董大陸 孔莉 呂曉剛 林長軍

（1.一汽解放汽車股份有限公司商用車開發(fā)院，中國長春 130011；2.福岡大學(xué),日本福岡 8140180）

主題詞：CO2零排放 重型商用車 混合動力 人工智能

1 前言

日野汽車作為世界商用車混合動力技術(shù)開發(fā)的先驅(qū)，面向未來市場需求與發(fā)展展望，日野認(rèn)為下一代商用車的關(guān)鍵是電動化。電動車的優(yōu)勢是滿足零排放、低噪音等需求，這使電動車可以面向更廣泛的應(yīng)用場景。在輕型商用車領(lǐng)域，市場已有多款電動化的產(chǎn)品。然而面臨著制造成本、續(xù)駛里程需求等諸多挑戰(zhàn)，在重型商用車領(lǐng)域的電動化技術(shù)市場化應(yīng)用始終進(jìn)展緩慢[1]。

日野汽車于2017年10月制定了“環(huán)境挑戰(zhàn)2050”目標(biāo)，要在2050年實(shí)現(xiàn)“新車挑戰(zhàn)二氧化碳零排放（產(chǎn)品行駛時(shí)CO2排放量減少90%）”的目標(biāo)。日野汽車公司生產(chǎn)的重型卡車的CO2排放量約占公司總量的70%，在日本重型卡車燃料消耗量占國內(nèi)商用車燃料消耗量的60%，因此提升重型卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性對減少CO2排放意義重大。面向環(huán)境挑戰(zhàn)2050年的需求，同時(shí)考慮現(xiàn)有發(fā)動機(jī)技術(shù)的利用，日野開發(fā)商用車混合動力技術(shù)以面向下一代重型商用車的低碳化發(fā)展挑戰(zhàn)。

2 日野首款混合動力重型車概述

日野汽車于2018年7月17日宣布將于2019年夏季推出世界上第一臺搭載混合動力系統(tǒng)的重型卡車“Profia”。Profia Hybrid為該公司第六代混合動力技術(shù)的首款車型，如圖1所示。Profia Hybrid是一款創(chuàng)新型重型卡車，是日野邁向2050年CO2排放目標(biāo)的第一步。日野從2010年開始研究重型卡車的混合動力系統(tǒng)，2014年開始全面開發(fā)，到推出全球首臺搭載混合動力系統(tǒng)Profia Hybrid車型的商業(yè)化可以說達(dá)到了重型商用車電動化的新高度。

圖1 日野Profia Hybrid車輛宣傳圖[2]

眾所周知，乘用車的混合動力技術(shù)已經(jīng)在日本廣泛應(yīng)用?；旌蟿恿ο到y(tǒng)由于其工作特點(diǎn)，更適用于在工況多變的城市內(nèi)使用，在頻繁的啟停工況及加減速過程中減少能源消耗，因此部分市內(nèi)運(yùn)輸?shù)妮p型卡車和公交車也有混合動力版，然而混合動力卡車只有載重2 t以內(nèi)的輕型款（如Hino Dutro，Isuzu Elf等）?；旌蟿恿ο到y(tǒng)并沒有在長途客車和中重型卡車上應(yīng)用。

根據(jù)日野汽車的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，輕型卡車使用工況約有86%比重為一般道路，而重型卡車高速公路行駛工況比重達(dá)到57%[3]。因此，在加速/減速工況比重較小的重型卡車中，傳統(tǒng)的混合動力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)很小，即使作為商用車的混合動力技術(shù)先驅(qū)的日野公司之前也沒有在重型卡車上采用混合動力技術(shù)，而Profia Hy?brid是世界上第一輛混合動力重型卡車。

3 混合動力系統(tǒng)開發(fā)

日野汽車通過對重型卡車的使用工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析后得出，在高速公路上下坡工況下，重型卡車可以產(chǎn)生超過小型卡車十倍的可回收能量，這也是日野研發(fā)重型卡車新型混合動力系統(tǒng)的主要驅(qū)動力之一。日野面向重型卡車使用工況開發(fā)新型混合動力控制系統(tǒng)，日野Profia Hybrid采用并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，而在整個(gè)控制系統(tǒng)使用基于人工智能（AI）的新型控制系統(tǒng)[4]。

Profia Hybrid并聯(lián)式構(gòu)型的混合動力系統(tǒng)采用日野A09C發(fā)動機(jī)，如圖2所示，發(fā)動機(jī)排量為8.866 L、最大輸出功率為279 kW/1 700 r/min、最大扭矩為1 765 N·m/1 100 r/min；電機(jī)最大輸出功率為90 kW/1 100～2 900 r/min、最大扭矩為784 N·m/1 100 r/min；動力通過12擋AMT（機(jī)械自動變速器）傳遞到后輪；逆變器為197 kVA；電池配備288 V-40 Ah（額定容量1.1 kW·h）的大容量鈦酸鋰電池，采用內(nèi)循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)[5]。

圖2 日野A09C發(fā)動機(jī)[5]

新型的混合動力系統(tǒng)在重型卡車下坡及制動時(shí)，發(fā)動機(jī)脫開變速器，通過電機(jī)回收能量，電機(jī)發(fā)電后電能輸送到動力電池儲存；在勻速行駛工況時(shí)，既可以用發(fā)動機(jī)動力單獨(dú)驅(qū)動整車（電機(jī)脫開），也可以采用電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動模式（EV模式），而采用何種驅(qū)動是基于人工智能系統(tǒng)進(jìn)行管理與切換；而在加速及爬坡時(shí)，可以通過人工智能自行判斷進(jìn)行預(yù)加速，采用電機(jī)輔助加速或爬坡，增加整車動力性，減少燃料消耗[6]，混合動力系統(tǒng)工作原理見圖3。

圖3 Profia混合動力基本架構(gòu)與工作原理圖[3]

日野在其羽村工廠的試驗(yàn)場內(nèi)使用高環(huán)測試路進(jìn)行了多種不同工況模式下混合動力系統(tǒng)工作情況的體驗(yàn)試駕活動。各工況包括：加速過程中電動機(jī)輔助行駛、在整車70 km/h速度時(shí)發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動行駛和EV模式電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動行駛、以及再生制動能量回收。有無電動機(jī)輔助可根據(jù)油門開度進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到一定程度的油門開度和車速的情況下也能變成EV模式。EV模式下發(fā)動機(jī)仍處于怠速狀態(tài)(為助力轉(zhuǎn)向和制動系統(tǒng)提供動力)，發(fā)動機(jī)與離合器斷開，僅使用電機(jī)驅(qū)動行駛[3]。制動或下坡工況通過減速器后電機(jī)進(jìn)行能量回收，通過逆變器把回收電能儲存在電池中，此時(shí)類似于普銳斯等車型的能量回收過程[7]，當(dāng)人工智能控制系統(tǒng)判斷車輛在制動或下坡工況時(shí)系統(tǒng)優(yōu)先進(jìn)行能量回收[3][8]。

與傳統(tǒng)的重型卡車不同，在EV模式下以70 km/h的速度行駛時(shí)，即使發(fā)動機(jī)處于怠速狀態(tài)，也幾乎聽不到發(fā)動機(jī)工作的的聲音，駕駛室內(nèi)部非常安靜，傳進(jìn)來的只是胎噪聲，且感受不到來自發(fā)動機(jī)的振動，說明Profia具有良好的NVH水平；Profia也有良好的人機(jī)交互特性，諸如再生（充電）和輔助之類的狀態(tài)會顯示在儀表中的多信息顯示器上，有助于駕駛員了解車輛解處于哪種運(yùn)行模式。

4 基于人工智能的控制系統(tǒng)

為了使混合動力系統(tǒng)更高效節(jié)能，日野還引入了人工智能(AI)系統(tǒng)，基于衛(wèi)星定位的路況信息進(jìn)行優(yōu)化控制以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。在運(yùn)行狀態(tài)自適應(yīng)型輔助控制中，AI引入了諸如運(yùn)行負(fù)載、坡度、發(fā)動機(jī)狀態(tài)、加速踏板開度、電池狀態(tài)、駕駛員的駕駛風(fēng)格和習(xí)慣、道路狀況和擁堵等車輛狀況，基于AI系統(tǒng)的ECU判斷混合動力控制并自動優(yōu)化電動機(jī)輔助量，通過AI對電池進(jìn)行管理和扭矩分配控制，可以達(dá)到執(zhí)行最佳節(jié)能控制。

從GPS與車速傳感器等獲取車輛信息，ECU基于內(nèi)置地圖信息獲取行駛路線前方100 km道路的標(biāo)高、坡度等信息，制定下一段100 km路程內(nèi)電池使用的基本控制策略，并且每10 km通過道路交通狀況和地圖創(chuàng)建更詳細(xì)的發(fā)動機(jī)與電機(jī)的扭矩分配方案，見圖4。通過人工智能AI來判斷駕駛員意圖并執(zhí)行最佳控制的混合動力策略，以達(dá)到最大限度的節(jié)省燃料，使用AI并響應(yīng)駕駛員對各種駕駛的意愿，例如“讓我們現(xiàn)在慢慢跑”或“快點(diǎn)！”，通過AI的支持以確定混合動力系統(tǒng)介入的駕駛工況[9]。

圖4 Profia Hybrid人工智能控制原理[3]

日野對Profia Hybrid進(jìn)行了道路實(shí)測試驗(yàn)，車輛整備質(zhì)量是25 t，車輛自動空調(diào)設(shè)置為25℃，測試道路為：羽村-厚木-燒津，其中羽村到厚木為90 km普通公路，厚木到燒津?yàn)?70 km高速公路。測試結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)柴油車相比，Profia Hybrid可以減少14 L燃油，約合100 km節(jié)油3.89 L,整車節(jié)油約15%[3]。

5 通用化與模塊化設(shè)計(jì)

推進(jìn)商用車電動化可以選擇EV（電動車輛）、PHV（插電式混合動力）和FCV（燃料電池汽車）等不同技術(shù)路線，而電動化過程中充分考慮技術(shù)的可持續(xù)性與可長期發(fā)展需求，可以有效降低成本。通過動力系統(tǒng)的通用化與模塊化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步減少開發(fā)時(shí)間和成本。通過整車平臺可選用不同動力系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，即動力系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)與開發(fā)，具有高設(shè)計(jì)自由度的商用車在未來可以滿足更多不同的市場需求。

在日野的技術(shù)展示會中，展示了基于Profia Hy?brid混合動力的不同整車產(chǎn)品[3]，包括底盤3軸和4軸的車輛。日野還開發(fā)了一款混合動力的冷藏車Profia Cool Hybrid，預(yù)計(jì)在2019年夏季推出（圖5）。Profia Cool Hybrid同時(shí)把冷藏系統(tǒng)與混合動力系統(tǒng)結(jié)合，由人工智能系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行能量管理（圖6），其系統(tǒng)具有短時(shí)停車及休息時(shí)仍可持續(xù)制冷的特點(diǎn)，同時(shí)還具有低噪聲、節(jié)油明顯、車輛管理成本好等優(yōu)勢，這也將使Pro?fia Cool Hybrid在其細(xì)分市場具有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢[2]。這顯示了其混合動力系統(tǒng)具有廣泛的適用性。

圖5 Profia Cool Hybrid冷藏車[2]

圖6 Profia Cool Hybrid基本架構(gòu)[2]

結(jié)合車輛的人工智能系統(tǒng)，日野的Profia Hybrid整車安全也有其獨(dú)特之處，如搭載有預(yù)碰撞安全PCS系統(tǒng)，PCS系統(tǒng)在車輛速度約10 km/h時(shí)開始工作，可有效降低與行人及車輛碰撞的事故風(fēng)險(xiǎn)；在輔助駕駛中有自適應(yīng)巡航、車輛車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、疲勞駕駛提示系統(tǒng)等技術(shù)，可以有效的輔助司機(jī)安全駕駛。

6 結(jié)論及展望

日野汽車計(jì)劃逐漸提升在全球銷售的商用電動車比例，預(yù)計(jì)在2050年時(shí)將電動車的銷售比例提升至100%，屆時(shí)將不再生產(chǎn)使用柴油動力的商用車[3]，未來重型卡車需要不斷降低燃料消耗，降低CO2排放。面對未來使用過程CO2零排放要求，重型商用車電動化是必然趨勢。對于全球不斷嚴(yán)格的節(jié)能減排要求，Profia Hybrid證明了重型商用車采用混合動力技術(shù)可使CO2排放降低15%，說明混合動力技術(shù)可作為面向CO2零排放目標(biāo)的重要過渡技術(shù)之一。

基于現(xiàn)在的市場需求、技術(shù)成熟度以及成本考慮，商用車立即全面電動化是不現(xiàn)實(shí)的。面對逐步嚴(yán)格的CO2排放要求，商用車節(jié)能減排的技術(shù)必須不斷進(jìn)步，除傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)提升熱效率與整車節(jié)能技術(shù)外，日野的混合動力技術(shù)也是其中一條值得商用車企業(yè)借鑒的技術(shù)路線。