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三菱扶桑卡客車公司于2010年將Canter貨車推向市場(chǎng)，該車型配裝雙離合變速器DUONICR○，并與單電動(dòng)機(jī)相結(jié)合，構(gòu)成混合動(dòng)力系統(tǒng)。如今，新一代的Canter混合動(dòng)力車型已作為環(huán)保型混合動(dòng)力車進(jìn)入市場(chǎng)。介紹了新型混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及其他新裝備。

混合動(dòng)力系統(tǒng) 雙離合變速器 結(jié)構(gòu) 工作原理

1 概述

三菱扶?？蛙嚬居?012年5月向市場(chǎng)推出新一代的環(huán)保型混合動(dòng)力貨車Canter。該車型的基礎(chǔ)車型是于2010年10月被投放市場(chǎng)的Canter車，而此次上市的混合動(dòng)力車所采用的混合動(dòng)力系統(tǒng)因其全新的結(jié)構(gòu)而受到廣泛關(guān)注。

作為基礎(chǔ)車型的Canter車配裝2.998 L的直列4缸渦輪增壓4P10型柴油機(jī)（圖1），其低轉(zhuǎn)速區(qū)域的扭矩得到提升，同時(shí)采用柴油顆粒捕集器（DPF），以及能降低氮氧化物（NOx）排放的尿素選擇性催化還原（SCR）轉(zhuǎn)化器（圖2），不僅能滿足極為嚴(yán)格的日本2009年排放法規(guī)的要求，而且達(dá)到了日本2015年重型車燃油耗標(biāo)準(zhǔn)。這一新型Canter車因采用新開(kāi)發(fā)的雙離合變速器而受到廣泛關(guān)注。就三菱扶?？蛙嚬鹃_(kāi)發(fā)的這一名為“DUONICR○”的變速器工作原理而言，與Volkswagen公司等歐洲汽車制造商在乘用車上廣泛采用的雙離合變速器的工作原理基本類似。

圖1 采用多項(xiàng)新技術(shù)的4P10型柴油機(jī)

在此次新開(kāi)發(fā)的環(huán)保型混合動(dòng)力車Canter上，將雙離合變速器與混合動(dòng)力專用的電動(dòng)機(jī)相結(jié)合，構(gòu)成了全新的混合動(dòng)力系統(tǒng)。雙離合器中的外側(cè)離合器（偶數(shù)檔齒輪側(cè)）內(nèi)置電動(dòng)機(jī)，這一結(jié)構(gòu)獨(dú)特的混合動(dòng)力系統(tǒng)是前所未有的。本文將介紹該混合動(dòng)力系統(tǒng)的核心技術(shù)。

圖2 降低顆粒排放的DPF，以及降低NO x排放的尿素SCR轉(zhuǎn)化器

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

從以往混合動(dòng)力車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)看，一般都采用像豐田公司混合動(dòng)力系統(tǒng)那樣的差速器型式，或是在飛輪后方變速器的輸入軸上設(shè)置電動(dòng)機(jī)的并聯(lián)式系統(tǒng)。此外，部分混合動(dòng)力車也采用在動(dòng)力輸出軸上配置電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)。

此次開(kāi)發(fā)的新一代Canter環(huán)保型混合動(dòng)力貨車所采用的混合動(dòng)力系統(tǒng)是在飛輪后方變速器的輸入軸上設(shè)置電動(dòng)機(jī)，雖然從這一點(diǎn)來(lái)講，這屬于并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)（圖3），但其發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)能夠分別以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，這是因?yàn)椴捎昧穗p離合器型式的變速器DUONICR○，所以可將其看作是一種獨(dú)特的新型混合動(dòng)力系統(tǒng)。

在雙離合變速器中，有分別與2個(gè)離合器（內(nèi)離合器與外離合器）接合的奇數(shù)檔（1檔、3檔、5檔）齒輪組與偶數(shù)檔（2檔、4檔、6檔）齒輪組，可通過(guò)切換離合器，依次切換這些齒輪。Canter車所采用的混合動(dòng)力系統(tǒng)是在變速器的2根軸中，在有偶數(shù)檔齒

輪的軸上設(shè)置功率40.0 k W、扭矩200 N·m的電動(dòng)機(jī)。即使配置了電動(dòng)機(jī)，變速器的全長(zhǎng)也只有110 mm左右，這一緊湊的布局也是這種混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)之一（圖4，圖5，圖6）。

圖3 從發(fā)動(dòng)機(jī)到離合器、電動(dòng)機(jī)、變速器、輪胎實(shí)現(xiàn)機(jī)械接合的并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

圖4 組合了雙離合變速器DUONICR○與專用電動(dòng)機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)

作為構(gòu)成混合動(dòng)力系統(tǒng)的重要零件，蓄電池不采用鎳氫電池，而是采用容量為7.5 A·h、270 V的鋰離子電池（圖7）。

3 混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作

3.1 怠速

在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后遭遇停車的情況下，如果發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，2個(gè)離合器均處于斷開(kāi)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力就無(wú)法傳遞到變速器一側(cè)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)就無(wú)法帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，在停車過(guò)程中也無(wú)法通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)混合動(dòng)力專用的電動(dòng)機(jī)（兼作發(fā)電機(jī)）旋轉(zhuǎn)，從而為鋰離子電池充電。

圖5 配裝專用的高功率（比原來(lái)提高5 k W）、高轉(zhuǎn)速（5 000 r/min）電動(dòng)機(jī)，并采用與DUONICR○共用的油冷式冷卻系統(tǒng)，提高了冷卻效率

圖6 DUONICR○內(nèi)安裝超薄型電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)

圖7 采用強(qiáng)化型鋰離子電池，相比傳統(tǒng)電池增加容量36％

而新車型由于具備怠速停止功能，當(dāng)行車狀態(tài)滿足設(shè)定條件，在市區(qū)道路行駛的過(guò)程中遭遇停車時(shí)，系統(tǒng)會(huì)同時(shí)停止發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，從而避免怠速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的出現(xiàn)。

3.2 車輛起步

車輛在平坦的道路上起步時(shí)，內(nèi)離合器和外離合器均處于斷開(kāi)狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力并不傳遞至變速器一側(cè)，車輛只利用電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)起步（圖8）。這時(shí)，偶數(shù)檔齒輪組掛2檔齒輪，所以，利用2檔齒輪并憑借電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力起步。此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，奇數(shù)檔齒輪組掛3檔齒輪，并等待離合器的接合。利用電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)起步，不僅能實(shí)現(xiàn)車輛的順暢起步，而且能毫無(wú)阻礙地實(shí)現(xiàn)車輛滑行，這也是新系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。不過(guò)，當(dāng)出現(xiàn)蓄電池充電量較少，或是電動(dòng)機(jī)過(guò)熱的情況，就無(wú)法利用電動(dòng)機(jī)起步，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換至利用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)車輛滑行。

圖8 車輛起步時(shí)內(nèi)離合器與外離合器均未接合，只利用電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)起步

3.3 上坡起步及快速起步

當(dāng)車輛加速踏板開(kāi)度較大，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將其判斷為上坡起步或快速起步，此時(shí)，內(nèi)離合器會(huì)盡快接合，利用發(fā)動(dòng)機(jī)3檔結(jié)合電動(dòng)機(jī)2檔實(shí)現(xiàn)加速（圖9）。但是，在較陡的坡道上起步時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)接合外離合器，選擇由發(fā)動(dòng)機(jī)2檔結(jié)合電動(dòng)機(jī)2檔實(shí)現(xiàn)起步，或是由發(fā)動(dòng)機(jī)1檔結(jié)合電動(dòng)機(jī)2檔實(shí)現(xiàn)起步。

圖9 在上坡起步與需要急加速的情況下接合內(nèi)離合器，利用發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁的加速

3.4 起步加速

在借助電動(dòng)機(jī)起步之后，如要在利用電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)滑行的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)平坦路段的順暢加速，則系統(tǒng)會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩，進(jìn)而利用電動(dòng)機(jī)持續(xù)加速，之后，一旦車速提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)從怠速提高到3檔行駛的轉(zhuǎn)速，此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)逐漸接合內(nèi)離合器，開(kāi)始利用發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力行駛（圖10）。

3.5 通常行駛狀態(tài)

在通常的低速行駛狀態(tài)下，由于柴油機(jī)自身的效率較高，所以無(wú)需電動(dòng)機(jī)提供輔助動(dòng)力，而只用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛（圖11）。但是，在加速等需要更大功率的情況下，可使用電動(dòng)機(jī)提供輔助動(dòng)力。在由電動(dòng)機(jī)提供輔助動(dòng)力的情況下，利用奇數(shù)檔齒輪（1檔、3檔、5檔）行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)偶數(shù)檔齒輪提供輔助動(dòng)力（圖12）。此時(shí)被選擇提供輔助動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)偶數(shù)檔檔位會(huì)根據(jù)加速狀態(tài)依次切換其控制單元。而在車輛使用偶數(shù)變速檔位行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)選擇與以柴油機(jī)動(dòng)力行駛時(shí)相同的齒輪變速檔位來(lái)提供輔助動(dòng)力（圖13）。也就是說(shuō)，在環(huán)保型混合動(dòng)力車中，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并不像普通的并聯(lián)式混合動(dòng)力車那樣固定為一對(duì)一的形式，而是依據(jù)具體情況，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過(guò)偶數(shù)變速檔齒輪來(lái)確定。所以，電動(dòng)機(jī)能以不同于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)提供輔助動(dòng)力，這也是該混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)之一。

圖10 在通常起步并加速的情況下，利用電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力起步，并隨著車速的提升，平穩(wěn)地切換至由發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛

圖11 在車速變化較少的通常行駛工況下，為有效發(fā)揮柴油機(jī)的效率，不使用電動(dòng)機(jī)提供輔助動(dòng)力

圖12 在內(nèi)離合器接合后利用奇數(shù)變速檔位行駛時(shí)，可利用電動(dòng)機(jī)的偶數(shù)變速檔位提供輔助動(dòng)力

3.6 減速時(shí)

在制動(dòng)減速時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)起到再生制動(dòng)發(fā)電機(jī)的作用，這與其他混合動(dòng)力車是相同的（圖14）。在利用發(fā)動(dòng)機(jī)5檔結(jié)合電動(dòng)機(jī)6檔行駛的情況下，若駕駛者將腳從加速踏板移至制動(dòng)踏板，系統(tǒng)控制單元會(huì)判斷駕駛者有減速意圖，從而自動(dòng)將變速器切換為發(fā)動(dòng)機(jī)5檔結(jié)合電動(dòng)機(jī)4檔的行駛模式。此時(shí)，若繼續(xù)踩下制動(dòng)踏板，與發(fā)動(dòng)機(jī)直接接合的5檔內(nèi)離合器將會(huì)斷開(kāi)，使發(fā)動(dòng)機(jī)保持怠速狀態(tài)，而電動(dòng)機(jī)4檔將起到發(fā)電機(jī)的作用，發(fā)揮再生制動(dòng)功能，向混合動(dòng)力專用蓄電池充電（圖15）。

圖13 在外離合器接合后利用偶數(shù)變速檔位行駛時(shí)，同軸配置的電動(dòng)機(jī)可為柴油機(jī)提供輔助扭矩

圖14 減速時(shí)電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)，利用再生制動(dòng)能量向蓄電池充電

圖15 在制動(dòng)能量再生過(guò)程中，只利用電動(dòng)機(jī)獲取制動(dòng)力時(shí)，2個(gè)離合器被斷開(kāi)，以便在更大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)功能

4 環(huán)保型混合動(dòng)力車的裝備

傳統(tǒng)的Canter混合動(dòng)力車設(shè)有電動(dòng)機(jī)專用的冷卻系統(tǒng)，而新環(huán)保型混合動(dòng)力車的冷卻系統(tǒng)使用DUONICR○專用的自動(dòng)變速器油實(shí)施冷卻（圖16）。混合動(dòng)力系統(tǒng)的鋰離子電池采用風(fēng)冷方式冷卻，控制電動(dòng)機(jī)的逆變器則采用專用的水冷方式。蓄電池被收納在堅(jiān)固的鋼質(zhì)殼體中，以保護(hù)其免受外部沖擊的損害。蓄電池殼體側(cè)面設(shè)有高壓斷路開(kāi)關(guān)，一旦出現(xiàn)意外情況，可及時(shí)切斷270 V的高電壓以實(shí)施救援作業(yè)（圖17）。

圖16 冷卻系統(tǒng)由傳統(tǒng)的水冷方式改為油冷方式，減輕了質(zhì)量，并提高了空間效率

圖17 鋰離子電池采用堅(jiān)固的鋼質(zhì)殼體結(jié)構(gòu)，以及能防止過(guò)度充電的蓄電池管理系統(tǒng)，確保了安全性，在需要救援作業(yè)時(shí)，能用手動(dòng)方式斷開(kāi)高電壓

由于混合動(dòng)力專用的電動(dòng)機(jī)位于變速器一側(cè)，所以無(wú)法將其作為發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電機(jī)使用。發(fā)動(dòng)機(jī)中備有與傳統(tǒng)Canter車相同的起動(dòng)電機(jī)，同時(shí)也配裝了發(fā)電機(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

新開(kāi)發(fā)的Canter環(huán)保型混合動(dòng)力車應(yīng)用更為合理的技術(shù)理念，使其燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善，燃油耗達(dá)到同等級(jí)車輛的最高水平（12.8 km/L），由此，混合動(dòng)力技術(shù)的優(yōu)勢(shì)可見(jiàn)一斑。也許今后這一型式的混合動(dòng)力系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)在采用雙離合變速器的乘用車上，對(duì)此值得予以關(guān)注。

彭惠民 譯自 自動(dòng)車工學(xué)，2012，9

朱曉蓉 校

朱曉蓉 編輯

2013-08-27）

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)