陸祖漢

（廣西玉柴芯藍新能源動力科技有限公司，南寧 530000）

1 混動電驅(qū)無級變速原理

傳統(tǒng)的動力總成系統(tǒng)如圖1所示，主要包括前驅(qū)動橋、后驅(qū)動橋、分動箱、最終傳動、制動器、離合器、變速箱以及動力輸出系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，文章提出混動電驅(qū)無級變速傳動系統(tǒng)。

圖1 傳統(tǒng)的動力總成系統(tǒng)原理圖

混動電驅(qū)無級變速傳動系統(tǒng)包含發(fā)動機（Internal Combustion Engine，ICE）、FISG發(fā)電機、驅(qū)動電機、區(qū)段變速箱、動力輸出（Power Take Off，PTO）軸、發(fā)電機控制器（Generator Control Unit，GCU）、驅(qū)動電機控制器（Moter Control Unit，MCU）、電源分配單元（Power Distribution Unit，PDU）、儲能單元以及一級外部擴展充/放電接口。

PTO傳動箱的傳動軸穿過主驅(qū)電機和變速箱后和發(fā)動機動力連接，后橋采用后主驅(qū)動電機+變速器驅(qū)動，變速箱動力輸出到分動箱后傳輸?shù)角皹?，即前橋采用變速箱分動機械驅(qū)動，發(fā)動機與PTO傳動箱直接傳動連接用于提供輸出動力。發(fā)動機與發(fā)電機連接，通過高壓配電盒向主驅(qū)電機和儲能單元提供電能。儲能單元通過高壓配電盒向后主驅(qū)動電機提供電能，也可通過高壓配電盒向外部提供電能。外部電能通過高壓配電盒向儲能單元供電。整車利用電機低速大扭矩、轉(zhuǎn)速范圍寬的特性，不進行變速箱檔位切換，直接使用電機調(diào)速，實現(xiàn)了作業(yè)過程的無級變速，具體技術(shù)原理如圖2所示[1-3]。

圖2 混動電驅(qū)無級變速原理圖

2 混動電驅(qū)無級變速動力在重型拖拉機上的應用

重型拖拉機的混動電驅(qū)無極變速動力系統(tǒng)采用發(fā)動機、FISG電機、驅(qū)動電機、變速箱同軸一體化設(shè)計。后橋采用主驅(qū)動電機+變速器驅(qū)動，變速箱動力輸出到分動箱后傳輸?shù)角皹颍辞皹虿捎米兯傧浞謩訖C械驅(qū)動，發(fā)動機與FISG電機、驅(qū)動電機、變速箱采用同軸一體化方案設(shè)計，系統(tǒng)高度集成化，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足多種安裝需求。其中，F(xiàn)ISG電機峰值發(fā)電功率200 kW，主驅(qū)電機峰值功率達250 kW，峰值扭矩達1 500 N·m，峰值轉(zhuǎn)速達3 600 r·m-1，配合區(qū)段變速箱，可實現(xiàn)整車0～50 km·h-1的速度需求。

采用混動電驅(qū)無級變速動力總成技術(shù)的拖拉機，可以實現(xiàn)全時、分時四驅(qū)，有防滑，有引擎聯(lián)接的PTO傳動箱。該系統(tǒng)在技術(shù)上具有很強的整合性和模塊性，完成了對拖拉機的改造。動力總成部分由發(fā)動機、發(fā)電機、驅(qū)動電機以及區(qū)段變速箱等構(gòu)成，適用于147.10～220.65 kW·h（即200～300馬力）段重型拖拉機[4]。

3 ECVT動力總成設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 ECVT動力總成集成技術(shù)

電子控制無級變速器（Eletro-Continuously Variable Transmission，ECVT）動力總成如圖3所示，采用的是發(fā)動機、FISG電機、驅(qū)動電機、變速箱同軸一體化設(shè)計，后橋采用主驅(qū)動電機+變速器驅(qū)動，變速箱動力輸出到分動箱后傳輸?shù)角皹颍辞皹虿捎米兯傧浞謩訖C械驅(qū)動，可以實現(xiàn)全時、分時四驅(qū)，還可以實現(xiàn)左右差速和防滑。PTO傳動箱由發(fā)動機連接來提供動力，配置一個儲能單元，可以實現(xiàn)外接充/放電和純電行駛，而且具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點，充分發(fā)揮了電機低速大扭矩、轉(zhuǎn)速范圍寬的特點。它不需要進行變速箱檔位切換，而是直接使用電機調(diào)速，實現(xiàn)了作業(yè)過程的無級變速[5]。

圖3 ECVT動力總成能量流

因此，ECVT動力總成的拖拉機的行使模式可以根據(jù)能量流的不同，分為純電行使、助力模式、補電模式、回饋模式和PTO作業(yè)模式。

（1）純電模式：發(fā)動機停機，主驅(qū)電機從高壓動力電池獲取驅(qū)動能量。

（2）助力模式：發(fā)動機運行，由FISG和高壓動力電池共同為主驅(qū)電機提供能量。

（3）補電模式：發(fā)動機運行，F(xiàn)ISG輸出的能量一部分用于驅(qū)動，一部分用于高壓電池補電。

（4）回饋模式：整車制動時，通過主驅(qū)電機回收制動能量。

（5）PTO作業(yè)模式：發(fā)動機定轉(zhuǎn)速運行，F(xiàn)ISG發(fā)電以提供整車驅(qū)動所需能量。

3.2 電驅(qū)無級變速控制技術(shù)

以拖拉機進行PTO驅(qū)動的農(nóng)業(yè)機械作業(yè)為例，闡述電驅(qū)無級變速控制技術(shù)的應用。

拖拉機對路面負荷的需求轉(zhuǎn)矩比較小，此時拖拉機采取了一種速度耦合并聯(lián)的方式。在PTO操作中，F(xiàn)ISG發(fā)電以提供整車驅(qū)動所需能量，并對發(fā)動機進行穩(wěn)定速度的協(xié)同控制，使得PTO軸的速度處于常速條件下。驅(qū)動電機利用速度調(diào)整將驅(qū)動電機的最佳輸出扭矩控制在與PTO工作發(fā)動機的最低速度時輸出扭矩與最高速度時的輸出扭矩之間。

在進行輕載運輸?shù)倪\行狀態(tài)下，拖拉機發(fā)動機停機，使用純電動運行方式，主驅(qū)電機從高壓動力電池獲取驅(qū)動能量。拖拉機實際運行過程中，電池管理系統(tǒng)將電能使用狀態(tài)反饋給整機控制器，而拖拉機整機控制器會通過輸入電能信號狀態(tài)對其進行判定。如果輕載，那么會開啟純電動運行方式。通過調(diào)整離合器狀態(tài)，使得輕載擋主動齒輪與輕載擋從動齒輪嚙合。司機會按照需要的速度調(diào)整擋位狀態(tài)，通過控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)拖拉機的速度調(diào)整。

當拖拉機進行大轉(zhuǎn)矩輸出尤其是行駛過程中的阻力矩比較大時，拖拉機整機控制器會通過輸入電能信號狀態(tài)進行判定其是否是重載運行模式。拖拉機采取轉(zhuǎn)矩耦合并聯(lián)的方式。當拖拉機實施耕地等大阻力矩操作時，在油壓的作用下，拖拉機的懸架在液壓作用下下降，使拖拉機開始耕地作業(yè)。在耕地作業(yè)時，該電動機會依據(jù)所需的動力負荷，由FISG和高壓動力電池共同為主驅(qū)電機提供能量，對其進行最優(yōu)化的力矩補償。

4 結(jié)語

通過研究拖拉機動力總成技術(shù)，開發(fā)“發(fā)動機+發(fā)電機+驅(qū)動電機+變速箱”的ECVT動力總成技術(shù)，滿足重型拖拉機的需求。此外，開發(fā)拖拉機電驅(qū)動總成的控制技術(shù)，使得傳動效率較液壓機械無級變速器（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission，HMCVT）整體提高5%左右，打破了國外對無級變速的長期壟斷，開創(chuàng)了重型拖拉機混合驅(qū)動無級變速國產(chǎn)化新時代，標志著重型拖拉機向低碳化、智能化和可持續(xù)方向發(fā)展。