先进的轻型货车混合动力系统的开发



先进的轻型货车混合动力系统的开发

【日】武田信章木内達雄

摘要：为了改善货车和公交客车的燃油效率，自20世纪80年代，三菱扶桑卡客车公司就开发了相应的混合动力技术。2012年5月推出市场的新一代混合动力轻型货车已具备同级别车型中的顶级燃油经济性，并因此获得市场认可。尝试回顾三菱扶桑卡客车公司近30年来的混合动力技术发展历史，并介绍新一代混合动力轻型货车的开发要点。

关键词：混合动力系统锂离子蓄电池自动变速器双离合能量再生

0前言

近年来，环境保护的重要性已受到广泛重视，汽车行业也正在将各种环保车型推向市场。尤其是乘用车，能在行驶过程中完全不排放CO2的电动车性能得到大幅提升，现已完全达到能适用于一般消费者的水平。

在货车及客车等商用车领域，作为应对地球气温升高的对策，迫切要求减少其CO2排放量，同时，降低车辆的燃油耗也已成为运输业的重要节能对策。作为节能减排的相应技术措施，日本三菱扶桑卡客车公司给予混合动力技术相当重要的产品定位，在过去的30年中，该公司开发出各种混合动力系统。本文在回顾各代混合动力系统的同时，介绍

最新的Canter环保型混合动力轻型货车所配装的高性能混合动力系统的技术要点。

1商用车混合动力系统的发展历史

1.1　20世纪70年代

图1示出了三菱扶桑卡客车公司的混合动力车发展历史。其中值得关注的是，约40年前的1973年，当时的三菱汽车公司生产了电动公交客车(非无轨电车，而是装用铅酸蓄电池的蓄电池驱动电动车)，并在京都市及神户市交通局的协助下，进行实际的商业运营。但是，由于液体铅酸蓄电池的维护保养极为耗时耗力，这种零废气排放的电动客车仅运营几年之后就退役了。

1.2　1980-2000年

之后，针对公用性广且有利于城市环境的车辆，积极推进了公交客车的低公害化研究进程。

传统配装柴油机的公交客车燃油效率高，为了降低其废气排放，以及进一步降低车辆的行驶燃油耗，当时的研究人员认为，制动能量再生型混合动力系统是较为适用的技术，即在车辆减速制动时，将总质量超过10t的车辆产生的运动能临时储存起来，以供之后车辆起步及加速时使用。

众所周知，储存制动能量的方法通常有以下3种： (1)将车辆的运动能转换为电能，为蓄电池或电容器等蓄电装置充电；(2)将车辆的运动能转换为液压能量，并储存到储能器中；(3)以原来的运动能形式储存到飞轮中。

当时研究的结果是采用上述第(2)项液压式储能系统。主要基于以下原因： 柴油机与液压系统的结合可以说是成熟技术之间的组合；此外，无须建设新的基础设施，有望迅速进入实用化阶段。1994年，这种混合动力车作为低公害车通过相关法规的认证，并以“MBECS公交车”为名在日本主要的8个城市中实施车队试验，之后，进一步改善燃油经济性并降低排放的改良车型被正式推向市场[1]。

另一方面，前文所述第(1)项电动式混合动力系统具有可控性好、质量轻等液压式储能系统所无法比拟的优点，所以，研究人员针对适用于货车及客车的最佳系统结构，进行了相关研究(图2)。

轻型货车主要在市区道路行驶，行驶过程中会出现频繁起停的现象，因此，1995年，三菱扶桑卡客车公司以Canter车为对象，开发了串联式混合动力概念车，并在市区道路行驶工况下进行试验，确认其能量效率、燃油耗及排放性能均有较大的改善[2]。

但是，当时可选用的车载蓄电池只有密封型的铅蓄电池，会导致车辆空车质量增加，有效载货量减少，因此，这一混合动力车还达不到真正上市销售的水平。对商用车而言，只有在确保货物装载量的前提下，车辆才会具有其应有的商业价值。

为推进货车及客车的混合动力化进程，可以充分再生利用货车制动能量的小型高性能蓄电池是必不可少的。以此为重要课题，研究人员最终将注意力集中于锂离子蓄电池，并与三菱汽车公司乘用车部门的研发人员合作，联合推进锂离子蓄电池的实用化研发工作[3]。

作为货车及客车专用的蓄电池，不仅必须具备较高的功率性能，同时，还必须具备能储存大量再生制动能量的充电性能。为此，研究人员设定的目标是，要求其具备与电动乘用车用蓄电池不同的功率密度、能量密度，以及电池容量，并在三者之间实现良好的平衡，开发出配装于货车及客车的混合动力专用新型锂离子蓄电池。最后，在实施电池管理装置研发，以及各种安全性和耐久性试验之后，成功开发出能应用于车辆的锂离子蓄电池。

期间，三菱扶桑卡客车公司接受新能源及产业技术综合开发机构(NEDO)的委托，自1997年起的7年间，作为高效率清洁能源汽车研发项目(ACE项目)的成员单位，参与配装压缩天然气(CNG)发动机的混合动力货车的研发工作。搭载新型锂离子蓄电池的混联式混合动力系统与CNG发动机完美结合后，与配装传统柴油机的2.0t级货车相比，车辆的燃油耗及CO2排放量均减少50%，废气排放减少75%[4]，达成了预期的开发目标。

1.3　2000-2010年

对城市公交车辆而言，不仅要求其废气排放低、静音性好，还要求其在实际使用中具有无障碍化的便利性。液压储能式混合动力车的车身底下搭载2个巨大的储能器，所以无法取消上下车用的台阶。因此，研究人员决定替换液压储能式混合动力系统，以扩大车辆地板面积、取消上下车台阶、提高乘坐舒适性为目标，实现驱动系统的小型化，提高布局自由度，最终采用无须重新建设基础设施的以柴油机发电的串联式混合动力系统[5]。名为“Aero Star无障碍混合动力电动车”的公交客车在2000年的东京国际车展上亮相之后，于2002年，在日本国内首次开始客运线路的运营。此外，2007年，进一步提高性能的第2代Aero Star环保型混合动力车被推出市场。由于实现了100%电动机驱动，所以，车辆没有变速(换档)冲击感，可顺畅地加速或减速，并且具备低振动性能，该车型在实际的运营过程中受到乘客及驾驶人员的高度好评。

与此同时，轻型货车的混合动力化研发工作也得到推进。根据之前概念车的研发经验，轻型货车基本上也是在市区道路行驶，但与公交客车不同，货车还必须适应包括高速公路等各种路况在内的不同行驶需求，所以，研究人员决定采用并联式混合动力系统。此外，按照电动机安装位置的不同，并联式混合动力系统可分为图3所示4种结构方式，为了最大限度地再生利用制动能量，选择图3中的“P2混合动力系统”，在制动时切断离合器，以充分利用发动机全部制动力产生的能量。此外，由于机械式自动变速器与电动机实现一体化，改善了车辆的操控性。作为率先使用锂离子蓄电池的轻型货车，2006年7月，第1代Canter环保型混合动力车被推向市场。

1.4　2010年之后

2010年11月，以Canter车为基础车型，实施全面的车辆型式变更，研发人员重新设计Canter环保型混合动力车的系统结构，引进创新技术，最终于2010年5月公布并销售燃油耗达到同等级车辆最高水平的新一代Canter环保型混合动力车。下文将详细介绍最新的货车专用混合动力系统的技术要点。

2新一代的混合动力轻型货车

在以往经验基础上，研究人员在开发新一代Canter环保型混合动力车的过程中主要攻克了以下几方面的技术难关： (1)混合动力装置的创新；(2)新开发的双离合变速器(DCT)与混合动力系统相结合；(3)实现与Daimler公司的零部件通用化；(4)与全球供应商进行联手技术开发。

2.1　混合动力装置的创新

2.1.1电动机

新车型采用的电动机与上一代电动机尺寸大致相同，但最高功率提高5kW。此外，冷却方式由间接水冷方式变更为使用自动变速器油直接冷却的方式，在提高冷却效率的同时，减轻质量10kg。

2.1.2逆变器

由于与Daimler公司乘用车部门实现零部件的通用化，所以，虽然与上一代产品相比，新一代混合动力轻型货车的逆变器质量和体积减少约50%，但增加了可处理锂离子蓄电池12V电压的DC-DC转换器，获得了极大的技术进步。

2.1.3锂离子蓄电池

新一代混合动力轻型货车采用新型叠片式蓄电池(图4)，与上一代产品相比，虽然电池容量增加36%，但蓄电池组件的整体质量减轻约25kg。

2.1.4安全功能

在因车辆整备等原因拆卸混合动力装置的情况下，为了在高电压部位外露的状态下接通电路时不触动高电压，增加了安全联锁功能。此外，还配备了在遭遇事故时检测锂离子蓄电池所受冲击并自动切断高电压的功能，以及在实施救援时能即刻切断高电压的开关等(图5)，提高了安全性。同时，对车辆进行侧面碰撞试验，确认不会因事故发生高电压部位外露或绝缘电阻降低，以及蓄电池电解液泄漏等危险情况(图6)。

2.2　DCT与混合动力装置的组合

为了确保上一代车型就已具备的同等级车辆中顶级的燃油耗水平，以及优异的驾驶性能，必须在离合器与变速器之间设置1个电动机。因此，在开发初期确立了以下设计理念： (1)只在DCT偶数齿轮段的离合器后方布置电动机；(2)在内离合器接合的条件下，利用奇数齿轮段行驶时，可实施电动机辅助及制动能量再生(图7)。然而，在实际的开发过程中，编制控制软件并实现最佳的校准操作是相当困难的，为将上述设计理念与提高车辆燃油经济性联系在一起，研发人员付出了极大的努力。最终，与上一代车型相比，新车型实现了改善燃油经济性10%以上的目标(图8)，达到了同等级车辆中的最高水平，这也是三菱扶桑卡客车公司混合动力技术发展的最新成果。这一技术的先进性已得到广泛认可，作为商用车，新一代Canter环保型混合动力车首次荣获日本RJC年度车型特别奖。除此之外，基于DCT与混合动力系统的完美结合，该款轻型货车还具备下文所述各项功能。

2.2.13档变速起步

基础车型所采用的DCT具备可根据路面坡度自动选择起步变速档位的功能，但混合动力车型在平坦路面行驶时，起步的变速档位设定为3档。通常，车辆起步之后，变速器的转速在达到发动机怠速转速时，离合器被接合，此时就利用发动机+电动机的动力行驶；新一代混合动力车设定为3档起步，在车辆起步后，离合器接合的车速从上一代车型的7km/h被提升到10km/h，这不仅有利于改善燃油经济性，还有助于提高驾驶愉悦性。另外，此时电动机是由2档齿轮段传递扭矩，即便在车辆满载的情况下，也不会产生扭矩不足的感觉，这也是新系统的特征之一。

2.2.2电动机驱动滑行

与上一代车型相比，为了提高用户期待的微动性能，设置电动机驱动滑行功能，即便不踩下油门，也可产生扭矩输出。由此，大幅提高了车辆在坡道起步及倒车行驶等条件下的操控性能。

2.3　与Daimler公司的零部件通用化

包括前文所述逆变器在内，高压电缆及混合动力装置冷却水泵等众多零部件都已实现与Daimler公司产品的通用化，为大幅降低成本作出了贡献。

2.4　与全球供应商的合作研发

包括Canter基础车型在内，此次新车型全面型式变更的一大亮点就是与全球供应商的相互合作。包括混合动力专用装置在内，不仅有与Daimler公司产品实现通用化的逆变器及高压电缆，而且，作为核心部件的锂离子蓄电池，也使用海外供应商的产品，而最具影响力的则是与海外供应商联手开发的柴油机。混合动力系统的大部分驱动能量是由柴油机产生的，因此，如果匹配的柴油机性能出现缺陷，车辆就有可能无法行驶。虽然在此次开发末期的关键时刻，柴油机与混合动力系统的协调控制方面出现一些技术障碍，但在加深理解其相互关系并分析状况之后，研究人员成功地解决了问题，并因此获得了难得可贵的技术经验。

3结语

货车及客车的使命是在额定尺寸及质量条件下，安全地运输大量人员或货物。同时，也迫切要求能减少其废气排放量，降低噪声，从而有利于环境保护。另外，为节省石油资源，还要求改善车辆燃油经济性，甚至希望可以不采用石油燃料。

对于公交客车而言，每天或每次行驶的续航里程是相对固定的，所以，各家制造商历来就将研究重心放在蓄电池式电动车方面。除了满足环保方面的要求外，基于纯电力驱动的车辆还能实现乘坐舒适性方面的目标。进而，为了获得更加舒适、更加环保的交通工具，也期待具有更高性能的蓄电池及燃料电池能早日进入实用化阶段。

针对在市区道路行驶的载货2.0~3.0t级的货车，到目前为止，已进行过串联式、并联式，以及混联式混合动力系统的研究工作。这次，以满足用户(物流公司)要求为目标，三菱扶桑卡客车公司开发了全新的混合动力系统，精心打造具备优异性能的轻型货车。今后，在尝试进一步提高各种装置及设备性能的同时，还将继续扩大混合动力技术的应用范围。

参考文献

[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]. 分科会配布資料, 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]. 自動車技術会論文集, 2002, 33(1): 101-104.

彭惠民译自自動車技術， 2014， 68(1)

朱晓蓉校

朱晓蓉编辑

收稿日期：( 2014-07-03)