日野汽車混合動力技術近期發(fā)展綜述

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,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域占據(jù)領導地位，其在輕卡及中重卡領域對混合動力技術不斷鉆研和探索[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的近期發(fā)展情況進行綜述，供商用車產(chǎn)品開發(fā)的技術人員參考。

2 輕卡混合動力新技術

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)，以其先進技術引領著日本運輸業(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)動機和專用變速箱，燃油消耗水平可達到13.2 km/L，其節(jié)油水平比2015年燃油效率標準提高了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)的主要動力結構組成為“發(fā)動機+離合器+電動機+變速器”（圖2）。在發(fā)動機和電動機之間安裝了一個離合器,這是經(jīng)歷了大量的研發(fā)試驗后形成的新的混合動力構型。2011年前日野采用的是“發(fā)動機+電動機+離合器+變速器”這樣的構型。日野第5代卡車將配置“發(fā)動機+離合器+電動機+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型（并聯(lián)式構型）[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N04C-UL（圖3），以及強有力的輔助發(fā)動機驅動的電動機的強化控制，完美地實現(xiàn)了燃料效率和動力性能。另外，在車輛減速時，電動機用作發(fā)電機，通過將車輛的動能轉換成電能，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)的計算機、逆變器和混合動力電池的裝置，除了減輕重量外，它還可以實現(xiàn)良好地安裝緊湊性和整車匹配性能。

PCU為兩層結構。在上層是電池相關器件，如電池和電腦以及電池的冷卻系統(tǒng)、冷卻風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[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）。當減速時，通過再生（充電）功能使獲得的能量對其進行有效地充電，并且在起動和加速時向電動機提供電能。

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，電動機單獨驅動車輛起步，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：加速階段或需要強勁動力輸出時，離合器接合，發(fā)動機與電動機共同驅動車輛行進，此時動力輸出最強（圖5）；

（3）勻速行駛時：離合器接合，電動機不工作，勻速行駛發(fā)動機可以保持在最經(jīng)濟狀態(tài)，此時只使用發(fā)動機驅動車輛能取得很好的燃油經(jīng)濟性；

（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)動機會自動熄火或啟動，具備自動啟停功能。

（6）發(fā)動機起動：離合器結合，電動機通過離合器起動發(fā)動機（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)濟模式，實現(xiàn)環(huán)保地輕松駕駛。打開ECO經(jīng)濟模式后，車輛會增加電動機驅動的頻次，同時限制發(fā)動機的動力輸出，實現(xiàn)省油的效果。

混合動力系統(tǒng)指示燈，可實現(xiàn)對駕駛狀態(tài)的實時提示（圖6）。將混合動力系統(tǒng)的每個指示器安裝在儀表板中，實時為駕駛員指示車輛狀態(tài)。儀表盤中部為時速表，左側為轉速表，在中部右側帶有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)濟狀態(tài)時系統(tǒng)會給出提示，儀表盤由藍色變?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準配置怠速停機系統(tǒng)：在交通擁堵或等待紅綠燈停車時，發(fā)動機會自動停止，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

安全方面，高壓電狀態(tài)對乘員的保護，滿足電動混合動力汽車的高壓下乘員保護相關技術標準和碰撞后高壓乘員保護的相關技術標準。

2.6 自動變速器實現(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，操作不當很容易導致變速器離合器片或齒輪異常磨損，長時間駕駛人也會感到疲勞，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算機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、空閑運營時間、平均車速和最高車速、ECO燈的點亮率、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）提供預防性維護的提示：制動操作的強度、所用發(fā)動機轉速的使用范圍等數(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)動機和DPR過濾器來減少NOx（氮氧化物）和PM（碳煙顆粒物質），提升燃燒效率的同時減少CO2排放。發(fā)動機吸入空氣后，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現(xiàn)。此外，該系列產(chǎn)品還包括先進后處理系統(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)濟性，還能保證清潔柴油系統(tǒng)的緊湊性。

圖7 清潔發(fā)動機+后處理系統(tǒng)DPR/DPR-II[3]

3 大型卡車混合動力新技術

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)應用在了非純電動卡車上。日野Profia Hybrid系統(tǒng)采用一個電動機的并聯(lián)混合動力技術。以A09C型9 L發(fā)動機作為基礎開發(fā)的A09C-VM發(fā)動機，功率/扭矩為279 kW(380馬力)/1 765 N·m。電動機輸出能力是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，因為起動、停止的頻率很小，所以一直以來都認為混合動力技術的節(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，大型卡車質量大，下坡時的減速能量非常大，可以進行充分利用，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回收，在勻速行車時使用。如果電池充滿電，在只有電動機工作時車輛可最大行駛14 km。此時，發(fā)動機處于空轉狀態(tài)，與驅動系統(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，來更精準地控制車輛的動力輸出和回收。利用定位器ECU讀取前進方向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）。這是世界上首次應用的電池管理與扭矩分配控制技術。在下坡時還能自動對電池進行充電，實現(xiàn)能量回收。但是，這不是實際道路的坡度，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際試驗行駛路線的詳細坡度得到的，只是按照行進方向坡度的大概試驗行駛的路線行駛，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，通過先進的混合動力技術節(jié)省卡車運營燃油成本，用戶很快會收回購車費用增加的資金。對于用戶來說采購成本增加不多，但是綜合使用成本要遠低于現(xiàn)在市場上銷售的燃油車輛。如果全周期運營成本削減效果顯著的話，可以預見，日本國內的日野大型卡車將全部切換為混合動力系統(tǒng)。

4 結論

日野商用車的混動技術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。日野公司技術的先進之處和實踐樣例，為商用車混合動力技術的發(fā)展開辟了前進方向。