新一代城市客车功率分流混合动力系统（ECVT）的研发

摘 要：随着国家十三五规划大力推广新能源城市客车试点运营，各家企业均在纯电动客车和混合动力客车之间选择不同技术路线稳步推进，纯电动客车驱动控制原理简单，但受制于电池技术无重大突破，导致整车整备质量难以大幅度下降，能量转换损失较大，与此同时，很多客车厂家也在积极探索混合动力技术，混合动力客车拥有较好的续驶里程，完全满足公交企业的日常运营需求，为丰富产品线，客车厂家也在大力推行混合动力技术，为了提高节油率，国内外厂家采用各种技术路线的混合动力系统，国内受制于并联技术不能突破，基本多为混联系统，混联系统布置灵活，控制多样，但成本昂贵，节油不明显，不能很好的为公交客车运营降低成本，本文重在介绍一种新型混合动力系统的研发创新，旨在研发一套结构紧凑、成本低廉、节油率高的混合动力系统，兼备性能和成本优势，进而推进产业化，响应国家政策节能减排，为混合动力客车研发提供帮助。

关键词：新一代 混合动力 城市客车 ECVT 节能减排 节油率 功率分流

1 前言

目前，国内混合动力客车上采用的混合动力总成几乎全部为串-并联形式，即混联系统，其通常包括与发动机曲轴连接的发电机，曲轴通过主离合器（或者AMT变速箱）与驱动电机连接，驱动电机转子轴通过输出法兰与传动轴连接后驱动后桥。经过众多厂家在多种车型和线路上的具体运行结果统计表明，这一总成所能实现的混合动力工况下的节油率极限为15%，若要进一步提高非常困难，另一方面，这一混合动力总成匹配的电池包容量也较大，成本较高，在补贴逐年下降到2020年取消的大环境下，其价格将不具有竞争性，如下图1，是现有的一种混合动力系统。因此，从性能和成本两方面来分析，混合动力市场急需要一种新原理、新思路的混合动力总成产品，兼具性能和成本优势。

2 系统设计

2.1 设计目的

ECVT设计的主要目的是：

（1）进一步提高节油率。最关键的技术措施是使得发动机主要工作在高效率区，因此必须使得发动机的转速与车速解耦，这一点是现有的混联式或并联式混合动力总成根本无法做到的；

（2）降低成本。首先，要降低所需匹配的电池包的容量，电池容量占系统成本的一半以上，其次，要从驱动电机本身进行降本，电机系统结构优化也直接决定了所需电量减少，成本下降。

（3）提高驱动效率。显然，不希望经过多次大功率的“发动机—电动机—发动机”的能量转换，即希望相当一部分发动机动力能不经过能量转换而直接驱动车辆，如此才能提高系统驱动效率.

为此，本次设计提出的基于双行星排功率分流混合动力总成（ECVT），着重克服了现有技术的混合动力总成的缺点，能够实现高性能和降低成本的目标。

2.2 结构设计

基于以上目的，特设计ECVT结构如下图2所示。

该系统结构在设计上具有以下特点：

·双输入轴和双行星排。

·三个相同的电机及其控制器，其中两个电机构成驱动电机，另一个主要作为发电机使用，无须开发新电机，可利用现有成熟的电机系统，生产一致性好。

·结构紧凑，径向尺寸小，轴向长度短，即其体积不超过现有的AT自动变速箱，可用于匹配是多种车型。具有技术先进性和产品成本的创新。

2.3 技术参数

该系统结构在设计完成后可以达到如下技术水平，业界领先。

·动力总成最大输出扭矩3000N/M

·动力总成外形最大尺寸820mm*530mm*500mm

·单个驱动电机电机功率50/100KW，最大扭矩400N/M，最高转速9500rpm。

·动力总成输出最大转速3000rpm.

·动力总成重量380KG

·动力总成最大功率300KW

·动力总成电压512V

·动力总成实现全工况无极调速。

·全工况发动机一直处在高效区工作

3 方案原理

3.1系统联结

ECVT混合动力总成主要结构及联结包括：发动机1通过前传动4分别与第一行星排5和第二行星排6连接；第一电机2（MG1）与第一行星排5连接；第二行星排6通过第二电机3（MG2）与车轮9连接；第一行星排5与第二行星排6啮合传动；换档元件7用于第一行星排5或第二行星排6实现固定传动比，具体位置见图3。

3.2 方案原理

（1）前传动4将发动机1的动力分解成旋转方向相反的两路动力分别输出到第一行星排5和第二行星排6；

（2）與发动机1旋转方向相反的一路动力输出到所述第一行星排5，与所述发动机1旋转方向相同的另一路动力输出到所述第二行星排6；

（3）第一行星排5包括：第一太阳轮51、第一行星架52和第一齿圈53，第一行星架52与前传动4连接，第一电机2与第一太阳轮51连接；

（4）第一齿圈53上还设有第一中间齿轮54，第一中间齿轮54与第二行星排6啮合传动；

（5）第二行星排6包括：第二太阳轮61、第二行星架62和第二齿圈63，第二太阳轮61与前传动4连接，第二行星架62与第二电机3连接后与车轮8连接；

（6）发动机1经过前传动4分别驱动第一行星架52和第二太阳轮61，第一电机2工作在发电模式给蓄电装置充电或者给第二电机3供电，第二电机3工作在电动模式，与发动机1共同驱动车轮9。

（7）此时发动机1的部分动力不经过机电转换后传递第二电机3上与其输出动力汇合后驱动车轮9，发动机1的其余动力经过第一电机2转换成电能给蓄电装置充电或者给第二电机3供电。

（8）由于发动机转速与车轮转速解耦，且发动机的部分动力可以不经过机电机转换而参与驱动车轮，因此发动机可持续工作在高效区并可参与驱动车辆，节油效果明显且所需匹配的电池包小。

（9）根据第一行星排5和第二行星排6的运动学方程，可得出以下关系式（1），其中，if为前传动4中发动机1到第一行星架52的传动比，第一行星排5和第二行星排6的结构特征参数分别为k1和k2，发动机1的转速、第一电机2的转速和第二电机3的转速分别为ne、nm1和nm2：

（10）由式（1）可知，该功率分流结构的参数有if 、k1和k2，因此其參数优选的空间明显比只有一个分流行星排的方案的要大，因此可以得到性能更佳的分流结构。

3.3 实现工况

功率分流混合动力装置可以实现以下各种工况：

停车时启动发动机 停车时发动机驱动MG1发电 车辆低负荷工况 车辆低负荷工况行驶中启动发动机

不难看出，基于新原理的功率分流方案的布置，使得ECVT适合各种多变工况。

4系统优势

目前，国内外小型车如乘用车混合系统品种繁多，但大型客车这方面的研究比较少，欧洲大客车企业研究的主要是并联混合动力，但是成本巨大，在国内很难接受，国内大客车应用比较广泛的是美国伊顿系统，也同样存在性价比不高的问题，此功率分流混合动力系统的主要优势体现在：

（1）采用了三只结构相同的小电机，相比行业使用较多的一大一小电机方案，零部件通用化程度高，有利于后期维护保养，以及减少库存备件。

（2）整个ECVT系统没有传统的变速箱减速器，也没有自动离合器，除了在系统成本上的优势以外，也减少了变速换挡的故障点，减少了离合器控制的故障点，仅仅采用电机调速的方式，控制简单。

（3）整套系统采用密封结构，管道水冷，容易实现新能源车IP67的绝缘要求。

（4）整体系统能量转换高效，比常规的串、并联混合动力系统更高效，也更节油。

基于以上优势，相信此系统的推广应用将会对行业产生极大的冲击。

5总结

新一代城市客车功率分流混合动力系统的推出，性能和成本优势明显，且结构简单，具备良好的维修接近性，将对业界产生巨大的影响。随着项目研发的深入，需要进一步进行装车试验，验证本系统的可靠性及耐久性，相信在不久的将来匹配此系统的公交车将在各大城市街头闪亮登场，为改善城市形象和节能减排工作做出巨大贡献，也将受到公交用户的热烈欢迎。同时，本系统的研发思路和方法将为我国混合动力系统发展提供良好的帮助和借鉴作用。

参考文献：

[1] 钱皓，新型混联式混合动力系统的动力合成装置， 《上海汽车》 ，2006（7）：6-8

[2] 王晓林， 海格公交客车混联式气电混合动力系统， 《汽车电器》 ，2014 （12） ：48-54

[3] 刘华，宇通公交车插电式混联气电混合动力系统详解（一），《汽车维护与修理》 ，2015 （5）

作者简介：

齐仲安（汉），男；主要从事大客车整车设计、项目管理、质量管理等工作