，軸向長度短，即其體積不超過現(xiàn)有的AT自動變速箱，可用于匹配是多種車型。具有技術先進性和產(chǎn)品成本的創(chuàng)新。

2.3 技術參數(shù)

該系統(tǒng)結構在設計完成后可以達到如下技術水平，業(yè)界領先。

·動力總成最大輸出扭矩3000N/M

·動力總成外形最大尺寸820mm*530mm*500mm

·單個驅動電機電機功率50/100KW，最大扭矩400N/M，最高轉速9500rpm。

·動力總成輸出最大轉速3000rpm.

·動力總成重量380KG

·動力總成最大功率300KW

·動力總成電壓512V

·動力總成實現(xiàn)全工況無極調速。

·全工況發(fā)動機一直處在高效區(qū)工作

3 方案原理

3.1系統(tǒng)聯(lián)結

ECVT混合動力總成主要結構及聯(lián)結包括：發(fā)動機1通過前傳動4分別與第一行星排5和第二行星排6連接；第一電機2（MG1）與第一行星排5連接；第二行星排6通過第二電機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；換檔元件7用于第一行星排5或第二行星排6實現(xiàn)固定傳動比，具體位置見圖3。

3.2 方案原理

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

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

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

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

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

（6）發(fā)動機1經(jīng)過前傳動4分別驅動第一行星架52和第二太陽輪61，第一電機2工作在發(fā)電模式給蓄電裝置充電或者給第二電機3供電，第二電機3工作在電動模式，與發(fā)動機1共同驅動車輪9。

（7）此時發(fā)動機1的部分動力不經(jīng)過機電轉換后傳遞第二電機3上與其輸出動力匯合后驅動車輪9，發(fā)動機1的其余動力經(jīng)過第一電機2轉換成電能給蓄電裝置充電或者給第二電機3供電。

（8）由于發(fā)動機轉速與車輪轉速解耦，且發(fā)動機的部分動力可以不經(jīng)過機電機轉換而參與驅動車輪，因此發(fā)動機可持續(xù)工作在高效區(qū)并可參與驅動車輛，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的運動學方程，可得出以下關系式（1），其中，if為前傳動4中發(fā)動機1到第一行星架52的傳動比，第一行星排5和第二行星排6的結構特征參數(shù)分別為k1和k2，發(fā)動機1的轉速、第一電機2的轉速和第二電機3的轉速分別為ne、nm1和nm2：

（10）由式（1）可知，該功率分流結構的參數(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構。

3.3 實現(xiàn)工況

功率分流混合動力裝置可以實現(xiàn)以下各種工況：

停車時啟動發(fā)動機 停車時發(fā)動機驅動MG1發(fā)電 車輛低負荷工況 車輛低負荷工況行駛中啟動發(fā)動機

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

目前，國內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)混合動力，但是成本巨大，在國內很難接受，國內大客車應用比較廣泛的是美國伊頓系統(tǒng)，也同樣存在性價比不高的問題，此功率分流混合動力系統(tǒng)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：

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

（2）整個ECVT系統(tǒng)沒有傳統(tǒng)的變速箱減速器，也沒有自動離合器，除了在系統(tǒng)成本上的優(yōu)勢以外，也減少了變速換擋的故障點，減少了離合器控制的故障點，僅僅采用電機調速的方式，控制簡單。

（3）整套系統(tǒng)采用密封結構，管道水冷，容易實現(xiàn)新能源車IP67的絕緣要求。

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

基于以上優(yōu)勢，相信此系統(tǒng)的推廣應用將會對行業(yè)產(chǎn)生極大的沖擊。

5總結

新一代城市客車功率分流混合動力系統(tǒng)的推出，性能和成本優(yōu)勢明顯，且結構簡單，具備良好的維修接近性，將對業(yè)界產(chǎn)生巨大的影響。隨著項目研發(fā)的深入，需要進一步進行裝車試驗，驗證本系統(tǒng)的可靠性及耐久性，相信在不久的將來匹配此系統(tǒng)的公交車將在各大城市街頭閃亮登場，為改善城市形象和節(jié)能減排工作做出巨大貢獻，也將受到公交用戶的熱烈歡迎。同時，本系統(tǒng)的研發(fā)思路和方法將為我國混合動力系統(tǒng)發(fā)展提供良好的幫助和借鑒作用。

參考文獻：

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[2] 王曉林， 海格公交客車混聯(lián)式氣電混合動力系統(tǒng)， 《汽車電器》 ，2014 （12） ：48-54

[3] 劉華，宇通公交車插電式混聯(lián)氣電混合動力系統(tǒng)詳解（一），《汽車維護與修理》 ，2015 （5）

作者簡介：

齊仲安（漢），男；主要從事大客車整車設計、項目管理、質量管理等工作