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动力混合技术路线深度分析:中国最适用纯电动公交车

2016-11-11 作者:雷洪钧 来源:中国客车网

  不知道是什么原因,明明是动力混合,而在国内业界却要叫“混合动力”?如英文的“Series hybrid(串联混合),Parallel hybrid(并联混合)”也是“混合”一词在后面的。“混合动力”一词会引起较多的歧义。有些朋友问笔者,“油电混合”是什么意思?油与电如何混合?笔者解释了好半天,也没能解释清楚,有些尴尬。后来再向一些朋友解释(讲解)时,笔者把回避“混合动力”,直接随成“动力混合”就顺畅多了。

  下面将“混合动力”换成“动力混合”,仅是为解释起来更便利些,并无他意,请同行的朋友予以谅解。

  一、动力混合基本含义

  汽车的前行(或者后退)是由车载动力来驱动的。目前驱动汽车运动的动力源于是车载的机械力。这种机械力来源基本是两大类:一是车载发动机产生的动力;二是电动机产生的动力。动力混合的基本意思是将车载发动机产生的动力与电动机产生的动力进行叠加而已。

  从上面的分析来看,“动力混合”不会产生一点歧义,也不引起象“油电混合”、“油气混合”,如何解释来,也解释不到位的尴尬。因为生活常识告诉人们,“油与电不能混合”、“油与气也没有办法能混合”。

  1、动力混合的基本条件

  1)汽车上必须要具备有两种或两种以上动力源和动力耦合(转换)装置。比如说,要有车载发动机和车载电动机及离合器等。

  2)车载发动机是烧油或者是烧气而生产的动力,这是发动机系统内部的事情;同理,给车载电动机供的电是由车载动力电池提供或者是由车载发动机发的电,是电动机系统内部的事情。

  3)动力混合的对象不仅与油(气)没有直接的关系,而且与电也没有直接关系,其混合对象是车载发动机和车载电动机输出的机械力。

  2、动力混合难点是什么?

  车载发动机和车载电动机已经100多年的历史,其技术已经相当成熟了。按理说,将两者输出的机械力(驱动)进行叠加,按照中学物理学原理将两个分力进行合力即可。但是在汽车上将这两个分力起来,却是十分困难的事情。主要理由是:

  1)汽车是一个运动的物体,是有工况特点的。它有启动、加速、减速、怠速等。他对分力的要求的动态的,不是静态的。

  2)对发动机的要求,不仅仅要求提供适配的动力,同时还要求节能和环保。且指标也是越来越高。一是要百公里油耗从8个油降到5个油以下;二是排放要满足国6的要求。专家们给出答案是,这两个要求已经到达理论值的上限了。

  3)两个不同的动力装置产生的动力混合后也要到达现代汽车工况的要求,同时也有一个混合效率的要求。

  从上面的分析可以看出,动力混合并非是将传统意义发动机与传统意义的电动机,这两者输出的动力机械式混合。现代汽车的动力混合,必须是将先进发动机系统技术与先进的电动机系统,两者输出的动力进行混合,其指标也最先进的。

  归纳起来,动力混合难点有三点:一是发动机系统水平最先进的;二是电动机系统水平最先进的;三是动力混合机构也必须是最先进的。

  二、日本混合汽车最成功的原因分析

  日本发动机系统技术长期以来处于世界领先地位,其电动机系统也是的。还有一点专业人士常提起,非专业人员想搞懂,却不好懂的动力混合装置,即“行星齿轮”混合机构。专业人员要进行混合汽车产品开发,必须要对其产品工作原理、其运动理论公式的满足条件搞懂,不能仅仅是产品外围尺寸布置上进行对接而已。下面对此进行一些基本知识性介绍,从而更好的理解日本混合汽车成功技术上的原因。

  1.以丰田的Prius为例进行说明。其发动机的输出轴连接到行星齿轮的齿轮架上,发电机(Generator)连接到太阳轮上,驱动电机(Motor)与齿圈相连并输出到半轴上。行星齿轮机构系统的连接示意图如下(见图1)。

  

图1行星齿轮机构系统的连接示意图

  图中:Engine指发动机、Generator指发动机、Motor指电动机、Pinion gear指小齿轮、Sun gear指太阳齿轮、Planetary carrier指行星载体、Ring gear指环型齿轮、Planetary gear指行星齿轮

  2.发动机、发动机、电机基本原理大家基本成熟,而行星齿轮机构系统的工作原理是:

  ①整个机构机构内部看似太阳系,最中间是一个太阳齿轮,周围是4个小太阳齿轮,再外围是一个大齿轮;

  ②每一个齿轮都是在旋转运动,最中间的齿轮与周围分别与4个小太阳齿轮是旋转连接的,大齿轮与4个小太阳齿轮也是是旋转连接的。

  ③ 发动机与电机(Generator)的输出通过行星齿轮进行耦合,在正常行驶状态下,电机(Generator)可以自由的在发电和驱动两种状态间切换。

  3.特点:

  优点:没有离合器,驱动系统只有一种模式。以通过调整Generator的功率和转速使发动机以经济转速运行;在起步和倒档时,发动机可以不启动,车辆仅由电机驱动;在制动时,驱动电机做为发电机向电池充电,同时提供制动扭矩。

  缺点:行星齿轮将一直处于运行状态,主要的驱动电机(Motor)的转速与车速成正比,无法与输出轴解耦。在整个工况区间内的传动效率有局限,无法适配较大的车辆,在高速路况下要大量依靠能效低的电驱动。

  三、动力混合技术不适合中国的公交车的理由分析

  1.丰田的Prius是轿车,其采用行星齿轮进行耦合(混合)技术,因为在整个工况区间内的传动效率有局限,行星齿轮进行耦合(混合)技术无法适配较大的车辆。中国的公交车是长度大于6米的大客车,这是技术原理决定的;

  2.中国新能源汽车起步于公交大客车,从2002年到2013年间基本上是混合技术。从串联、并联、混联都试过,但是一直也没有采用过行星齿轮进行耦合(混合)技术。基本上采用的是离合器动力耦合技术。由于国内离合器动力耦合技术基本过不了关,而美国伊顿公司的混合动力公交车的机械式自动离合器得到推广,但是他的价格相对较高,与也也没有普及开来。国内一些公司在学习美国伊顿公司技术的基础上,进行了许多创新。但是产品质量很难与伊顿公司相比,经过10多年的努力,不过国内机械式自动离合器质量也提高了许多。

  3.动力混合公交车要取得成功,必须同时攻克三个难关,即发动机系统、电机系统、动力耦合(混合)技术必须是世界上最先进的。这对中国汽车界而言,基本上没有可能。

  4.中国大客车年生产量在15万左右,其公交大客车生产量在5-7万辆之间。大客车生产厂家的发动机系统、电机系统、动力耦合(混合)机构基本是外采的。中国大客车基本又是内销,其价格在全世界上又是最低的。要求中国的动力混合车公交车采用的发动机系统、电机系统、动力耦合(混合)机构必须是最先进的。这也基本做不到的。

  四、纯电动公交车为中国汽车”弯道超车“的发展带来了希望

  “弯道超车”是一个比喻而已,一些同仁解释“弯道处超车”是不对的。交通规则明确规定在弯道处不能超车,但是不会规定“禁止弯道超车”。要超车基本途径是“弯道”。纯电动公交车是如何弯道超车的?

  1.回避了发动机系统必须是最先进的,回避了动力耦合(混合)机构必须是最先进的两个难关;

  2.电机系统必须最先进的,中国与国外是一样的。这是必须要攻关的。原来是三个难关,现在剩下的一个难关。

  3.纯电动公交车最难是电机系统,再深入分析是“动力电池”。我国动力电池技术和产品是在世界上处于第一梯队。于是得出的结论是,中国纯电动公交车的技术最先进的。

  五、中国纯电动公交车技术上是最先进的,但是能不能用?

  中国纯电动公交车能不用起的瓶颈是也是动力电池。磷酸铁锂动力电池一次充电次数已经超过2000次,即用8年基本有保障,单体比能量已经达到140wh/公斤,系统比能量已经到达100wh/公斤,这个指标相对公交的日常的大概率事件,基本可以满足要求了,但应付小概率事件,还有一定的差距。

  在等待中国动力电池进步的路上,大客车生产厂家充分发挥自己的主观能动性,如开展轻量化攻关,提高纯电动公交车持续里程;通过充电的便利性,减轻公交企业多频次充电的劳动强度等,目前成熟的技术有在线充技术、安排专人的双枪快充技术等。

  结论是:中国纯电动公交车技术上是最先进的,而且是能用的。

  作者 湖北省汽车工程学会 雷洪钧

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