三菱扶桑卡客车公司的新型混合动力系统

【日】 三菱扶桑卡客车公司

三菱扶桑卡客车公司的新型混合动力系统

【日】 三菱扶桑卡客车公司

三菱扶桑卡客车公司于2010年将Canter货车推向市场，该车型配装双离合变速器DUONICR○，并与单电动机相结合，构成混合动力系统。如今，新一代的Canter混合动力车型已作为环保型混合动力车进入市场。介绍了新型混合动力系统的结构、工作原理及其他新装备。

混合动力系统 双离合变速器 结构 工作原理

1 概述

三菱扶桑卡客车公司于2012年5月向市场推出新一代的环保型混合动力货车Canter。该车型的基础车型是于2010年10月被投放市场的Canter车，而此次上市的混合动力车所采用的混合动力系统因其全新的结构而受到广泛关注。

作为基础车型的Canter车配装2.998 L的直列4缸涡轮增压4P10型柴油机（图1），其低转速区域的扭矩得到提升，同时采用柴油颗粒捕集器（DPF），以及能降低氮氧化物（NOx）排放的尿素选择性催化还原（SCR）转化器（图2），不仅能满足极为严格的日本2009年排放法规的要求，而且达到了日本2015年重型车燃油耗标准。这一新型Canter车因采用新开发的双离合变速器而受到广泛关注。就三菱扶桑卡客车公司开发的这一名为“DUONICR○”的变速器工作原理而言，与Volkswagen公司等欧洲汽车制造商在乘用车上广泛采用的双离合变速器的工作原理基本类似。

图1 采用多项新技术的4P10型柴油机

在此次新开发的环保型混合动力车Canter上，将双离合变速器与混合动力专用的电动机相结合，构成了全新的混合动力系统。双离合器中的外侧离合器（偶数档齿轮侧）内置电动机，这一结构独特的混合动力系统是前所未有的。本文将介绍该混合动力系统的核心技术。

图2 降低颗粒排放的DPF，以及降低NO x排放的尿素SCR转化器

2 混合动力系统的结构

从以往混合动力车的驱动系统来看，一般都采用像丰田公司混合动力系统那样的差速器型式，或是在飞轮后方变速器的输入轴上设置电动机的并联式系统。此外，部分混合动力车也采用在动力输出轴上配置电动机的系统。

此次开发的新一代Canter环保型混合动力货车所采用的混合动力系统是在飞轮后方变速器的输入轴上设置电动机，虽然从这一点来讲，这属于并联式混合动力系统（图3），但其发动机与电动机能够分别以不同的转速旋转，这是因为采用了双离合器型式的变速器DUONICR○，所以可将其看作是一种独特的新型混合动力系统。

在双离合变速器中，有分别与2个离合器（内离合器与外离合器）接合的奇数档（1档、3档、5档）齿轮组与偶数档（2档、4档、6档）齿轮组，可通过切换离合器，依次切换这些齿轮。Canter车所采用的混合动力系统是在变速器的2根轴中，在有偶数档齿

轮的轴上设置功率40.0 k W、扭矩200 N·m的电动机。即使配置了电动机，变速器的全长也只有110 mm左右，这一紧凑的布局也是这种混合动力系统的特点之一（图4，图5，图6）。

图3 从发动机到离合器、电动机、变速器、轮胎实现机械接合的并联式混合动力系统

图4 组合了双离合变速器DUONICR○与专用电动机的混合动力系统

作为构成混合动力系统的重要零件，蓄电池不采用镍氢电池，而是采用容量为7.5 A·h、270 V的锂离子电池（图7）。

3 混合动力系统的工作

3.1 怠速

在发动机起动后遭遇停车的情况下，如果发动机处于怠速运转状态，2个离合器均处于断开状态，发动机的动力就无法传递到变速器一侧。因此，发动机就无法带动电动机旋转，在停车过程中也无法通过发动机的旋转带动混合动力专用的电动机（兼作发电机）旋转，从而为锂离子电池充电。

图5 配装专用的高功率（比原来提高5 k W）、高转速（5 000 r/min）电动机，并采用与DUONICR○共用的油冷式冷却系统，提高了冷却效率

图6 DUONICR○内安装超薄型电动机/发电机

图7 采用强化型锂离子电池，相比传统电池增加容量36％

而新车型由于具备怠速停止功能，当行车状态满足设定条件，在市区道路行驶的过程中遭遇停车时，系统会同时停止发动机的旋转，从而避免怠速运转状态的出现。

3.2 车辆起步

车辆在平坦的道路上起步时，内离合器和外离合器均处于断开状态，发动机的旋转动力并不传递至变速器一侧，车辆只利用电动机的驱动力实现起步（图8）。这时，偶数档齿轮组挂2档齿轮，所以，利用2档齿轮并凭借电动机的动力起步。此时的发动机处于怠速状态，奇数档齿轮组挂3档齿轮，并等待离合器的接合。利用电动机实现起步，不仅能实现车辆的顺畅起步，而且能毫无阻碍地实现车辆滑行，这也是新系统的优点之一。不过，当出现蓄电池充电量较少，或是电动机过热的情况，就无法利用电动机起步，系统会自动切换至利用发动机实现车辆滑行。

图8 车辆起步时内离合器与外离合器均未接合，只利用电动机实现起步

3.3 上坡起步及快速起步

当车辆加速踏板开度较大，系统会自动将其判断为上坡起步或快速起步，此时，内离合器会尽快接合，利用发动机3档结合电动机2档实现加速（图9）。但是，在较陡的坡道上起步时，系统会自动接合外离合器，选择由发动机2档结合电动机2档实现起步，或是由发动机1档结合电动机2档实现起步。

图9 在上坡起步与需要急加速的情况下接合内离合器，利用发动机与电动机的动力实现强劲的加速

3.4 起步加速

在借助电动机起步之后，如要在利用电动机平稳滑行的状态下实现平坦路段的顺畅加速，则系统会增加电动机的驱动扭矩，进而利用电动机持续加速，之后，一旦车速提高，发动机的转速会从怠速提高到3档行驶的转速，此时，系统会逐渐接合内离合器，开始利用发动机与电动机的动力行驶（图10）。

3.5 通常行驶状态

在通常的低速行驶状态下，由于柴油机自身的效率较高，所以无需电动机提供辅助动力，而只用柴油机驱动行驶（图11）。但是，在加速等需要更大功率的情况下，可使用电动机提供辅助动力。在由电动机提供辅助动力的情况下，利用奇数档齿轮（1档、3档、5档）行驶时，电动机通过偶数档齿轮提供辅助动力（图12）。此时被选择提供辅助动力的电动机偶数档档位会根据加速状态依次切换其控制单元。而在车辆使用偶数变速档位行驶时，电动机选择与以柴油机动力行驶时相同的齿轮变速档位来提供辅助动力（图13）。也就是说，在环保型混合动力车中，发动机与电动机的转速并不像普通的并联式混合动力车那样固定为一对一的形式，而是依据具体情况，电动机的转速可通过偶数变速档齿轮来确定。所以，电动机能以不同于柴油机的转速来提供辅助动力，这也是该混合动力系统的特点之一。

图10 在通常起步并加速的情况下，利用电动机的动力起步，并随着车速的提升，平稳地切换至由发动机结合电动机驱动行驶

图11 在车速变化较少的通常行驶工况下，为有效发挥柴油机的效率，不使用电动机提供辅助动力

图12 在内离合器接合后利用奇数变速档位行驶时，可利用电动机的偶数变速档位提供辅助动力

3.6 减速时

在制动减速时，电动机会起到再生制动发电机的作用，这与其他混合动力车是相同的（图14）。在利用发动机5档结合电动机6档行驶的情况下，若驾驶者将脚从加速踏板移至制动踏板，系统控制单元会判断驾驶者有减速意图，从而自动将变速器切换为发动机5档结合电动机4档的行驶模式。此时，若继续踩下制动踏板，与发动机直接接合的5档内离合器将会断开，使发动机保持怠速状态，而电动机4档将起到发电机的作用，发挥再生制动功能，向混合动力专用蓄电池充电（图15）。

图13 在外离合器接合后利用偶数变速档位行驶时，同轴配置的电动机可为柴油机提供辅助扭矩

图14 减速时电动机作为发电机，利用再生制动能量向蓄电池充电

图15 在制动能量再生过程中，只利用电动机获取制动力时，2个离合器被断开，以便在更大的范围内实现再生制动功能

4 环保型混合动力车的装备

传统的Canter混合动力车设有电动机专用的冷却系统，而新环保型混合动力车的冷却系统使用DUONICR○专用的自动变速器油实施冷却（图16）。混合动力系统的锂离子电池采用风冷方式冷却，控制电动机的逆变器则采用专用的水冷方式。蓄电池被收纳在坚固的钢质壳体中，以保护其免受外部冲击的损害。蓄电池壳体侧面设有高压断路开关，一旦出现意外情况，可及时切断270 V的高电压以实施救援作业（图17）。

图16 冷却系统由传统的水冷方式改为油冷方式，减轻了质量，并提高了空间效率

图17 锂离子电池采用坚固的钢质壳体结构，以及能防止过度充电的蓄电池管理系统，确保了安全性，在需要救援作业时，能用手动方式断开高电压

由于混合动力专用的电动机位于变速器一侧，所以无法将其作为发动机的起动电机使用。发动机中备有与传统Canter车相同的起动电机，同时也配装了发电机。

5 结语

新开发的Canter环保型混合动力车应用更为合理的技术理念，使其燃油经济性得到改善，燃油耗达到同等级车辆的最高水平（12.8 km/L），由此，混合动力技术的优势可见一斑。也许今后这一型式的混合动力系统也会出现在采用双离合变速器的乘用车上，对此值得予以关注。

彭惠民 译自 自動車工学，2012，9

朱晓蓉 校

朱晓蓉 编辑

2013-08-27）

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