一种并联式混合动力客车驱动系统新构型

林宜备

（厦门金龙旅行车有限公司，福建厦门361000）

节能与新能源汽车市场正处于飞速发展的黄金时期，随着市场的发展，对混合动力驱动系统的成本、稳定性、节油率、系统寿命、舒适性等提出了更高要求。当前国内各主流混合动力系统方案，在各具特色的同时也均存有不足。

当前主流混动结构包括[1-5]：

1）ISG 混联系统 即 “发动机+弹性减震器+ISG 电机+传统干式离合器+90 kW 驱动电机+驱动桥”方案，这种ISG 混联系统是从BSG 混联系统上发展而来；

2）AMT 并联系统 即“发动机+弹性减震器+ISG 电机+离合器+AMT+驱动桥”方案；

3）EMT 并联系统 即 “发动机+弹性减震器+ISG 电机+EMT+驱动桥”方案。

当前国内混联系统城市客车保有量在15000以上，占混合动力城市客车保有量的60%左右，该系统的优点是平顺性好、控制简单、具有较好的节油率，缺点是不带变速箱的系统满载时爬长坡能力较差且系统成本较高；另外，当前国内AMT/EMT并联系统城市客车保有量在6000辆以上，占混合动力城市客车保有量的30%左右，该系统的优点是爬坡能力强、系统故障时可切换至常规车模式营运、系统成本较低，缺点是系统受国内AMT/EMT产品性能限制，导致换挡速度、换挡噪音以及节油率并没有达到期望水平[6-8]。

为实现混合动力系统的低成本、高稳定性、高节油率、长寿命、高舒适性。在研究国内外各种构型的特点之后，提出了一种带前二后二行星变速箱的新型并联式混合动力驱动系统（DTMDT）：“发动机+弹性连接器+两挡行星箱+70kW 驱动电机+两挡行星箱+驱动桥”，该系统理论上具备了上述所需要求。

1 构型简述

如图1所示，DTMDT系统由燃油/燃气发动机、弹性连接器、后二行星变速箱、驱动电机、前二行星变速箱、驱动变频器、整车控制器、电池/电容包等组成。

图1 DTMDT系统结构原理图

DTMDT系统结合纯电模式，电机不需要多个挡位，而纯内燃机驱动则需要，采用前二后二分合设计理念，全新布局结构。“分”是将4挡变速箱进行模块化处理，以2个2挡行星变速箱的2×2组合方式实现4个挡位；巧妙利用后二行星变速箱取代传统并联HEV系统的电控离合器，实现双速离合器功能；由前二行星变速箱控制驱动电机在高速、低速情况下的制动能量回收，增强制动能量回收控制的平顺性；实现纯发动机驱动、纯电机驱动、发动机和电机混合驱动的良好结合，实现储能电量平衡规律化控制、发动机和驱动电机高效区运行、机电一体化紧凑设计、全新轻量化设计。

2 系统参数设计

2.1 速比设计

前二行星变速箱速比（靠近后桥）为B1（3.317）和B2（1.243）；后二行星变速箱速比（靠近发动机）为B3（1.39）和B4（0.804）；每个挡位都做成带空挡，都可以实现半联动，实际情况是亏电情况通常为最低速的1挡，因此，气路上需要进行半联动的只有1挡。动力总成系统传动比如表1所示。发动机驱动时，构成4个前进挡；电机驱动时，构成2个前进挡和2个倒挡。不同驱动模式下的挡位组合方式和组合速比如表2所示。

表1 动力总成系统系统传动比

表2 不同驱动模式

2.2 系统转速匹配、电机参数设计及总成

1）速度区间分析

以发动机为控制对象时，发动机转速应尽量控制在900～1600 r·min-1，驱动电机对应转速在681～1990 r·min-1之间。工作区间分布如表3所示。

2）驱动电机参数设计

额定转速 1500 r·min-1、额定电压 220 Vac、额定功率70 kW；使用时，驱动电机转速通常在2736 r·min-1之下，极限转速 3731 r·min-1，可采用常规2 对极电机。

表3 发动机工作区间分布

3）动力总成匹配

纯电机驱动时，采用B1（3.317）挡位，驱动力矩大，电机 0～1990r·min-1对应车速 0～17.97km·h-1，在0～17.97 km·h-1车速时所需电量较少，可考虑匹配少电容方案或纯电池方案。

制动回收时，前二行星变速箱B1（3.317）和B2（1.243）2个挡位，对应低速（小于17.97 km·h-1）和高速（大于17.97 km·h-1），减少了换挡控制，提高了制动能量回收效率。

在系统故障或储能亏电时，需要进行纯发动机驱动。12m 车载18t 爬坡度≥10%，后桥输出的起步扭矩需要15000N·m。

理论上具备12m 车满载快速起步能力，同时通过气路控制实现整车1挡在1～2 s 内平滑半联动起步，1挡半联动起步车速为5.85km·h-1。

3 行驶工况分析

1）纯电机驱动模式

纯电动运行模式下，DTMDT系统由前二行星变速箱来辅助电机驱动，即采用M1挡（速比3.317）和M2挡（速比 1.243）。平路起步或坡道起步时，M1挡可输出最大转矩3000 N·m，完全满足动力要求，对提高电机效率意义重大。

此模式时，发动机停止运行实现发动机熄火控制，后二行星变速箱处于空挡/分离状态。

图2 各组合挡动力传递路线图

2）纯电机驱动模式向纯发动机驱动模式转换

当储能电量低需切换到发动机驱动时，可根据车速来匹配选择后二行星变速箱挡位。例如，当车速低于10km·h-1时，纯电动驱动处于M1挡时，对应单独发动机驱动为E2挡，此时，后二行星变速箱在B4高速挡结合，电机将发动机拖拽至对应转速点火启动发动机，发动机介入驱动，电机转而进入适当功率发电状态，匹配发动机负载，提升燃油效率。该过程，操控简单，油电切换平稳，舒适性好。

3）纯发动机驱动模式

在亏电、系统故障、长距离爬坡、优良动力性能需求等工况下，需要发动机可以直接起步。DTMDT系统“后二行星变速箱+前二行星变速箱”组合产生4个挡：E1挡、E2挡、E3挡、E4挡。对应怠速稳定车速4.8km·h-1，加速至该车速时间约1.2 s，采用气压调节器或油液电子执行换挡作动器可确保平滑起步。4个挡位动力传递路线图如图2所示。

从上述4个挡位动力传递路线图可以看出，在EI和EII位切换时，只需切换后二行星变速箱挡位，前二行星变速箱保持B1挡不变。用气压调节器或油液电子执行换挡作动器控制后二行星变速箱B3和B4 一紧一松过程控制，从而实现无动力间断换挡。在E3和E4挡位切换时，也只需切换后二行星变速箱挡位，前二保持B2挡不变。因而，与传统四挡自动变速箱控制相比，挡位控制简便平顺。

4）高效区补电模式

如图2所示，当发动机单独驱动时，为了匹配发动机负荷，提高燃油效率，利用电机发电功能进行发动机负载调节，时刻保持发动机燃油效率最佳状态，当储能电量饱和或进入拥堵路况时，发动机关闭，直接进入电机驱动模式。

5）纯发动机驱动转纯电机驱动模式

当发动机转纯电机驱动时，此时前二行星变速箱所处挡位、驱动电机空载转速与车辆行驶速度一致，发动机关闭同时后二行星变速箱切为空挡/分离，电机进入驱动状态。切换过程无动力冲击，实现平稳切换。

6）发动机和驱动电机混合驱动模式

当需要发动机和电机联合驱动时，发动机依据油门开度输出扭矩，驱动电机依据整车动力需求辅助输出扭矩，共同推动整车行驶。

7）启动发动机模式

后二行星变速箱为驱动电机反拖启动发动机提供了2种速比模式，静态启动采用B4（0.804）减速挡（电机带发动机需要将速比反过来看），动态正常启动采用B4（0.804）减速挡反拖启动，动态快速启动采用B3（1.39）增速挡反拖启动。

8）发电模式

倒车时，若储能电量不足（例如：以超级电容作为储能元件），需要停车让前二行星变速箱处于空挡状态，由发动机带动驱动电机进行发电，给储能元件补充电量，该模式下，若进行较小功率发电时，发动机负载较小，发动机采用较低转速，此时后二行星变速箱选择B4（0.804）增速挡（发动机带动电机状态），若进行较大功率发电时，发动机负载较大，发动机采用较高转速，此时后二行星变速箱选择 B3（1.39）减速挡（发动机带动电机状态）。

4 系统应用中需考虑的若干因素

1）弹性连接器

弹性连接器通过减震弹簧传递扭矩，弹簧为直线结构，而传递扭矩转化为切向力，切向力与弹簧轴线不同心以及弹性盘与后二输入轴同轴度误差会导致弹簧承受侧弯力，使弹簧容易崩断而失效。开发高粘弹性减震连接器，解决切向力不同心以及输入轴不同心问题。

2）摩擦片

摩擦片在频繁换挡使用过程中，减少滑摩量会增加摩擦片寿命；然而，若有金属硬质颗粒进入摩擦片之间，会极大划伤摩擦片导致寿命降低。在变速箱箱体底部增加磁性材料，将金属硬质颗粒吸附在下方，在下次更换润滑油时进行去除。另外，采用复合层摩擦片材料，第一层为高耐磨纸基材料，第二层为耐磨铜基粉末冶金材料，这样当高耐磨纸基材料进入全磨损周期后，铜基粉末冶金材料介入工作状态，寿命大大提高。

3）电机轴承

电机轴承采用免维护或周期性维护脂润滑轴承，当温度较高时，会导致润滑脂快速流失，或转速较高时润滑脂润滑跟不上，会导致轴承快速失效。通过埋入温度传感器来监测轴承处温度进行维护报警或更换轴承报警。另外，若要彻底解决该问题，应该将电机轴承与前二后二变速箱相通，设定油道进行流动润滑油润滑和冷却，提高电机轴承寿命和电机效率。

4）橡胶膈膜气缸

橡胶膈膜气缸的老化问题，通过采用高性能耐老化氟橡胶和全密闭结构可解决该问题。

5 结论

详细介绍了带前二后二行星变速箱的并联式混合动力驱动系统（DTMDT）的系统结构、系统参数设计、工作原理、系统薄弱环节分析及应对措施，并已完成样机开发和样车搭载试验。试验数据证明：该系统具备低成本、高节油率、适应各种复杂道路的性能，系统稳定性和长寿命性能需要进一步样车试验及产品小批量市场推广进行验证。

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