干货 | 日野汽车混合动力技术

原标题:干货 | 日野汽车混合动力技术

1 前言

日野汽车在日本商用车制造领域占据领导地位,其在轻卡及中重卡领域对混合动力技术不断钻研和探索[1],开发的混动动力卡车车型最丰富,推广应用时间最长,市场保有量最大。本文旨在对日野汽车混合动力技术的近期发展情况进行综述,供商用车产品开发的技术人员参考。

2 轻卡混合动力新技术

日野汽车在轻卡动力的研究方面成果丰富,曾为并联混合动力轻卡开发出一种扭矩分配控制系统,以其先进技术引领着日本运输业[2]

最近,日野汽车在轻卡上(图1)又推出了Hino Dutro Hybrid混合动力系统,除了卓越的环保性能和燃油效率外,Hino Dutro Hybrid还提供了高水平的驾驶性能,通过匹配专用发动机和专用变速箱,燃油消耗水平可达到13.2 km/L,其节油水平比2015年燃油效率标准提高了15%。

图1 日野轻卡混动车型[3]

2.1 Hino Dutro Hybrid混合动力系统

Hino Dutro Hybrid混合动力系统的主要动力结构组成为“发动机+离合器+电动机+变速器”(图2)。在发动机和电动机之间安装了一个离合器,这是经历了大量的研发试验后形成的新的混合动力构型。2011年前日野采用的是“发动机+电动机+离合器+变速器”这样的构型。日野第5代卡车将配置“发动机+离合器+电动机+变速器”[1],通过这样的变更,操作控制离合器有效利用能量,有助于提升燃油效率。

图2 日野轻卡混合动力构型(并联式构型)[4]

通过使用混合动力系统专用的清洁阿特金森循环柴油发动机N04C-UL(图3),以及强有力的辅助发动机驱动的电动机的强化控制,完美地实现了燃料效率和动力性能。另外,在车辆减速时,电动机用作发电机,通过将车辆的动能转换成电能,对动力电池充电来有效地利用能量。

图3 日野轻卡混合动力总成示意图[3]

2.2 PCU(功率控制单元)和混合动力电池

PCU作为集成了支持混合系统的计算机、逆变器和混合动力电池的装置,除了减轻重量外,它还可以实现良好地安装紧凑性和整车匹配性能。

PCU为两层结构。在上层是电池相关器件,如电池和电脑以及电池的冷却系统、冷却风扇和具有飞溅分离功能的冷却管道。在底层,安装了控制单元,如逆变器、混动电脑。这种紧凑型PCU有三个优点[4]

(1)可以安装在短轴距的轻型卡车上;

(2)它很容易组装和工作;

(3)可靠性很高。

混合动力电池是具有高输出和高可靠性的镍氢电池(图4)。当减速时,通过再生(充电)功能使获得的能量对其进行有效地充电,并且在起动和加速时向电动机提供电能。

图4 镍氢电池[3]

2.3 混合动力系统的工作状态

该混合动力系统根据不同工况会有6种工作状态:(1)车辆起动时:车辆处于静止起步状态,离合器断开,电动机单独驱动车辆起步,变速器会自动选择起步挡位,此时处于纯电行驶状态(图5);

(2)加速时:加速阶段或需要强劲动力输出时,离合器接合,发动机与电动机共同驱动车辆行进,此时动力输出最强(图5);

(3)匀速行驶时:离合器接合,电动机不工作,匀速行驶发动机可以保持在最经济状态,此时只使用发动机驱动车辆能取得很好的燃油经济性;

(4)减速时:刹车减速或滑行时,离合器断开,车轮带动电动机发电,电量存储到镍氢电池中,回收制动能量(图5);

(5)停车时:车辆处于停车状态,离合器断开,发动机会自动熄火或启动,具备自动启停功能。

(6)发动机起动:离合器结合,电动机通过离合器起动发动机(图5)。

图5 混合动力系统工作状态[4]

2.4 环保驾驶

该系统提供了一种ECO经济模式,实现环保地轻松驾驶。打开ECO经济模式后,车辆会增加电动机驱动的频次,同时限制发动机的动力输出,实现省油的效果。

混合动力系统指示灯,可实现对驾驶状态的实时提示(图6)。将混合动力系统的每个指示器安装在仪表板中,实时为驾驶员指示车辆状态。仪表盘中部为时速表,左侧为转速表,在中部右侧带有LED多功能显示屏,在左下角带有混动系统的电量显示。驾驶员操作处于经济状态时系统会给出提示,仪表盘由蓝色变为绿色。提高环保驾驶的意识,降低油耗。

图6 仪表盘示意图[3]

混合动力和柴油车辆的标准配置怠速停机系统:在交通拥堵或等待红绿灯停车时,发动机会自动停止,降低油耗,减少排放和噪音。

2.5 高压电状态对乘员的保护

安全方面,高压电状态对乘员的保护,满足电动混合动力汽车的高压下乘员保护相关技术标准和碰撞后高压乘员保护的相关技术标准。

2.6 自动变速器实现轻松驾驶

混合动力车型另一个优势是自动变速器,同吨位级别的燃油车基本都是手动挡变速器,操作不当很容易导致变速器离合器片或齿轮异常磨损,长时间驾驶人也会感到疲劳,增加了误操作的概率。换成自动变速器的混合动力卡车,驾驶员开车轻松,变速器的故障率也能够降低。

2.7 日野生态树报告

Hino Dutro Hybrid混合动力系统符合新的长期排放法规,现已在其车辆的控制计算机中积累了各种驾驶数据。生态树报告是一种可用于在执行维护和定期检查时,从数据中诊断客户操作的报告。通过日野生态树报告,可以了解到如下信息:

(1)根据驾驶情况提供省油驾驶的建议:包括加速踏板的踩踏情况、空闲运营时间、平均车速和最高车速、ECO灯的点亮率、怠速停止率、排气制动器的使用率和电力使用状态(再生、辅助等)等数据。

(2)重新确认安全驾驶数据:突变的使用操作(制动操作、快速加速)等数据。

(3)提供预防性维护的提示:制动操作的强度、所用发动机转速的使用范围等数据。

2.8 后处理系统

AIR LOOP是日野开发的革命性清洁柴油系统。通过采用不使用尿素的清洁发动机和DPR过滤器来减少NOx(氮氧化物)和PM(碳烟颗粒物质),提升燃烧效率的同时减少CO2排放。发动机吸入空气后,所产生的废气可以自然返回至大气中而不会造成污染,实现清洁空气向地球循环的目的。

柴油车、柴油混合动力车均匹配DPR过滤器(图7),其中DPR过滤器(高耐热陶瓷过滤器)安装在两个氧化催化剂的之间,减少废气中的NOx并收集PM,通过DPR过滤器的汽车再生功能来处理累积的碳颗粒。根据驾驶条件,自动再生功能在一定的工况下才能实现。此外,该系列产品还包括先进后处理系统DPR-II来符合下一代排放法规。除了满足环保性能和经济性,还能保证清洁柴油系统的紧凑性。

图7 清洁发动机+后处理系统DPR/DPR-II[3]

3 大型卡车混合动力新技术日野汽车 新开发的Profia Hybrid混合动力卡车,将于2019年夏天在日本国内发售。与纯电动重卡AI不同的是,日野的这套系统首次将人工智能系统应用在了非纯电动卡车上。日野Profia Hybrid系统采用一个电动机的并联混合动力技术。以A09C型9 L发动机作为基础开发的A09C-VM发动机,功率/扭矩为279 kW(380马力)/1 765 N·m。电动机输出能力是90 kW/784 N·m,变速器组合为12AMT。搭载了首次量产的密封型锂电池,与2017年发售的“日野Profia”是共平台产品。

不同于小型卡车经常性的起停工况,大型卡车以在高速公路上的匀速行驶为目标,因为起动、停止的频率很小,所以一直以来都认为混合动力技术的节能减排效果并不显著。然而,日野汽车着眼于高速公路的坡度信息,开发出了新的混合动力系统。

具体来说,大型卡车质量大,下坡时的减速能量非常大,可以进行充分利用,新开发的混合动力系统就解决了这一控制问题。小型卡车使用传统的混合动力系统回收能量,收获的减速能量可以在起动、加速时使用。而这个新的大型卡车所用的新型混合动力系统在下坡等工况的减速能量可以通过电动机回收,在匀速行车时使用。如果电池充满电,在只有电动机工作时车辆可最大行驶14 km。此时,发动机处于空转状态,与驱动系统分离。

这套系统包含了GPS、陀螺仪等多个传感器,通过类似采集道路3D地形信息,来更精准地控制车辆的动力输出和回收。利用定位器ECU读取前进方向100 km前的路况坡度,通过AI制订电池的使用控制策略。再以每10 km的坡度信息优化更细小的扭矩分配程序。也就是说,Hybrid Profia系统能够根据车辆的载重情况和实时路况坡度,自行选择最优的动力输出模式(图8)。这是世界上首次应用的电池管理与扭矩分配控制技术。在下坡时还能自动对电池进行充电,实现能量回收。但是,这不是实际道路的坡度,毕竟是车辆前方100 km的路况坡度信息。

图8 大型混动卡车新控制系统开发示意图[5]

虽然控制策略不是按照实际试验行驶路线的详细坡度得到的,只是按照行进方向坡度的大概试验行驶的路线行驶,也得到了减少油耗的有效数据。据日野汽车公司测试的数据显示,从羽村到烧津往返360 km(其中,一般道路90 km,高速道路270 km),可实现节省14 L轻油的效果,提高了15%的燃油使用率。

另外,Profia Hybrid混合动力卡车的价格尚未公布。在一定的回收期内,通过先进的混合动力技术节省卡车运营燃油成本,用户很快会收回购车费用增加的资金。对于用户来说采购成本增加不多,但是综合使用成本要远低于现在市场上销售的燃油车辆。如果全周期运营成本削减效果显著的话,可以预见,日本国内的日野大型卡车将全部切换为混合动力系统。

4 结论

日野商用车的混动技术是一种较为成熟的方案,本文介绍了日野汽车在轻卡上开发的Hino Dutro Hybrid混合动力系统和重卡上开发的Profia Hybrid混合动力系统。无论是轻卡上的混动形式,还是重卡上的坡度信息识别和减速能量回收系统,都在节能方面发挥了显著的效果,可以作为开发商用车混合动力车型的典范。日野公司技术的先进之处和实践样例,为商用车混合动力技术的发展开辟了前进方向。

来源:EDC电驱未来返回搜狐,查看更多

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