先進(jìn)的輕型貨車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

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先進(jìn)的輕型貨車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

【日】武田信章木內(nèi)達(dá)雄

摘要：為了改善貨車(chē)和公交客車(chē)的燃油效率，自20世紀(jì)80年代，三菱扶桑卡客車(chē)公司就開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的混合動(dòng)力技術(shù)。2012年5月推出市場(chǎng)的新一代混合動(dòng)力輕型貨車(chē)已具備同級(jí)別車(chē)型中的頂級(jí)燃油經(jīng)濟(jì)性，并因此獲得市場(chǎng)認(rèn)可。嘗試回顧三菱扶桑卡客車(chē)公司近30年來(lái)的混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展歷史，并介紹新一代混合動(dòng)力輕型貨車(chē)的開(kāi)發(fā)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力系統(tǒng)鋰離子蓄電池自動(dòng)變速器雙離合能量再生

0前言

近年來(lái)，環(huán)境保護(hù)的重要性已受到廣泛重視，汽車(chē)行業(yè)也正在將各種環(huán)保車(chē)型推向市場(chǎng)。尤其是乘用車(chē)，能在行駛過(guò)程中完全不排放CO2的電動(dòng)車(chē)性能得到大幅提升，現(xiàn)已完全達(dá)到能適用于一般消費(fèi)者的水平。

在貨車(chē)及客車(chē)等商用車(chē)領(lǐng)域，作為應(yīng)對(duì)地球氣溫升高的對(duì)策，迫切要求減少其CO2排放量，同時(shí)，降低車(chē)輛的燃油耗也已成為運(yùn)輸業(yè)的重要節(jié)能對(duì)策。作為節(jié)能減排的相應(yīng)技術(shù)措施，日本三菱扶桑卡客車(chē)公司給予混合動(dòng)力技術(shù)相當(dāng)重要的產(chǎn)品定位，在過(guò)去的30年中，該公司開(kāi)發(fā)出各種混合動(dòng)力系統(tǒng)。本文在回顧各代混合動(dòng)力系統(tǒng)的同時(shí)，介紹

最新的Canter環(huán)保型混合動(dòng)力輕型貨車(chē)所配裝的高性能混合動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)。

1商用車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展歷史

1.1　20世紀(jì)70年代

圖1示出了三菱扶桑卡客車(chē)公司的混合動(dòng)力車(chē)發(fā)展歷史。其中值得關(guān)注的是，約40年前的1973年，當(dāng)時(shí)的三菱汽車(chē)公司生產(chǎn)了電動(dòng)公交客車(chē)(非無(wú)軌電車(chē)，而是裝用鉛酸蓄電池的蓄電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē))，并在京都市及神戶市交通局的協(xié)助下，進(jìn)行實(shí)際的商業(yè)運(yùn)營(yíng)。但是，由于液體鉛酸蓄電池的維護(hù)保養(yǎng)極為耗時(shí)耗力，這種零廢氣排放的電動(dòng)客車(chē)僅運(yùn)營(yíng)幾年之后就退役了。

1.2　1980-2000年

之后，針對(duì)公用性廣且有利于城市環(huán)境的車(chē)輛，積極推進(jìn)了公交客車(chē)的低公害化研究進(jìn)程。

傳統(tǒng)配裝柴油機(jī)的公交客車(chē)燃油效率高，為了降低其廢氣排放，以及進(jìn)一步降低車(chē)輛的行駛?cè)加秃模?dāng)時(shí)的研究人員認(rèn)為，制動(dòng)能量再生型混合動(dòng)力系統(tǒng)是較為適用的技術(shù)，即在車(chē)輛減速制動(dòng)時(shí)，將總質(zhì)量超過(guò)10t的車(chē)輛產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)能臨時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，以供之后車(chē)輛起步及加速時(shí)使用。

眾所周知，儲(chǔ)存制動(dòng)能量的方法通常有以下3種： (1)將車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，為蓄電池或電容器等蓄電裝置充電；(2)將車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為液壓能量，并儲(chǔ)存到儲(chǔ)能器中；(3)以原來(lái)的運(yùn)動(dòng)能形式儲(chǔ)存到飛輪中。

當(dāng)時(shí)研究的結(jié)果是采用上述第(2)項(xiàng)液壓式儲(chǔ)能系統(tǒng)。主要基于以下原因： 柴油機(jī)與液壓系統(tǒng)的結(jié)合可以說(shuō)是成熟技術(shù)之間的組合；此外，無(wú)須建設(shè)新的基礎(chǔ)設(shè)施，有望迅速進(jìn)入實(shí)用化階段。1994年，這種混合動(dòng)力車(chē)作為低公害車(chē)通過(guò)相關(guān)法規(guī)的認(rèn)證，并以“MBECS公交車(chē)”為名在日本主要的8個(gè)城市中實(shí)施車(chē)隊(duì)試驗(yàn)，之后，進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性并降低排放的改良車(chē)型被正式推向市場(chǎng)[1]。

另一方面，前文所述第(1)項(xiàng)電動(dòng)式混合動(dòng)力系統(tǒng)具有可控性好、質(zhì)量輕等液壓式儲(chǔ)能系統(tǒng)所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以，研究人員針對(duì)適用于貨車(chē)及客車(chē)的最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了相關(guān)研究(圖2)。

輕型貨車(chē)主要在市區(qū)道路行駛，行駛過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)頻繁起停的現(xiàn)象，因此，1995年，三菱扶桑卡客車(chē)公司以Canter車(chē)為對(duì)象，開(kāi)發(fā)了串聯(lián)式混合動(dòng)力概念車(chē)，并在市區(qū)道路行駛工況下進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)其能量效率、燃油耗及排放性能均有較大的改善[2]。

但是，當(dāng)時(shí)可選用的車(chē)載蓄電池只有密封型的鉛蓄電池，會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛空車(chē)質(zhì)量增加，有效載貨量減少，因此，這一混合動(dòng)力車(chē)還達(dá)不到真正上市銷(xiāo)售的水平。對(duì)商用車(chē)而言，只有在確保貨物裝載量的前提下，車(chē)輛才會(huì)具有其應(yīng)有的商業(yè)價(jià)值。

為推進(jìn)貨車(chē)及客車(chē)的混合動(dòng)力化進(jìn)程，可以充分再生利用貨車(chē)制動(dòng)能量的小型高性能蓄電池是必不可少的。以此為重要課題，研究人員最終將注意力集中于鋰離子蓄電池，并與三菱汽車(chē)公司乘用車(chē)部門(mén)的研發(fā)人員合作，聯(lián)合推進(jìn)鋰離子蓄電池的實(shí)用化研發(fā)工作[3]。

作為貨車(chē)及客車(chē)專(zhuān)用的蓄電池，不僅必須具備較高的功率性能，同時(shí)，還必須具備能儲(chǔ)存大量再生制動(dòng)能量的充電性能。為此，研究人員設(shè)定的目標(biāo)是，要求其具備與電動(dòng)乘用車(chē)用蓄電池不同的功率密度、能量密度，以及電池容量，并在三者之間實(shí)現(xiàn)良好的平衡，開(kāi)發(fā)出配裝于貨車(chē)及客車(chē)的混合動(dòng)力專(zhuān)用新型鋰離子蓄電池。最后，在實(shí)施電池管理裝置研發(fā)，以及各種安全性和耐久性試驗(yàn)之后，成功開(kāi)發(fā)出能應(yīng)用于車(chē)輛的鋰離子蓄電池。

期間，三菱扶桑卡客車(chē)公司接受新能源及產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)的委托，自1997年起的7年間，作為高效率清潔能源汽車(chē)研發(fā)項(xiàng)目(ACE項(xiàng)目)的成員單位，參與配裝壓縮天然氣(CNG)發(fā)動(dòng)機(jī)的混合動(dòng)力貨車(chē)的研發(fā)工作。搭載新型鋰離子蓄電池的混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)與CNG發(fā)動(dòng)機(jī)完美結(jié)合后，與配裝傳統(tǒng)柴油機(jī)的2.0t級(jí)貨車(chē)相比，車(chē)輛的燃油耗及CO2排放量均減少50%，廢氣排放減少75%[4]，達(dá)成了預(yù)期的開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

1.3　2000-2010年

對(duì)城市公交車(chē)輛而言，不僅要求其廢氣排放低、靜音性好，還要求其在實(shí)際使用中具有無(wú)障礙化的便利性。液壓儲(chǔ)能式混合動(dòng)力車(chē)的車(chē)身底下搭載2個(gè)巨大的儲(chǔ)能器，所以無(wú)法取消上下車(chē)用的臺(tái)階。因此，研究人員決定替換液壓儲(chǔ)能式混合動(dòng)力系統(tǒng)，以擴(kuò)大車(chē)輛地板面積、取消上下車(chē)臺(tái)階、提高乘坐舒適性為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型化，提高布局自由度，最終采用無(wú)須重新建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的以柴油機(jī)發(fā)電的串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)[5]。名為“Aero Star無(wú)障礙混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)”的公交客車(chē)在2000年的東京國(guó)際車(chē)展上亮相之后，于2002年，在日本國(guó)內(nèi)首次開(kāi)始客運(yùn)線路的運(yùn)營(yíng)。此外，2007年，進(jìn)一步提高性能的第2代Aero Star環(huán)保型混合動(dòng)力車(chē)被推出市場(chǎng)。由于實(shí)現(xiàn)了100%電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以，車(chē)輛沒(méi)有變速(換檔)沖擊感，可順暢地加速或減速，并且具備低振動(dòng)性能，該車(chē)型在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受到乘客及駕駛?cè)藛T的高度好評(píng)。

與此同時(shí)，輕型貨車(chē)的混合動(dòng)力化研發(fā)工作也得到推進(jìn)。根據(jù)之前概念車(chē)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，輕型貨車(chē)基本上也是在市區(qū)道路行駛，但與公交客車(chē)不同，貨車(chē)還必須適應(yīng)包括高速公路等各種路況在內(nèi)的不同行駛需求，所以，研究人員決定采用并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。此外，按照電動(dòng)機(jī)安裝位置的不同，并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)可分為圖3所示4種結(jié)構(gòu)方式，為了最大限度地再生利用制動(dòng)能量，選擇圖3中的“P2混合動(dòng)力系統(tǒng)”，在制動(dòng)時(shí)切斷離合器，以充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)全部制動(dòng)力產(chǎn)生的能量。此外，由于機(jī)械式自動(dòng)變速器與電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)一體化，改善了車(chē)輛的操控性。作為率先使用鋰離子蓄電池的輕型貨車(chē)，2006年7月，第1代Canter環(huán)保型混合動(dòng)力車(chē)被推向市場(chǎng)。

1.4　2010年之后

2010年11月，以Canter車(chē)為基礎(chǔ)車(chē)型，實(shí)施全面的車(chē)輛型式變更，研發(fā)人員重新設(shè)計(jì)Canter環(huán)保型混合動(dòng)力車(chē)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，引進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)，最終于2010年5月公布并銷(xiāo)售燃油耗達(dá)到同等級(jí)車(chē)輛最高水平的新一代Canter環(huán)保型混合動(dòng)力車(chē)。下文將詳細(xì)介紹最新的貨車(chē)專(zhuān)用混合動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)。

2新一代的混合動(dòng)力輕型貨車(chē)

在以往經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究人員在開(kāi)發(fā)新一代Canter環(huán)保型混合動(dòng)力車(chē)的過(guò)程中主要攻克了以下幾方面的技術(shù)難關(guān)： (1)混合動(dòng)力裝置的創(chuàng)新；(2)新開(kāi)發(fā)的雙離合變速器(DCT)與混合動(dòng)力系統(tǒng)相結(jié)合；(3)實(shí)現(xiàn)與Daimler公司的零部件通用化；(4)與全球供應(yīng)商進(jìn)行聯(lián)手技術(shù)開(kāi)發(fā)。

2.1　混合動(dòng)力裝置的創(chuàng)新

2.1.1電動(dòng)機(jī)

新車(chē)型采用的電動(dòng)機(jī)與上一代電動(dòng)機(jī)尺寸大致相同，但最高功率提高5kW。此外，冷卻方式由間接水冷方式變更為使用自動(dòng)變速器油直接冷卻的方式，在提高冷卻效率的同時(shí)，減輕質(zhì)量10kg。

2.1.2逆變器

由于與Daimler公司乘用車(chē)部門(mén)實(shí)現(xiàn)零部件的通用化，所以，雖然與上一代產(chǎn)品相比，新一代混合動(dòng)力輕型貨車(chē)的逆變器質(zhì)量和體積減少約50%，但增加了可處理鋰離子蓄電池12V電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器，獲得了極大的技術(shù)進(jìn)步。

2.1.3鋰離子蓄電池

新一代混合動(dòng)力輕型貨車(chē)采用新型疊片式蓄電池(圖4)，與上一代產(chǎn)品相比，雖然電池容量增加36%，但蓄電池組件的整體質(zhì)量減輕約25kg。

2.1.4安全功能

在因車(chē)輛整備等原因拆卸混合動(dòng)力裝置的情況下，為了在高電壓部位外露的狀態(tài)下接通電路時(shí)不觸動(dòng)高電壓，增加了安全聯(lián)鎖功能。此外，還配備了在遭遇事故時(shí)檢測(cè)鋰離子蓄電池所受沖擊并自動(dòng)切斷高電壓的功能，以及在實(shí)施救援時(shí)能即刻切斷高電壓的開(kāi)關(guān)等(圖5)，提高了安全性。同時(shí)，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行側(cè)面碰撞試驗(yàn)，確認(rèn)不會(huì)因事故發(fā)生高電壓部位外露或絕緣電阻降低，以及蓄電池電解液泄漏等危險(xiǎn)情況(圖6)。

2.2　DCT與混合動(dòng)力裝置的組合

為了確保上一代車(chē)型就已具備的同等級(jí)車(chē)輛中頂級(jí)的燃油耗水平，以及優(yōu)異的駕駛性能，必須在離合器與變速器之間設(shè)置1個(gè)電動(dòng)機(jī)。因此，在開(kāi)發(fā)初期確立了以下設(shè)計(jì)理念： (1)只在DCT偶數(shù)齒輪段的離合器后方布置電動(dòng)機(jī)；(2)在內(nèi)離合器接合的條件下，利用奇數(shù)齒輪段行駛時(shí)，可實(shí)施電動(dòng)機(jī)輔助及制動(dòng)能量再生(圖7)。然而，在實(shí)際的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，編制控制軟件并實(shí)現(xiàn)最佳的校準(zhǔn)操作是相當(dāng)困難的，為將上述設(shè)計(jì)理念與提高車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性聯(lián)系在一起，研發(fā)人員付出了極大的努力。最終，與上一代車(chē)型相比，新車(chē)型實(shí)現(xiàn)了改善燃油經(jīng)濟(jì)性10%以上的目標(biāo)(圖8)，達(dá)到了同等級(jí)車(chē)輛中的最高水平，這也是三菱扶桑卡客車(chē)公司混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的最新成果。這一技術(shù)的先進(jìn)性已得到廣泛認(rèn)可，作為商用車(chē)，新一代Canter環(huán)保型混合動(dòng)力車(chē)首次榮獲日本RJC年度車(chē)型特別獎(jiǎng)。除此之外，基于DCT與混合動(dòng)力系統(tǒng)的完美結(jié)合，該款輕型貨車(chē)還具備下文所述各項(xiàng)功能。

2.2.13檔變速起步

基礎(chǔ)車(chē)型所采用的DCT具備可根據(jù)路面坡度自動(dòng)選擇起步變速檔位的功能，但混合動(dòng)力車(chē)型在平坦路面行駛時(shí)，起步的變速檔位設(shè)定為3檔。通常，車(chē)輛起步之后，變速器的轉(zhuǎn)速在達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器被接合，此時(shí)就利用發(fā)動(dòng)機(jī)+電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力行駛；新一代混合動(dòng)力車(chē)設(shè)定為3檔起步，在車(chē)輛起步后，離合器接合的車(chē)速?gòu)纳弦淮?chē)型的7km/h被提升到10km/h，這不僅有利于改善燃油經(jīng)濟(jì)性，還有助于提高駕駛愉悅性。另外，此時(shí)電動(dòng)機(jī)是由2檔齒輪段傳遞扭矩，即便在車(chē)輛滿載的情況下，也不會(huì)產(chǎn)生扭矩不足的感覺(jué)，這也是新系統(tǒng)的特征之一。

2.2.2電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滑行

與上一代車(chē)型相比，為了提高用戶期待的微動(dòng)性能，設(shè)置電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滑行功能，即便不踩下油門(mén)，也可產(chǎn)生扭矩輸出。由此，大幅提高了車(chē)輛在坡道起步及倒車(chē)行駛等條件下的操控性能。

2.3　與Daimler公司的零部件通用化

包括前文所述逆變器在內(nèi)，高壓電纜及混合動(dòng)力裝置冷卻水泵等眾多零部件都已實(shí)現(xiàn)與Daimler公司產(chǎn)品的通用化，為大幅降低成本作出了貢獻(xiàn)。

2.4　與全球供應(yīng)商的合作研發(fā)

包括Canter基礎(chǔ)車(chē)型在內(nèi)，此次新車(chē)型全面型式變更的一大亮點(diǎn)就是與全球供應(yīng)商的相互合作。包括混合動(dòng)力專(zhuān)用裝置在內(nèi)，不僅有與Daimler公司產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)通用化的逆變器及高壓電纜，而且，作為核心部件的鋰離子蓄電池，也使用海外供應(yīng)商的產(chǎn)品，而最具影響力的則是與海外供應(yīng)商聯(lián)手開(kāi)發(fā)的柴油機(jī)。混合動(dòng)力系統(tǒng)的大部分驅(qū)動(dòng)能量是由柴油機(jī)產(chǎn)生的，因此，如果匹配的柴油機(jī)性能出現(xiàn)缺陷，車(chē)輛就有可能無(wú)法行駛。雖然在此次開(kāi)發(fā)末期的關(guān)鍵時(shí)刻，柴油機(jī)與混合動(dòng)力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方面出現(xiàn)一些技術(shù)障礙，但在加深理解其相互關(guān)系并分析狀況之后，研究人員成功地解決了問(wèn)題，并因此獲得了難得可貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

3結(jié)語(yǔ)

貨車(chē)及客車(chē)的使命是在額定尺寸及質(zhì)量條件下，安全地運(yùn)輸大量人員或貨物。同時(shí)，也迫切要求能減少其廢氣排放量，降低噪聲，從而有利于環(huán)境保護(hù)。另外，為節(jié)省石油資源，還要求改善車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性，甚至希望可以不采用石油燃料。

對(duì)于公交客車(chē)而言，每天或每次行駛的續(xù)航里程是相對(duì)固定的，所以，各家制造商歷來(lái)就將研究重心放在蓄電池式電動(dòng)車(chē)方面。除了滿足環(huán)保方面的要求外，基于純電力驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛還能實(shí)現(xiàn)乘坐舒適性方面的目標(biāo)。進(jìn)而，為了獲得更加舒適、更加環(huán)保的交通工具，也期待具有更高性能的蓄電池及燃料電池能早日進(jìn)入實(shí)用化階段。

針對(duì)在市區(qū)道路行駛的載貨2.0~3.0t級(jí)的貨車(chē)，到目前為止，已進(jìn)行過(guò)串聯(lián)式、并聯(lián)式，以及混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究工作。這次，以滿足用戶(物流公司)要求為目標(biāo)，三菱扶桑卡客車(chē)公司開(kāi)發(fā)了全新的混合動(dòng)力系統(tǒng)，精心打造具備優(yōu)異性能的輕型貨車(chē)。今后，在嘗試進(jìn)一步提高各種裝置及設(shè)備性能的同時(shí)，還將繼續(xù)擴(kuò)大混合動(dòng)力技術(shù)的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)

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彭惠民譯自自動(dòng)車(chē)技術(shù)， 2014， 68(1)

朱曉蓉校

朱曉蓉編輯

收稿日期：( 2014-07-03)