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(shù)路線穩(wěn)步推進,純電動客車驅(qū)動控制原理簡單,但受制于電池技術(shù)無重大突破,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,很多客車廠家也在積極探索混合動力技術(shù),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(shù),為了提高節(jié)油率,國內(nèi)外廠家采用各種技術(shù)路線的混合動力系統(tǒng),國內(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(jié)構(gòu)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(yīng)國家政策節(jié)能減排,為混合動力客車研發(fā)提供幫助。
關(guān)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(nèi)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(qū)動電機連接,驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子軸通過輸出法蘭與傳動軸連接后驅(qū)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(jié)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(shè)計
2.1 設(shè)計目的
ECVT設(shè)計的主要目的是:
(1)進一步提高節(jié)油率。最關(guān)鍵的技術(shù)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(zhuǎn)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(qū)動電機本身進行降本,電機系統(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(zhuǎn)換,即希望相當(dāng)一部分發(fā)動機動力能不經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換而直接驅(qū)動車輛,如此才能提高系統(tǒng)驅(qū)動效率.
為此,本次設(shè)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(shù)的混合動力總成的缺點,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
基于以上目的,特設(shè)計ECVT結(jié)構(gòu)如下圖2所示。
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在設(shè)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(gòu)成驅(qū)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(jié)構(gòu)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(shù)先進性和產(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)計完成后可以達(dá)到如下技術(shù)水平,業(yè)界領(lǐng)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(qū)動電機電機功率50/100KW,最大扭矩400N/M,最高轉(zhuǎn)速9500rpm。
·動力總成輸出最大轉(zhuǎn)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(diào)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(jié)
ECVT混合動力總成主要結(jié)構(gòu)及聯(lián)結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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;
(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(qū)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(qū)動車輪9。
(7)此時發(fā)動機1的部分動力不經(jīng)過機電轉(zhuǎn)換后傳遞第二電機3上與其輸出動力匯合后驅(qū)動車輪9,發(fā)動機1的其余動力經(jīng)過第一電機2轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速解耦,且發(fā)動機的部分動力可以不經(jīng)過機電機轉(zhuǎn)換而參與驅(qū)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(qū)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(xué)方程,可得出以下關(guān)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(jié)構(gòu)特征參數(shù)分別為k1和k2,發(fā)動機1的轉(zhuǎn)速、第一電機2的轉(zhuǎn)速和第二電機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(qū)動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(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)混合動力,但是成本巨大,在國內(nèi)很難接受,國內(nèi)大客車應(yīng)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(jié)構(gòu)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(diào)速的方式,控制簡單。
(3)整套系統(tǒng)采用密封結(jié)構(gòu),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(zhuǎn)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(yīng)用將會對行業(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力系統(tǒng)的推出,性能和成本優(yōu)勢明顯,且結(jié)構(gòu)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(xiàn),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。
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作者簡介:
齊仲安(漢),男;主要從事大客車整車設(shè)計、項目管理、質(zhì)量管理等工作