三菱扶桑卡客車公司的新型混合動力系統

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三菱扶桑卡客車公司的新型混合動力系統

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三菱扶?？蛙嚬居?010年將Canter貨車推向市場，該車型配裝雙離合變速器DUONICR○，并與單電動機相結合，構成混合動力系統。如今，新一代的Canter混合動力車型已作為環保型混合動力車進入市場。介紹了新型混合動力系統的結構、工作原理及其他新裝備。

混合動力系統 雙離合變速器 結構 工作原理

1 概述

三菱扶?？蛙嚬居?012年5月向市場推出新一代的環保型混合動力貨車Canter。該車型的基礎車型是于2010年10月被投放市場的Canter車，而此次上市的混合動力車所采用的混合動力系統因其全新的結構而受到廣泛關注。

作為基礎車型的Canter車配裝2.998 L的直列4缸渦輪增壓4P10型柴油機（圖1），其低轉速區域的扭矩得到提升，同時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）轉化器（圖2），不僅能滿足極為嚴格的日本2009年排放法規的要求，而且達到了日本2015年重型車燃油耗標準。這一新型Canter車因采用新開發的雙離合變速器而受到廣泛關注。就三菱扶?？蛙嚬鹃_發的這一名為“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 采用多項新技術的4P10型柴油機

在此次新開發的環保型混合動力車Canter上，將雙離合變速器與混合動力專用的電動機相結合，構成了全新的混合動力系統。雙離合器中的外側離合器（偶數檔齒輪側）內置電動機，這一結構獨特的混合動力系統是前所未有的。本文將介紹該混合動力系統的核心技術。

圖2 降低顆粒排放的DPF，以及降低NO x排放的尿素SCR轉化器

2 混合動力系統的結構

從以往混合動力車的驅動系統來看，一般都采用像豐田公司混合動力系統那樣的差速器型式，或是在飛輪后方變速器的輸入軸上設置電動機的并聯式系統。此外，部分混合動力車也采用在動力輸出軸上配置電動機的系統。

此次開發的新一代Canter環保型混合動力貨車所采用的混合動力系統是在飛輪后方變速器的輸入軸上設置電動機，雖然從這一點來講，這屬于并聯式混合動力系統（圖3），但其發動機與電動機能夠分別以不同的轉速旋轉，這是因為采用了雙離合器型式的變速器DUONICR○，所以可將其看作是一種獨特的新型混合動力系統。

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

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

圖3 從發動機到離合器、電動機、變速器、輪胎實現機械接合的并聯式混合動力系統

圖4 組合了雙離合變速器DUONICR○與專用電動機的混合動力系統

作為構成混合動力系統的重要零件，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 混合動力系統的工作

3.1 怠速

在發動機起動后遭遇停車的情況下，如果發動機處于怠速運轉狀態，2個離合器均處于斷開狀態，發動機的動力就無法傳遞到變速器一側。因此，發動機就無法帶動電動機旋轉，在停車過程中也無法通過發動機的旋轉帶動混合動力專用的電動機（兼作發電機）旋轉，從而為鋰離子電池充電。

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

圖6 DUONICR○內安裝超薄型電動機/發電機

圖7 采用強化型鋰離子電池，相比傳統電池增加容量36％

而新車型由于具備怠速停止功能，當行車狀態滿足設定條件，在市區道路行駛的過程中遭遇停車時，系統會同時停止發動機的旋轉，從而避免怠速運轉狀態的出現。

3.2 車輛起步

車輛在平坦的道路上起步時，內離合器和外離合器均處于斷開狀態，發動機的旋轉動力并不傳遞至變速器一側，車輛只利用電動機的驅動力實現起步（圖8）。這時，偶數檔齒輪組掛2檔齒輪，所以，利用2檔齒輪并憑借電動機的動力起步。此時的發動機處于怠速狀態，奇數檔齒輪組掛3檔齒輪，并等待離合器的接合。利用電動機實現起步，不僅能實現車輛的順暢起步，而且能毫無阻礙地實現車輛滑行，這也是新系統的優點之一。不過，當出現蓄電池充電量較少，或是電動機過熱的情況，就無法利用電動機起步，系統會自動切換至利用發動機實現車輛滑行。

圖8 車輛起步時內離合器與外離合器均未接合，只利用電動機實現起步

3.3 上坡起步及快速起步

當車輛加速踏板開度較大，系統會自動將其判斷為上坡起步或快速起步，此時，內離合器會盡快接合，利用發動機3檔結合電動機2檔實現加速（圖9）。但是，在較陡的坡道上起步時，系統會自動接合外離合器，選擇由發動機2檔結合電動機2檔實現起步，或是由發動機1檔結合電動機2檔實現起步。

圖9 在上坡起步與需要急加速的情況下接合內離合器，利用發動機與電動機的動力實現強勁的加速

3.4 起步加速

在借助電動機起步之后，如要在利用電動機平穩滑行的狀態下實現平坦路段的順暢加速，則系統會增加電動機的驅動扭矩，進而利用電動機持續加速，之后，一旦車速提高，發動機的轉速會從怠速提高到3檔行駛的轉速，此時，系統會逐漸接合內離合器，開始利用發動機與電動機的動力行駛（圖10）。

3.5 通常行駛狀態

在通常的低速行駛狀態下，由于柴油機自身的效率較高，所以無需電動機提供輔助動力，而只用柴油機驅動行駛（圖11）。但是，在加速等需要更大功率的情況下，可使用電動機提供輔助動力。在由電動機提供輔助動力的情況下，利用奇數檔齒輪（1檔、3檔、5檔）行駛時，電動機通過偶數檔齒輪提供輔助動力（圖12）。此時被選擇提供輔助動力的電動機偶數檔檔位會根據加速狀態依次切換其控制單元。而在車輛使用偶數變速檔位行駛時，電動機選擇與以柴油機動力行駛時相同的齒輪變速檔位來提供輔助動力（圖13）。也就是說，在環保型混合動力車中，發動機與電動機的轉速并不像普通的并聯式混合動力車那樣固定為一對一的形式，而是依據具體情況，電動機的轉速可通過偶數變速檔齒輪來確定。所以，電動機能以不同于柴油機的轉速來提供輔助動力，這也是該混合動力系統的特點之一。

圖10 在通常起步并加速的情況下，利用電動機的動力起步，并隨著車速的提升，平穩地切換至由發動機結合電動機驅動行駛

圖11 在車速變化較少的通常行駛工況下，為有效發揮柴油機的效率，不使用電動機提供輔助動力

圖12 在內離合器接合后利用奇數變速檔位行駛時，可利用電動機的偶數變速檔位提供輔助動力

3.6 減速時

在制動減速時，電動機會起到再生制動發電機的作用，這與其他混合動力車是相同的（圖14）。在利用發動機5檔結合電動機6檔行駛的情況下，若駕駛者將腳從加速踏板移至制動踏板，系統控制單元會判斷駕駛者有減速意圖，從而自動將變速器切換為發動機5檔結合電動機4檔的行駛模式。此時，若繼續踩下制動踏板，與發動機直接接合的5檔內離合器將會斷開，使發動機保持怠速狀態，而電動機4檔將起到發電機的作用，發揮再生制動功能，向混合動力專用蓄電池充電（圖15）。

圖13 在外離合器接合后利用偶數變速檔位行駛時，同軸配置的電動機可為柴油機提供輔助扭矩

圖14 減速時電動機作為發電機，利用再生制動能量向蓄電池充電

圖15 在制動能量再生過程中，只利用電動機獲取制動力時，2個離合器被斷開，以便在更大的范圍內實現再生制動功能

4 環保型混合動力車的裝備

傳統的Canter混合動力車設有電動機專用的冷卻系統，而新環保型混合動力車的冷卻系統使用DUONICR○專用的自動變速器油實施冷卻（圖16）。混合動力系統的鋰離子電池采用風冷方式冷卻，控制電動機的逆變器則采用專用的水冷方式。蓄電池被收納在堅固的鋼質殼體中，以保護其免受外部沖擊的損害。蓄電池殼體側面設有高壓斷路開關，一旦出現意外情況，可及時切斷270 V的高電壓以實施救援作業（圖17）。

圖16 冷卻系統由傳統的水冷方式改為油冷方式，減輕了質量，并提高了空間效率

圖17 鋰離子電池采用堅固的鋼質殼體結構，以及能防止過度充電的蓄電池管理系統，確保了安全性，在需要救援作業時，能用手動方式斷開高電壓

由于混合動力專用的電動機位于變速器一側，所以無法將其作為發動機的起動電機使用。發動機中備有與傳統Canter車相同的起動電機，同時也配裝了發電機。

5 結語

新開發的Canter環保型混合動力車應用更為合理的技術理念，使其燃油經濟性得到改善，燃油耗達到同等級車輛的最高水平（12.8 km/L），由此，混合動力技術的優勢可見一斑。也許今后這一型式的混合動力系統也會出現在采用雙離合變速器的乘用車上，對此值得予以關注。

彭惠民 譯自 自動車工學，2012，9

朱曉蓉 校

朱曉蓉 編輯

2013-08-27）

設計開發