鄧翰文 孔莉 林長軍

（1.中國第一汽車股份有限公司商用車開發(fā)院，長春130011；2.福岡大學(xué),日本福岡 8140180）

主題詞：Hino Dutro Hybrid Profia 商用車

1 前言

日野汽車在日本商用車制造領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位，其在輕卡及中重卡領(lǐng)域?qū)旌蟿恿夹g(shù)不斷鉆研和探索[1]，開發(fā)的混動動力卡車車型最豐富，推廣應(yīng)用時間最長，市場保有量最大。本文旨在對日野汽車混合動力技術(shù)的近期發(fā)展情況進(jìn)行綜述，供商用車產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)人員參考。

2 輕卡混合動力新技術(shù)

日野汽車在輕卡動力的研究方面成果豐富，曾為并聯(lián)混合動力輕卡開發(fā)出一種扭矩分配控制系統(tǒng)，以其先進(jìn)技術(shù)引領(lǐng)著日本運(yùn)輸業(yè)[2]。

最近，日野汽車在輕卡上（圖1）又推出了Hino Dutro Hybrid混合動力系統(tǒng)，除了卓越的環(huán)保性能和燃油效率外，Hino Dutro Hybrid還提供了高水平的駕駛性能，通過匹配專用發(fā)動機(jī)和專用變速箱，燃油消耗水平可達(dá)到13.2 km/L，其節(jié)油水平比2015年燃油效率標(biāo)準(zhǔn)提高了15%。

圖1 日野輕卡混動車型[3]

2.1 Hino Dutro Hybrid混合動力系統(tǒng)

Hino Dutro Hybrid混合動力系統(tǒng)的主要動力結(jié)構(gòu)組成為“發(fā)動機(jī)+離合器+電動機(jī)+變速器”（圖2）。在發(fā)動機(jī)和電動機(jī)之間安裝了一個離合器,這是經(jīng)歷了大量的研發(fā)試驗(yàn)后形成的新的混合動力構(gòu)型。2011年前日野采用的是“發(fā)動機(jī)+電動機(jī)+離合器+變速器”這樣的構(gòu)型。日野第5代卡車將配置“發(fā)動機(jī)+離合器+電動機(jī)+變速器”[1]，通過這樣的變更，操作控制離合器有效利用能量，有助于提升燃油效率。

圖2 日野輕卡混合動力構(gòu)型（并聯(lián)式構(gòu)型）[4]

通過使用混合動力系統(tǒng)專用的清潔阿特金森循環(huán)柴油發(fā)動機(jī)N04C-UL（圖3），以及強(qiáng)有力的輔助發(fā)動機(jī)驅(qū)動的電動機(jī)的強(qiáng)化控制，完美地實(shí)現(xiàn)了燃料效率和動力性能。另外，在車輛減速時，電動機(jī)用作發(fā)電機(jī)，通過將車輛的動能轉(zhuǎn)換成電能，對動力電池充電來有效地利用能量。

圖3 日野輕卡混合動力總成示意圖[3]

2.2 PCU（功率控制單元）和混合動力電池

PCU作為集成了支持混合系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)、逆變器和混合動力電池的裝置，除了減輕重量外，它還可以實(shí)現(xiàn)良好地安裝緊湊性和整車匹配性能。

PCU為兩層結(jié)構(gòu)。在上層是電池相關(guān)器件，如電池和電腦以及電池的冷卻系統(tǒng)、冷卻風(fēng)扇和具有飛濺分離功能的冷卻管道。在底層，安裝了控制單元，如逆變器、混動電腦。這種緊湊型PCU有三個優(yōu)點(diǎn)[4]：

（1）可以安裝在短軸距的輕型卡車上；

（2）它很容易組裝和工作；

（3）可靠性很高。

混合動力電池是具有高輸出和高可靠性的鎳氫電池（圖4）。當(dāng)減速時，通過再生（充電）功能使獲得的能量對其進(jìn)行有效地充電，并且在起動和加速時向電動機(jī)提供電能。

圖4 鎳氫電池[3]

2.3 混合動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)

該混合動力系統(tǒng)根據(jù)不同工況會有6種工作狀態(tài)：（1）車輛起動時：車輛處于靜止起步狀態(tài)，離合器斷開，電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動車輛起步，變速器會自動選擇起步擋位，此時處于純電行駛狀態(tài)（圖5）；

（2）加速時：加速階段或需要強(qiáng)勁動力輸出時，離合器接合，發(fā)動機(jī)與電動機(jī)共同驅(qū)動車輛行進(jìn)，此時動力輸出最強(qiáng)（圖5）；

（3）勻速行駛時：離合器接合，電動機(jī)不工作，勻速行駛發(fā)動機(jī)可以保持在最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)，此時只使用發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輛能取得很好的燃油經(jīng)濟(jì)性；

（4）減速時：剎車減速或滑行時，離合器斷開，車輪帶動電動機(jī)發(fā)電，電量存儲到鎳氫電池中，回收制動能量（圖5）；

（5）停車時：車輛處于停車狀態(tài)，離合器斷開，發(fā)動機(jī)會自動熄火或啟動，具備自動啟停功能。

（6）發(fā)動機(jī)起動：離合器結(jié)合，電動機(jī)通過離合器起動發(fā)動機(jī)（圖5）。

圖5 混合動力系統(tǒng)工作狀態(tài)[4]

2.4 環(huán)保駕駛

該系統(tǒng)提供了一種ECO經(jīng)濟(jì)模式，實(shí)現(xiàn)環(huán)保地輕松駕駛。打開ECO經(jīng)濟(jì)模式后，車輛會增加電動機(jī)驅(qū)動的頻次，同時限制發(fā)動機(jī)的動力輸出，實(shí)現(xiàn)省油的效果。

混合動力系統(tǒng)指示燈，可實(shí)現(xiàn)對駕駛狀態(tài)的實(shí)時提示（圖6）。將混合動力系統(tǒng)的每個指示器安裝在儀表板中，實(shí)時為駕駛員指示車輛狀態(tài)。儀表盤中部為時速表，左側(cè)為轉(zhuǎn)速表，在中部右側(cè)帶有LED多功能顯示屏，在左下角帶有混動系統(tǒng)的電量顯示。駕駛員操作處于經(jīng)濟(jì)狀態(tài)時系統(tǒng)會給出提示，儀表盤由藍(lán)色變?yōu)榫G色。提高環(huán)保駕駛的意識，降低油耗。

圖6 儀表盤示意圖[3]

混合動力和柴油車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置怠速停機(jī)系統(tǒng)：在交通擁堵或等待紅綠燈停車時，發(fā)動機(jī)會自動停止，降低油耗，減少排放和噪音。

2.5 高壓電狀態(tài)對乘員的保護(hù)

安全方面，高壓電狀態(tài)對乘員的保護(hù)，滿足電動混合動力汽車的高壓下乘員保護(hù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和碰撞后高壓乘員保護(hù)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.6 自動變速器實(shí)現(xiàn)輕松駕駛

混合動力車型另一個優(yōu)勢是自動變速器，同噸位級別的燃油車基本都是手動擋變速器，操作不當(dāng)很容易導(dǎo)致變速器離合器片或齒輪異常磨損，長時間駕駛?cè)艘矔械狡?，增加了誤操作的概率。換成自動變速器的混合動力卡車，駕駛員開車輕松，變速器的故障率也能夠降低。

2.7 日野生態(tài)樹報告

Hino Dutro Hybrid混合動力系統(tǒng)符合新的長期排放法規(guī)，現(xiàn)已在其車輛的控制計(jì)算機(jī)中積累了各種駕駛數(shù)據(jù)。生態(tài)樹報告是一種可用于在執(zhí)行維護(hù)和定期檢查時，從數(shù)據(jù)中診斷客戶操作的報告。通過日野生態(tài)樹報告，可以了解到如下信息：

（1）根據(jù)駕駛情況提供省油駕駛的建議：包括加速踏板的踩踏情況、空閑運(yùn)營時間、平均車速和最高車速、ECO燈的點(diǎn)亮率、怠速停止率、排氣制動器的使用率和電力使用狀態(tài)（再生、輔助等）等數(shù)據(jù)。

（2）重新確認(rèn)安全駕駛數(shù)據(jù)：突變的使用操作（制動操作、快速加速）等數(shù)據(jù)。

（3）提供預(yù)防性維護(hù)的提示：制動操作的強(qiáng)度、所用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的使用范圍等數(shù)據(jù)。

2.8 后處理系統(tǒng)

AIR LOOP是日野開發(fā)的革命性清潔柴油系統(tǒng)。通過采用不使用尿素的清潔發(fā)動機(jī)和DPR過濾器來減少NOx（氮氧化物）和PM（碳煙顆粒物質(zhì)），提升燃燒效率的同時減少CO2排放。發(fā)動機(jī)吸入空氣后，所產(chǎn)生的廢氣可以自然返回至大氣中而不會造成污染，實(shí)現(xiàn)清潔空氣向地球循環(huán)的目的。

柴油車、柴油混合動力車均匹配DPR過濾器（圖7），其中DPR過濾器（高耐熱陶瓷過濾器）安裝在兩個氧化催化劑的之間，減少廢氣中的NOx并收集PM，通過DPR過濾器的汽車再生功能來處理累積的碳顆粒。根據(jù)駕駛條件，自動再生功能在一定的工況下才能實(shí)現(xiàn)。此外，該系列產(chǎn)品還包括先進(jìn)后處理系統(tǒng)DPR-II來符合下一代排放法規(guī)。除了滿足環(huán)保性能和經(jīng)濟(jì)性，還能保證清潔柴油系統(tǒng)的緊湊性。

圖7 清潔發(fā)動機(jī)+后處理系統(tǒng)DPR/DPR-II[3]

3 大型卡車混合動力新技術(shù)

日野汽車新開發(fā)的Profia Hybrid混合動力卡車，將于2019年夏天在日本國內(nèi)發(fā)售。與純電動重卡AI不同的是，日野的這套系統(tǒng)首次將人工智能系統(tǒng)應(yīng)用在了非純電動卡車上。日野Profia Hybrid系統(tǒng)采用一個電動機(jī)的并聯(lián)混合動力技術(shù)。以A09C型9 L發(fā)動機(jī)作為基礎(chǔ)開發(fā)的A09C-VM發(fā)動機(jī)，功率/扭矩為279 kW(380馬力)/1 765 N·m。電動機(jī)輸出能力是90 kW/784 N·m，變速器組合為12AMT。搭載了首次量產(chǎn)的密封型鋰電池，與2017年發(fā)售的“日野Profia”是共平臺產(chǎn)品。

不同于小型卡車經(jīng)常性的起停工況，大型卡車以在高速公路上的勻速行駛為目標(biāo)，因?yàn)槠饎?、停止的頻率很小，所以一直以來都認(rèn)為混合動力技術(shù)的節(jié)能減排效果并不顯著。然而，日野汽車著眼于高速公路的坡度信息，開發(fā)出了新的混合動力系統(tǒng)。

具體來說，大型卡車質(zhì)量大，下坡時的減速能量非常大，可以進(jìn)行充分利用，新開發(fā)的混合動力系統(tǒng)就解決了這一控制問題。小型卡車使用傳統(tǒng)的混合動力系統(tǒng)回收能量，收獲的減速能量可以在起動、加速時使用。而這個新的大型卡車所用的新型混合動力系統(tǒng)在下坡等工況的減速能量可以通過電動機(jī)回收，在勻速行車時使用。如果電池充滿電，在只有電動機(jī)工作時車輛可最大行駛14 km。此時，發(fā)動機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，與驅(qū)動系統(tǒng)分離。

這套系統(tǒng)包含了GPS、陀螺儀等多個傳感器，通過類似采集道路3D地形信息，來更精準(zhǔn)地控制車輛的動力輸出和回收。利用定位器ECU讀取前進(jìn)方向100 km前的路況坡度，通過AI制訂電池的使用控制策略。再以每10 km的坡度信息優(yōu)化更細(xì)小的扭矩分配程序。也就是說，Hybrid Profia系統(tǒng)能夠根據(jù)車輛的載重情況和實(shí)時路況坡度，自行選擇最優(yōu)的動力輸出模式（圖8）。這是世界上首次應(yīng)用的電池管理與扭矩分配控制技術(shù)。在下坡時還能自動對電池進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)能量回收。但是，這不是實(shí)際道路的坡度，畢竟是車輛前方100 km的路況坡度信息。

圖8 大型混動卡車新控制系統(tǒng)開發(fā)示意圖[5]

雖然控制策略不是按照實(shí)際試驗(yàn)行駛路線的詳細(xì)坡度得到的，只是按照行進(jìn)方向坡度的大概試驗(yàn)行駛的路線行駛，也得到了減少油耗的有效數(shù)據(jù)。據(jù)日野汽車公司測試的數(shù)據(jù)顯示，從羽村到燒津往返360 km（其中，一般道路90 km，高速道路270 km），可實(shí)現(xiàn)節(jié)省14 L輕油的效果，提高了15%的燃油使用率。

另外，Profia Hybrid混合動力卡車的價格尚未公布。在一定的回收期內(nèi)，通過先進(jìn)的混合動力技術(shù)節(jié)省卡車運(yùn)營燃油成本，用戶很快會收回購車費(fèi)用增加的資金。對于用戶來說采購成本增加不多，但是綜合使用成本要遠(yuǎn)低于現(xiàn)在市場上銷售的燃油車輛。如果全周期運(yùn)營成本削減效果顯著的話，可以預(yù)見，日本國內(nèi)的日野大型卡車將全部切換為混合動力系統(tǒng)。

4 結(jié)論

日野商用車的混動技術(shù)是一種較為成熟的方案，本文介紹了日野汽車在輕卡上開發(fā)的Hino Dutro Hybrid混合動力系統(tǒng)和重卡上開發(fā)的Profia Hybrid混合動力系統(tǒng)。無論是輕卡上的混動形式，還是重卡上的坡度信息識別和減速能量回收系統(tǒng)，都在節(jié)能方面發(fā)揮了顯著的效果，可以作為開發(fā)商用車混合動力車型的典范。日野公司技術(shù)的先進(jìn)之處和實(shí)踐樣例，為商用車混合動力技術(shù)的發(fā)展開辟了前進(jìn)方向。