詳細(xì)解析日野汽車公司輕型貨車用混合動力系統(tǒng)的開發(fā)過程分析

2011年7月，日野汽車公司發(fā)布了1款配裝新型混合動力系統(tǒng)及新部件的輕型貨車，以平衡低成本與高燃油效率之間的關(guān)系。該混合動力車型采用多項(xiàng)能提高燃油效率的技術(shù)，諸如重新設(shè)計(jì)動力傳動系統(tǒng)的布局，采用阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)，改進(jìn)混合動力控制系統(tǒng)等。同時(shí)，還采用新開發(fā)的輔助控制技術(shù)，以求在各種行駛條件下獲得最佳的扭矩輸出性能。

近年來，由于全球氣溫上升引起氣候異常變化，世界各地發(fā)生多種自然災(zāi)害，已成為重大的社會問題，而針對引起氣溫升高的原因，即溫室效應(yīng)氣體二氧化碳（CO2），各國已制定了相關(guān)的法規(guī)，以減少其排放量。除日常生活中排放的CO2以外，汽車的CO2排放量是不容忽視的，其中，支撐社會經(jīng)濟(jì)的商用車CO2排放量約占汽車總排放量的50%。

在這樣的背景下，日野汽車公司自2003年起就領(lǐng)先于其他汽車制造商，開始批量生產(chǎn)能同時(shí)降低排放和改善燃油經(jīng)濟(jì)性的混合動力輕型貨車，并且于2011年7月，向市場推出配裝了新型混合動力系統(tǒng)及各種新部件的新車型，從而滿足了日本后新長期排放法規(guī)的要求（圖1）。本文介紹該新型混合動力系統(tǒng)及其各部件的概要，以及所采用的燃油經(jīng)濟(jì)性改善技術(shù)。

1開發(fā)目標(biāo)與開發(fā)策略

1.1 開發(fā)目標(biāo)

新型混合動力系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)如下：（1）改善燃油經(jīng)濟(jì)性，要求相比傳統(tǒng)柴油車改善50%；（2）改善駕駛性能，減少因駕駛習(xí)慣引起的燃油耗波動。

1.2 開發(fā)策略

根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬及混合動力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果可知，要實(shí)現(xiàn)相比傳統(tǒng)柴油車改善50%燃油經(jīng)濟(jì)性的高目標(biāo)，只對傳統(tǒng)的混合動力系統(tǒng)實(shí)施改進(jìn)是難以達(dá)到預(yù)期效果的。因此，決定重新研發(fā)包括發(fā)動機(jī)在內(nèi)的整個(gè)動力傳動系統(tǒng)，并確立了以下開發(fā)策略：（1）提高制動能量再生效率；（2）研發(fā)混合動力專用的發(fā)動機(jī)；（3）優(yōu)化主傳動機(jī)構(gòu)的齒輪速比；（4）研發(fā)全新的混合動力控制技術(shù)。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1動力傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理

表1列出了新型混合動力輕型貨車的主要技術(shù)規(guī)格。

新型混合動力系統(tǒng)采用經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證過的并聯(lián)方式。此外，各部件的安裝也與傳統(tǒng)混合動力車一樣，在底盤架上安裝功率控制單元（PCU），PCU中內(nèi)置蓄電池、逆變器，以及控制混合動力系統(tǒng)的電控單元（HVECU）等。

在動力傳動系統(tǒng)中，將以往布置在電動機(jī)與變速器之間的離合器，改為布置在發(fā)動機(jī)與電動機(jī)之間。由此，可以充分利用傳統(tǒng)混合動力車減速時(shí)因發(fā)動機(jī)泵氣損失（摩擦）而被消耗的能量，即在新型混合動力車中，可以通過斷開發(fā)動機(jī)與電動機(jī)之間的離合器，利用電動機(jī)再生利用因摩擦而被損耗的能量。相比傳統(tǒng)混合動力車，新型混合動力車的制動能量再生效率得到了提高。此外，由于采用了AMT，提高了車輛的駕駛性能，并降低了因駕駛習(xí)慣而引起的燃油耗波動。圖2為新型混合動力車動力傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖3顯示了新型混合動力系統(tǒng)的基本工作原理。發(fā)動機(jī)起動時(shí)，在離合器接合的情況下利用電動機(jī)起動。車輛起步方式有2種，即電動機(jī)起步和輔助動力起步。前者是斷開離合器，只利用電動機(jī)的動力實(shí)現(xiàn)起步；后者是利用發(fā)動機(jī)與電動機(jī)的動力實(shí)現(xiàn)起步?？筛鶕?jù)混合動力蓄電池的剩余容量自動切換上述2種起步方式。此外，車輛加速時(shí)，與傳統(tǒng)混合動力車一樣，利用電動機(jī)對發(fā)動機(jī)實(shí)施扭矩輔助；車輛減速時(shí)，則斷開離合器，將車輛的運(yùn)動能轉(zhuǎn)換為電能，并儲存在蓄電池中，實(shí)現(xiàn)制動能量再生功能。

2.2PCU組件

PCU采用上、下兩段的結(jié)構(gòu)型式。上段布置蓄電池、蓄電池計(jì)算機(jī)等蓄電池相關(guān)部件。另外，作為蓄電池冷卻系統(tǒng)，配置了冷卻風(fēng)扇，以及具備氣、水分離功能的冷卻管道。在PCU下段布置逆變器、HVECU等控制系統(tǒng)部件。圖4為PCU組件的外觀。混合動力系統(tǒng)相關(guān)部件都被緊湊地集中在PCU之中，并具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以匹配短軸距的輕型貨車；

（2）提高了在汽車生產(chǎn)線上的裝配效率；

（3）作為混合動力車專用PCU，改善了設(shè)計(jì)性。

2.3電動機(jī)單元

電動機(jī)的最高輸出功率為36kW。這是在收集市場上輕型貨車減速力頻率數(shù)據(jù)后經(jīng)分析得出的結(jié)果。為了能在怠速停機(jī)狀態(tài)下毫無壓力地輕松起動發(fā)動機(jī)，將電動機(jī)的扭矩確定為350N·m。電動機(jī)采用高效率的永磁式同步機(jī)。即使是在使用電力高于傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)的新型混合動力系統(tǒng)中，也無須采用強(qiáng)制冷卻措施，而是在自然風(fēng)冷方式的細(xì)節(jié)處作了精心的優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖5為電動機(jī)單元的外觀。表2列出了電動機(jī)單元的主要技術(shù)規(guī)格。

2.4逆變器單元

新型混合動力系統(tǒng)逆變器的輸出容量相比傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)（64kVA）提高了45%，達(dá)93kVA。此外，其體積由原來的19L改為11L，縮小了42%，質(zhì)量也減輕了50%。圖6為新開發(fā)逆變器的單元外觀。表3列出了傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)與新型混合動力系統(tǒng)逆變器的主要技術(shù)規(guī)格對比。

2.5蓄電池單元

新型混合動力車采用已被廣泛用于混合動力乘用車的鎳氫蓄電池，其性能、可靠性及成本均具有優(yōu)勢。由于本次開發(fā)的新型混合動力系統(tǒng)（單電機(jī)混合動力系統(tǒng)）將被用于輕型貨車，因而將額定電壓設(shè)定為288V，額定容量為6.5 A·h。表4列出了蓄電池單元的主要技術(shù)規(guī)格。

2.6蓄電池的冷卻

提高混合動力車燃油經(jīng)濟(jì)性最直接而有效的手段是增加電能在運(yùn)行中所占的比例，但這會造成蓄電池單元的放熱量增加，因而要求其具備良好的冷卻性能。下面將介紹蓄電池冷卻設(shè)計(jì)中的相關(guān)開發(fā)內(nèi)容。

2.7溫度上升度的預(yù)測

在傳統(tǒng)混合動力車中，由于發(fā)動機(jī)與電動機(jī)直接相連，所以部分制動能量會作為摩擦損失被消耗。而新型混合動力車在減速時(shí)，發(fā)動機(jī)與電動機(jī)之間的離合器會斷開，能量不會因摩擦被消耗，而是作為再生能量轉(zhuǎn)換為電能。由此，新型混合動力系統(tǒng)中蓄電池的電荷出入量會增加，從而引起蓄電池升溫的問題。

為此，在設(shè)計(jì)初期階段就計(jì)算蓄電池組的通過電荷量，由計(jì)算結(jié)果得知，相比傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)，新型混合動力系統(tǒng)的蓄電池組通過電荷量約增加30%。

隨后，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，預(yù)測蓄電池組的升溫程度，結(jié)果表明，電荷量增加導(dǎo)致新型混合動力系統(tǒng)的蓄電池溫度相比傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)約升高3℃。作為相應(yīng)對策，必須將冷卻風(fēng)扇的冷卻性能提高1.8倍。

2.8蓄電池冷卻系統(tǒng)的評價(jià)

利用新型混合動力系統(tǒng)的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行實(shí)機(jī)冷卻性能評價(jià)，結(jié)果表明，溫度相比傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)升高約2℃，蓄電池模塊間的溫度波動也擴(kuò)大了。根據(jù)評價(jià)結(jié)果可以預(yù)測，通過抑制上述溫度波動，能將蓄電池的升溫程度維持在傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)的水平。

而作為具體的技術(shù)措施，對冷卻風(fēng)道進(jìn)行了調(diào)整，以抑制溫度的波動。圖7為調(diào)整后帶整流板的冷卻風(fēng)道外觀。通過上述改進(jìn)措施，抑制了蓄電池模塊的溫度波動，并使其獲得與傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)同等的冷卻性能。

對最終的蓄電池升溫程度與模塊間溫度的波動進(jìn)行確認(rèn)后可知，即使新型混合動力系統(tǒng)蓄電池的電荷出入量比傳統(tǒng)系統(tǒng)的有所增加，但由于提高了冷卻風(fēng)扇的性能，以及采用了帶整流板的風(fēng)道，所以其升溫程度與傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)的處于同等水平。

3為實(shí)現(xiàn)開發(fā)目標(biāo)而進(jìn)行的研發(fā)

3.1提高制動能量再生效率

在傳統(tǒng)混合動力車中，減速時(shí)的再生制動控制并不受車輛質(zhì)量變化的影響，而是采用等減速度控制技術(shù)，以期獲得目標(biāo)減速度值。這種控制方式是通過反饋減速度，在實(shí)時(shí)計(jì)算扭矩值的同時(shí)，按不同變速檔位設(shè)定的減速度實(shí)施控制。新型混合動力車也沿用這一控制方式，同時(shí)，由于改變了電動機(jī)的布局，所以應(yīng)用下述控制來提高制動能量再生效率：

（1）在實(shí)施制動再生時(shí)，斷開發(fā)動機(jī)與電動機(jī)之間的離合器；

（2）在超低車速區(qū)域持續(xù)進(jìn)行制動能量再生控制。

上述“超低車速區(qū)域”是指發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速以下的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域，傳統(tǒng)的混合動力車由于結(jié)構(gòu)上的原因，在這一運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域無法進(jìn)行制動能量再生控制。

圖8為實(shí)際車輛的驗(yàn)證結(jié)果。從車速20 km/h起減速的情況下，傳統(tǒng)混合動力車與新型混合動力車的再生能量輸出變化趨勢表明，新型混合動力車的再生能量中增加了原本因摩擦被消耗的能量，以及超低車速區(qū)域的運(yùn)動能量。另外，表5列出了新、舊車輛再生能量的差異，由表中數(shù)據(jù)可知，前文所述2項(xiàng)改進(jìn)效果可使再生能量增加33%。

同樣，按日野汽車公司內(nèi)部的試驗(yàn)運(yùn)行工況實(shí)施燃油耗試驗(yàn)。相比傳統(tǒng)混合動力車，新型混合動力車因改變電動機(jī)布置而使制動能量再生效率提高37%，從而獲得燃油經(jīng)濟(jì)性改善9%的效果。圖9顯示了再生能量輸出的分布情況。表6示出了再生能量與燃油經(jīng)濟(jì)性的改善效果。

3.2混合動力專用發(fā)動機(jī)的開發(fā)

作為新型混合動力系統(tǒng)專用的發(fā)動機(jī)，采用了燃燒效率較高的阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)。所謂“阿特金森循環(huán)”，就是通過擴(kuò)大膨脹比來提高燃燒效率、降低損失的技術(shù)。但其缺點(diǎn)是低轉(zhuǎn)速區(qū)域的扭矩不足，所以新型混合動力系統(tǒng)采用電動機(jī)扭矩輔助技術(shù)，確保改善燃油經(jīng)濟(jì)性與動力性能這兩項(xiàng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。另外，還應(yīng)用多項(xiàng)新技術(shù)，如采用大容量廢氣再循環(huán)（EGR）冷卻器、改善燃燒，以及通過采用DC/DC轉(zhuǎn)換器廢除發(fā)電機(jī)等。

其次，降低了怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。圖10為傳統(tǒng)混合動力車與新型混合動力車按日野公司內(nèi)部試驗(yàn)運(yùn)行工況行駛時(shí)的燃油耗與放電能量。圖10中的A點(diǎn)和B點(diǎn)分別表示新型混合動力車和傳統(tǒng)混合動力車電量收支達(dá)平衡時(shí)的燃油耗。由圖10可知，相比傳統(tǒng)混合動力車，新型混合動力車的再生能量增加了，燃油耗也得到降低。

另一方面，相比傳統(tǒng)混合動力車，新型混合動力車在能量再生過程中的燃油耗也增加了。這是因?yàn)橐_保發(fā)動機(jī)輔機(jī)（動力轉(zhuǎn)向泵等）性能，必須使發(fā)動機(jī)以怠速工況待機(jī)的緣故。作為相應(yīng)對策，應(yīng)盡可能降低待機(jī)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，以降低燃油耗。用實(shí)際車輛評價(jià)了在不影響發(fā)動機(jī)輔機(jī)性能前提下的待機(jī)轉(zhuǎn)速，結(jié)果表明，相比普通的怠速轉(zhuǎn)速，再生制動中的待機(jī)轉(zhuǎn)速約降低150r/min。

3.3主傳動機(jī)構(gòu)齒輪速比的優(yōu)化

作為改善燃油經(jīng)濟(jì)性的重要因素，確定了主傳動機(jī)構(gòu)的齒輪速比，以及加速換檔時(shí)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

在普通發(fā)動機(jī)中，一般在加速時(shí)提高主傳動機(jī)構(gòu)的齒輪速比，或在加速換檔時(shí)降低轉(zhuǎn)速，以此來改善燃油經(jīng)濟(jì)性。這是由于發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域趨向移至較低轉(zhuǎn)速區(qū)域的緣故，在混合動力車中也呈現(xiàn)這種趨勢。而在車輛減速時(shí)，由電動機(jī)發(fā)電效率及可控轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的再生能量會受到限制。這一普通發(fā)動機(jī)的特性在新型混合動力系統(tǒng)與阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)的組合中也未改變，因此，對主傳動機(jī)構(gòu)的齒輪速比，以及加速換檔時(shí)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了優(yōu)化。

最初，在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上，以主傳動機(jī)構(gòu)齒輪速比及加速換檔時(shí)的轉(zhuǎn)速為參數(shù)，預(yù)測了燃油經(jīng)濟(jì)性。由結(jié)果可知，按日野汽車公司內(nèi)部試驗(yàn)運(yùn)行工況，當(dāng)主傳動機(jī)構(gòu)齒輪速比約為3.9，并且加速換檔時(shí)的轉(zhuǎn)速約為1400r/min時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)最佳值。圖11顯示了預(yù)測結(jié)果。

其次，在實(shí)際車輛上進(jìn)行驗(yàn)證，將齒輪速比為3:9的主傳動機(jī)構(gòu)配裝在車輛上，在公司內(nèi)部試驗(yàn)運(yùn)行工況下，測定燃油耗。

圖12顯示了以加速換檔轉(zhuǎn)速為參數(shù)，改變混合動力系統(tǒng)放電能量后的燃油經(jīng)濟(jì)性。圖12中以不同符號表示相對于每種運(yùn)行工況下所得的再生能量，當(dāng)電量收支達(dá)平衡時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，其結(jié)果與發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果一致，即加速換檔轉(zhuǎn)速為1400r/min時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)最佳值。

綜上所述，確定主傳動機(jī)構(gòu)的齒輪速比應(yīng)為3：9。此外，以加速換檔轉(zhuǎn)速1400 r/min為基準(zhǔn)值，構(gòu)建了變速程序。

3.4新型混合動力系統(tǒng)控制技術(shù)的開發(fā)

3.4.1起步輔助控制

阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)的燃燒效率較高，但缺點(diǎn)是低轉(zhuǎn)速區(qū)域的扭矩不足。隨著道路坡度狀態(tài)及貨物裝載條件等情況的變化，扭矩不足可能會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火。為避免這一現(xiàn)象，需提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，并接合離合器。但這樣做不僅會增加燃油耗，而且會加大離合器片的負(fù)擔(dān)。作為相應(yīng)對策，開發(fā)了起步輔助控制技術(shù)，即在踩下油門之后并接合離合器之前，提升電動機(jī)的扭矩，以輔助車輛起步。如圖13所示，利用這一控制方法后，不必過度提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速就可使車輛起步，并能改善燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也減輕了離合器片的負(fù)擔(dān)。

3.4.2節(jié)油運(yùn)行控制

節(jié)油運(yùn)行控制的目的是防止因反復(fù)加減速而使燃油經(jīng)濟(jì)性變差，駕駛員過度踩踏油門會限制發(fā)動機(jī)的輸出功率，進(jìn)而抑制車輛的加速度。按不同的齒輪變速檔位優(yōu)化受限的加速度，將因加速而產(chǎn)生的異樣感控制在最低限度。

3.4.3自適應(yīng)型輔助控制

傳統(tǒng)的混合動力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)是固定運(yùn)行區(qū)域，并根據(jù)蓄電池的剩余電量，利用可變扭矩為加速提供輔助動力。為新型混合動力系統(tǒng)研發(fā)了自適應(yīng)型輔助控制技術(shù)，即對車輛行駛狀態(tài)實(shí)施監(jiān)控，以實(shí)時(shí)計(jì)算燃油耗達(dá)最佳值時(shí)的發(fā)動機(jī)與電動機(jī)扭矩分配比，并依此實(shí)施輔助控制。

圖14為分別應(yīng)用可變扭矩輔助控制與自適應(yīng)型扭矩輔助控制技術(shù)時(shí)，日野汽車公司內(nèi)部試驗(yàn)運(yùn)行工況下發(fā)動機(jī)瞬態(tài)燃油耗的頻率。根據(jù)結(jié)果可知，相比采用可變扭矩輔助控制技術(shù)，采用新開發(fā)的控制方法后，發(fā)動機(jī)的效率更高。

3.5 通過提高駕駛性能抑制燃油耗的波動

由于采用AMT，抑制了由駕駛習(xí)慣差異引起的變速轉(zhuǎn)速波動。在固定行駛路線，但更換駕駛員、不同工作日及時(shí)間段的條件下，驗(yàn)證了實(shí)際行駛?cè)加秃牡念l率。結(jié)果表明，提高車輛的駕駛性能后，相比配裝手動變速器的傳統(tǒng)車輛，新型混合動力車的燃油耗波動降低了19%。

4研究成果

采用上述各項(xiàng)改善燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)，并且優(yōu)化控制方法后，按日野汽車公司內(nèi)部的試驗(yàn)運(yùn)行工況實(shí)施驗(yàn)證。結(jié)果表明，通過對電動機(jī)的布置實(shí)施改進(jìn)，提高了制動能量再生效率，同時(shí)由于新開發(fā)的混合動力系統(tǒng)控制技術(shù)帶來的效果，最終改善了車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。此外，還采用了以下各項(xiàng)改善燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)：開發(fā)混合動力專用的發(fā)動機(jī)，優(yōu)化主傳動機(jī)構(gòu)的齒輪速比，優(yōu)化發(fā)動機(jī)恒溫器閥門的開啟溫度等。與傳統(tǒng)柴油車相比，新型混合動力車的燃油經(jīng)濟(jì)性改善50%以上。此外，在模擬平均車速較低的大城市貨物集散用途的公司內(nèi)部試驗(yàn)運(yùn)行工況下，因頻繁起步與停車而產(chǎn)生的再生能量增加，提高了混合動力系統(tǒng)的效率，從而改善燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)56%。圖15為燃油經(jīng)濟(jì)性評價(jià)結(jié)果。

5結(jié)語

（1）重新研發(fā)了包括混合動力系統(tǒng)及發(fā)動機(jī)在內(nèi)的整個(gè)動力傳動系統(tǒng)，優(yōu)化各單元的控制方法，相比傳統(tǒng)柴油車，新型混合動力車改善燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)50%以上；

（2）采用AMT，同時(shí)兼顧了改善燃油經(jīng)濟(jì)性與提高駕駛性能的目標(biāo)。