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先進的輕型貨車混合動力系統(tǒng)的開發(fā)

【日】武田信章木內(nèi)達雄

摘要：為了改善貨車和公交客車的燃油效率，自20世紀80年代，三菱扶?？蛙嚬揪烷_發(fā)了相應的混合動力技術。2012年5月推出市場的新一代混合動力輕型貨車已具備同級別車型中的頂級燃油經(jīng)濟性，并因此獲得市場認可。嘗試回顧三菱扶桑卡客車公司近30年來的混合動力技術發(fā)展歷史，并介紹新一代混合動力輕型貨車的開發(fā)要點。

關鍵詞：混合動力系統(tǒng)鋰離子蓄電池自動變速器雙離合能量再生

0前言

近年來，環(huán)境保護的重要性已受到廣泛重視，汽車行業(yè)也正在將各種環(huán)保車型推向市場。尤其是乘用車，能在行駛過程中完全不排放CO2的電動車性能得到大幅提升，現(xiàn)已完全達到能適用于一般消費者的水平。

在貨車及客車等商用車領域，作為應對地球氣溫升高的對策，迫切要求減少其CO2排放量，同時，降低車輛的燃油耗也已成為運輸業(yè)的重要節(jié)能對策。作為節(jié)能減排的相應技術措施，日本三菱扶?？蛙嚬窘o予混合動力技術相當重要的產(chǎn)品定位，在過去的30年中，該公司開發(fā)出各種混合動力系統(tǒng)。本文在回顧各代混合動力系統(tǒng)的同時，介紹

最新的Canter環(huán)保型混合動力輕型貨車所配裝的高性能混合動力系統(tǒng)的技術要點。

1商用車混合動力系統(tǒng)的發(fā)展歷史

1.1　20世紀70年代

圖1示出了三菱扶?？蛙嚬镜幕旌蟿恿嚢l(fā)展歷史。其中值得關注的是，約40年前的1973年，當時的三菱汽車公司生產(chǎn)了電動公交客車(非無軌電車，而是裝用鉛酸蓄電池的蓄電池驅動電動車)，并在京都市及神戶市交通局的協(xié)助下，進行實際的商業(yè)運營。但是，由于液體鉛酸蓄電池的維護保養(yǎng)極為耗時耗力，這種零廢氣排放的電動客車僅運營幾年之后就退役了。

1.2　1980-2000年

之后，針對公用性廣且有利于城市環(huán)境的車輛，積極推進了公交客車的低公害化研究進程。

傳統(tǒng)配裝柴油機的公交客車燃油效率高，為了降低其廢氣排放，以及進一步降低車輛的行駛燃油耗，當時的研究人員認為，制動能量再生型混合動力系統(tǒng)是較為適用的技術，即在車輛減速制動時，將總質量超過10t的車輛產(chǎn)生的運動能臨時儲存起來，以供之后車輛起步及加速時使用。

眾所周知，儲存制動能量的方法通常有以下3種： (1)將車輛的運動能轉換為電能，為蓄電池或電容器等蓄電裝置充電；(2)將車輛的運動能轉換為液壓能量，并儲存到儲能器中；(3)以原來的運動能形式儲存到飛輪中。

當時研究的結果是采用上述第(2)項液壓式儲能系統(tǒng)。主要基于以下原因： 柴油機與液壓系統(tǒng)的結合可以說是成熟技術之間的組合；此外，無須建設新的基礎設施，有望迅速進入實用化階段。1994年，這種混合動力車作為低公害車通過相關法規(guī)的認證，并以“MBECS公交車”為名在日本主要的8個城市中實施車隊試驗，之后，進一步改善燃油經(jīng)濟性并降低排放的改良車型被正式推向市場[1]。

另一方面，前文所述第(1)項電動式混合動力系統(tǒng)具有可控性好、質量輕等液壓式儲能系統(tǒng)所無法比擬的優(yōu)點，所以，研究人員針對適用于貨車及客車的最佳系統(tǒng)結構，進行了相關研究(圖2)。

輕型貨車主要在市區(qū)道路行駛，行駛過程中會出現(xiàn)頻繁起停的現(xiàn)象，因此，1995年，三菱扶?？蛙嚬疽訡anter車為對象，開發(fā)了串聯(lián)式混合動力概念車，并在市區(qū)道路行駛工況下進行試驗，確認其能量效率、燃油耗及排放性能均有較大的改善[2]。

但是，當時可選用的車載蓄電池只有密封型的鉛蓄電池，會導致車輛空車質量增加，有效載貨量減少，因此，這一混合動力車還達不到真正上市銷售的水平。對商用車而言，只有在確保貨物裝載量的前提下，車輛才會具有其應有的商業(yè)價值。

為推進貨車及客車的混合動力化進程，可以充分再生利用貨車制動能量的小型高性能蓄電池是必不可少的。以此為重要課題，研究人員最終將注意力集中于鋰離子蓄電池，并與三菱汽車公司乘用車部門的研發(fā)人員合作，聯(lián)合推進鋰離子蓄電池的實用化研發(fā)工作[3]。

作為貨車及客車專用的蓄電池，不僅必須具備較高的功率性能，同時，還必須具備能儲存大量再生制動能量的充電性能。為此，研究人員設定的目標是，要求其具備與電動乘用車用蓄電池不同的功率密度、能量密度，以及電池容量，并在三者之間實現(xiàn)良好的平衡，開發(fā)出配裝于貨車及客車的混合動力專用新型鋰離子蓄電池。最后，在實施電池管理裝置研發(fā)，以及各種安全性和耐久性試驗之后，成功開發(fā)出能應用于車輛的鋰離子蓄電池。

期間，三菱扶?？蛙嚬窘邮苄履茉醇爱a(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(NEDO)的委托，自1997年起的7年間，作為高效率清潔能源汽車研發(fā)項目(ACE項目)的成員單位，參與配裝壓縮天然氣(CNG)發(fā)動機的混合動力貨車的研發(fā)工作。搭載新型鋰離子蓄電池的混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)與CNG發(fā)動機完美結合后，與配裝傳統(tǒng)柴油機的2.0t級貨車相比，車輛的燃油耗及CO2排放量均減少50%，廢氣排放減少75%[4]，達成了預期的開發(fā)目標。

1.3　2000-2010年

對城市公交車輛而言，不僅要求其廢氣排放低、靜音性好，還要求其在實際使用中具有無障礙化的便利性。液壓儲能式混合動力車的車身底下搭載2個巨大的儲能器，所以無法取消上下車用的臺階。因此，研究人員決定替換液壓儲能式混合動力系統(tǒng)，以擴大車輛地板面積、取消上下車臺階、提高乘坐舒適性為目標，實現(xiàn)驅動系統(tǒng)的小型化，提高布局自由度，最終采用無須重新建設基礎設施的以柴油機發(fā)電的串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)[5]。名為“Aero Star無障礙混合動力電動車”的公交客車在2000年的東京國際車展上亮相之后，于2002年，在日本國內(nèi)首次開始客運線路的運營。此外，2007年，進一步提高性能的第2代Aero Star環(huán)保型混合動力車被推出市場。由于實現(xiàn)了100%電動機驅動，所以，車輛沒有變速(換檔)沖擊感，可順暢地加速或減速，并且具備低振動性能，該車型在實際的運營過程中受到乘客及駕駛人員的高度好評。

與此同時，輕型貨車的混合動力化研發(fā)工作也得到推進。根據(jù)之前概念車的研發(fā)經(jīng)驗，輕型貨車基本上也是在市區(qū)道路行駛，但與公交客車不同，貨車還必須適應包括高速公路等各種路況在內(nèi)的不同行駛需求，所以，研究人員決定采用并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。此外，按照電動機安裝位置的不同，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)可分為圖3所示4種結構方式，為了最大限度地再生利用制動能量，選擇圖3中的“P2混合動力系統(tǒng)”，在制動時切斷離合器，以充分利用發(fā)動機全部制動力產(chǎn)生的能量。此外，由于機械式自動變速器與電動機實現(xiàn)一體化，改善了車輛的操控性。作為率先使用鋰離子蓄電池的輕型貨車，2006年7月，第1代Canter環(huán)保型混合動力車被推向市場。

1.4　2010年之后

2010年11月，以Canter車為基礎車型，實施全面的車輛型式變更，研發(fā)人員重新設計Canter環(huán)保型混合動力車的系統(tǒng)結構，引進創(chuàng)新技術，最終于2010年5月公布并銷售燃油耗達到同等級車輛最高水平的新一代Canter環(huán)保型混合動力車。下文將詳細介紹最新的貨車專用混合動力系統(tǒng)的技術要點。

2新一代的混合動力輕型貨車

在以往經(jīng)驗基礎上，研究人員在開發(fā)新一代Canter環(huán)保型混合動力車的過程中主要攻克了以下幾方面的技術難關： (1)混合動力裝置的創(chuàng)新；(2)新開發(fā)的雙離合變速器(DCT)與混合動力系統(tǒng)相結合；(3)實現(xiàn)與Daimler公司的零部件通用化；(4)與全球供應商進行聯(lián)手技術開發(fā)。

2.1　混合動力裝置的創(chuàng)新

2.1.1電動機

新車型采用的電動機與上一代電動機尺寸大致相同，但最高功率提高5kW。此外，冷卻方式由間接水冷方式變更為使用自動變速器油直接冷卻的方式，在提高冷卻效率的同時，減輕質量10kg。

2.1.2逆變器

由于與Daimler公司乘用車部門實現(xiàn)零部件的通用化，所以，雖然與上一代產(chǎn)品相比，新一代混合動力輕型貨車的逆變器質量和體積減少約50%，但增加了可處理鋰離子蓄電池12V電壓的DC-DC轉換器，獲得了極大的技術進步。

2.1.3鋰離子蓄電池

新一代混合動力輕型貨車采用新型疊片式蓄電池(圖4)，與上一代產(chǎn)品相比，雖然電池容量增加36%，但蓄電池組件的整體質量減輕約25kg。

2.1.4安全功能

在因車輛整備等原因拆卸混合動力裝置的情況下，為了在高電壓部位外露的狀態(tài)下接通電路時不觸動高電壓，增加了安全聯(lián)鎖功能。此外，還配備了在遭遇事故時檢測鋰離子蓄電池所受沖擊并自動切斷高電壓的功能，以及在實施救援時能即刻切斷高電壓的開關等(圖5)，提高了安全性。同時，對車輛進行側面碰撞試驗，確認不會因事故發(fā)生高電壓部位外露或絕緣電阻降低，以及蓄電池電解液泄漏等危險情況(圖6)。

2.2　DCT與混合動力裝置的組合

為了確保上一代車型就已具備的同等級車輛中頂級的燃油耗水平，以及優(yōu)異的駕駛性能，必須在離合器與變速器之間設置1個電動機。因此，在開發(fā)初期確立了以下設計理念： (1)只在DCT偶數(shù)齒輪段的離合器后方布置電動機；(2)在內(nèi)離合器接合的條件下，利用奇數(shù)齒輪段行駛時，可實施電動機輔助及制動能量再生(圖7)。然而，在實際的開發(fā)過程中，編制控制軟件并實現(xiàn)最佳的校準操作是相當困難的，為將上述設計理念與提高車輛燃油經(jīng)濟性聯(lián)系在一起，研發(fā)人員付出了極大的努力。最終，與上一代車型相比，新車型實現(xiàn)了改善燃油經(jīng)濟性10%以上的目標(圖8)，達到了同等級車輛中的最高水平，這也是三菱扶?？蛙嚬净旌蟿恿夹g發(fā)展的最新成果。這一技術的先進性已得到廣泛認可，作為商用車，新一代Canter環(huán)保型混合動力車首次榮獲日本RJC年度車型特別獎。除此之外，基于DCT與混合動力系統(tǒng)的完美結合，該款輕型貨車還具備下文所述各項功能。

2.2.13檔變速起步

基礎車型所采用的DCT具備可根據(jù)路面坡度自動選擇起步變速檔位的功能，但混合動力車型在平坦路面行駛時，起步的變速檔位設定為3檔。通常，車輛起步之后，變速器的轉速在達到發(fā)動機怠速轉速時，離合器被接合，此時就利用發(fā)動機+電動機的動力行駛；新一代混合動力車設定為3檔起步，在車輛起步后，離合器接合的車速從上一代車型的7km/h被提升到10km/h，這不僅有利于改善燃油經(jīng)濟性，還有助于提高駕駛愉悅性。另外，此時電動機是由2檔齒輪段傳遞扭矩，即便在車輛滿載的情況下，也不會產(chǎn)生扭矩不足的感覺，這也是新系統(tǒng)的特征之一。

2.2.2電動機驅動滑行

與上一代車型相比，為了提高用戶期待的微動性能，設置電動機驅動滑行功能，即便不踩下油門，也可產(chǎn)生扭矩輸出。由此，大幅提高了車輛在坡道起步及倒車行駛等條件下的操控性能。

2.3　與Daimler公司的零部件通用化

包括前文所述逆變器在內(nèi)，高壓電纜及混合動力裝置冷卻水泵等眾多零部件都已實現(xiàn)與Daimler公司產(chǎn)品的通用化，為大幅降低成本作出了貢獻。

2.4　與全球供應商的合作研發(fā)

包括Canter基礎車型在內(nèi)，此次新車型全面型式變更的一大亮點就是與全球供應商的相互合作。包括混合動力專用裝置在內(nèi)，不僅有與Daimler公司產(chǎn)品實現(xiàn)通用化的逆變器及高壓電纜，而且，作為核心部件的鋰離子蓄電池，也使用海外供應商的產(chǎn)品，而最具影響力的則是與海外供應商聯(lián)手開發(fā)的柴油機。混合動力系統(tǒng)的大部分驅動能量是由柴油機產(chǎn)生的，因此，如果匹配的柴油機性能出現(xiàn)缺陷，車輛就有可能無法行駛。雖然在此次開發(fā)末期的關鍵時刻，柴油機與混合動力系統(tǒng)的協(xié)調控制方面出現(xiàn)一些技術障礙，但在加深理解其相互關系并分析狀況之后，研究人員成功地解決了問題，并因此獲得了難得可貴的技術經(jīng)驗。

3結語

貨車及客車的使命是在額定尺寸及質量條件下，安全地運輸大量人員或貨物。同時，也迫切要求能減少其廢氣排放量，降低噪聲，從而有利于環(huán)境保護。另外，為節(jié)省石油資源，還要求改善車輛燃油經(jīng)濟性，甚至希望可以不采用石油燃料。

對于公交客車而言，每天或每次行駛的續(xù)航里程是相對固定的，所以，各家制造商歷來就將研究重心放在蓄電池式電動車方面。除了滿足環(huán)保方面的要求外，基于純電力驅動的車輛還能實現(xiàn)乘坐舒適性方面的目標。進而，為了獲得更加舒適、更加環(huán)保的交通工具，也期待具有更高性能的蓄電池及燃料電池能早日進入實用化階段。

針對在市區(qū)道路行駛的載貨2.0~3.0t級的貨車，到目前為止，已進行過串聯(lián)式、并聯(lián)式，以及混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的研究工作。這次，以滿足用戶(物流公司)要求為目標，三菱扶?？蛙嚬鹃_發(fā)了全新的混合動力系統(tǒng)，精心打造具備優(yōu)異性能的輕型貨車。今后，在嘗試進一步提高各種裝置及設備性能的同時，還將繼續(xù)擴大混合動力技術的應用范圍。

參考文獻

[1] 河野洋一郎, ほか. MBECS-Ⅱ路線バスの開発[J]. 三菱自動車テクニカルレビュー, 1996, No.8: 75-81.

[2] 武田信章, ほか. 小型トラック用ハイブリッド電気自動車のエネルギー効率[J]. 三菱自動車テクニカルレビュー, 1998, No.10: 52-55.

[3] 武田信章, ほか. ハイブリッド電気自動車用高性能リチウムイオン電池[J]. 三菱自動車テクニカルレビュー, 2003, No.15: 70-75.

[4] NEDO. 高効率クリーンエネルギー自動車の研究開発 (事後評価) [C]. 分科會配布資料, 資料6, 2004.

[5] 須々木裕太, ほか. シリーズ式HEVノーステップバスの開発[G]. 自動車技術會論文集, 2002, 33(1): 101-104.

彭惠民譯自自動車技術， 2014， 68(1)

朱曉蓉校

朱曉蓉編輯

收稿日期：( 2014-07-03)