某混合动力AMT系统的设计

2020-10-18吴亮

机械管理开发 2020年9期

吴亮

（中国重汽集团大同齿轮有限公司，山西大同 037000）

1 混合动力系统的设计背景

根据GB30510重型商用车的燃料消耗量限值法规要求，燃料消耗量要降低15%左右，目前的常规动力客车根本无法满足要求，只有混合动力或纯电动系统可以满足要求。

国外的混合动力系统只提供整套解决方案，针对不同区域和不同工况软件修改、调试和标定都由外国公司完成，主机厂无法掌握主动权，同时在开发过程中由于其周期长，灵活性差，市场反应慢，无法适应中国市场，成本相对较高。基于此集团公司决定对客车混合动力系统进行设计。

2 混合动力系统的分类

依混合动力系统结构形式，主要可分为三类:

1）混合动力串联式系统。混合动力串联式系统的驱动力仅来源于电动机，其动力系统结构为发动机带动发电机发电，电机控制单元将产生的电能传给电动机，并把电能转化为动能，最后通过变速器来驱动车辆。另外，电池也能单独向电动机提供电能从而驱动车辆行驶。电池提供的电能会在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，并保证车辆正常的工作。

2）混合动力并联式系统。混合动力并联式系统的驱动力由发动机及电动机同时或单独供给的混合动力车辆。发动机及电动机既可以各自单独工作，也可以同时协调工作驱动车辆。这种系统结构简单，成本低，应用工况范围广，尤其适用于复杂的路况。

3）混合动力混联式系统。混合动力混联式系统同时兼顾了串联和并联式系统。

混联式是可以在串联模式下驱动车辆，也可以在并联模式下驱动车辆，综合了串联系统与并联系统，动力系统结构更加复杂，设计难度加大，不太适合销售；并联系统的结构特点是在发动机和电机双动力源的保障下动力足够，很多大型客车基本都选择了这一路线，而且都采用了单轴并联式这一简单连接方式，其原因，一是结构简单，重量较轻，经济性好；二是单轴并联式系统技术较为成熟，零部件容易配套；三是对车辆底盘改动较小[1]。

3 混合动力系统配AMT的技术分析

在混合动力系统中，由于对燃油经济性、成本和开发周期等方面的要求较高。在混合动力系统上AT已不适合配套使用。随着世界各大汽车公司都在参与CVT技术设计，CVT的各项技术指标逐渐得到了提升，同时许多国际大型汽车厂商都在大力推广CVT，由于其节油性较好，因此在某些混合动力系统的车辆上得到了较好的应用。但是由于CVT在大型商用车上应用还存在一些问题，因此许多大型商用车都采用了AMT作为变速机构。配AMT的混合动力系统优势如下：一是采用一个电机，结构简单，降低整车重量，同时降低成本；二是采用AMT调整发动机和电机工作区，效率更高，油耗更低；三是基于AMT技术的混合动力系统，路况适应性强，爬坡性能好；四是该系统结构的电机功率较小，且需求动力可以在电机和发动机间灵活分配，可较好地保护电池，使电池寿命更长。

4 混合动力AMT系统结构的设计

基于以上背景，公司决定开发同轴并联结构插电式混合动力客车，目标市场为团体车和坡道较大的川藏渝公路车等市场，项目选定目标车型为当前需求最迫切的是8 m客车，后续会拓展到10 m、12 m公路车以及天然气车。

5 混合动力AMT系统结构尺寸的设计

车辆基本配置为发动机+离合器+电机+AMT，从某目标客车底盘现有尺寸计算可知，所预留的混合动力系统极限长度（离合器+电机+AMT）仅为830 mm，动力系统各部件目标尺寸如下：

1）离合器轴向目标尺寸为100 mm；

2）电机加离合器轴向目标尺寸为350 mm，径向目标尺寸为550 mm；

3）AMT变速箱轴向目标尺寸为480 mm，径向目标尺寸为550 mm。

6 混合动力A M T系统的选型

1）电机选型：混合动力系统6～7 m客车所配套电机扭矩范围为300～500 N·m以上，8 m以上客车所配套电机扭矩范围为500～1 000 N·m，项目初步确定的电机最大输出扭矩为800 N·m，1 200 r/min为经济转速，最大转速为2 500～3 000 r/min。

2）发动机选型：推荐该项目使用集团某型号发动机，这样可以缩短项目周期并降低项目开发费用。

3）AMT变速器选型:经市场调研，混合动力系统变速器一般以4或6挡为主，本项目设计为6挡。由于变速器要求长度短，所以采用双中间轴变速器结构，某客车混合动力系统如图1所示[2]。

图1 某客车混合动力系统（配6挡AMT）

7 混合动力系统A M T控制设计

混合动力控制系统的通讯网络由两条CAN总线组成，协议采用了SAE J1939标准，一条总线CAN1传输速率为250 kbit/s，另外一条总线CAN2传输速率为500 kbit/s。整车CAN1网络为整车控制单元与AMT变速器控制单元、发动机控制单元、仪表和换挡手柄进行信息交互，主要包括AMT变速器输入/输出轴转速、离合器分离/结合状态、发动机转速/转矩、当前车速和挡位的反馈以及对发动机的强制控制。CAN2网络为整车控制单元与电机控制器和电池管理系统进行信息交互，主要包括电机转速/转矩、电池荷电状态的反馈以及对电机转速/转矩和电池温度/高压的控制。

整车控制单元负责进行换挡和换挡时机的选择，AMT变速器控制单元负责执行换挡操作，且向整车实时发送坡道和车重等路况作为换挡判断的条件。其AMT换挡过程控制流程图（如图2所示），包括：卸载动力源、摘挡至空挡、电机主动同步（调速及扭矩支持）、挂挡、恢复动力源转矩。