重型混合动力商用车的发展与研究

□文/张佩（武汉理工大学）

引言

一般而言，商用车种类包括轻型商用车、重卡车、巴士/客运等3大类。重型商用车由于具有运输效率高、运输成本低的特点，逐渐成为公路运输的宠儿。我国的重型商用车市场从进入新世纪以来，取得了突飞猛进的发展，销售业绩基本上是一路走高，增长迅速，年均增长幅度高达70%左右，2008年的销售量是2000年的销售量的6.57倍，重型商用车的生产与开发成为国内载货汽车生产厂家竞争的焦点。而随着国际油价不断上涨，以及中重型车将在2010年实行国Ⅳ排放标准，重型商用车的发展也受到了高油价、高排放标准的限制。商用车厂家也已开始致力于改善油耗、降低排放，亦开始进行电动化发展。

从混合动力、纯电动、燃料电池3种动力型态来看，以混合动力商用车技术最为成熟，其增加的成本最少，能够最先达到量产目标。事实上，混合动力型巴士及轻卡车已进入市场一段时间，但因成本远较传统车高，使其市场渗透率仍相当低。根据ABI research统计，2008年全球混合动力商用车产量不到9000辆，占总轻型商用车新车市场不到1%。目前以北美市场应用最多，成长最快，主要消费群以车队为大宗。包括城市交通运输公司、出租车公司、物流公司（如FedEx、UPS等）、甚至码头短程载货卡车等。由于看好中/重型卡车的电动化趋势，NextGen Research估计2013年之前北美地区的混合动力（中/重型）将大幅成长到2.7万辆，年复合成长率高达25.6%。

１ 国外重型混合动力商用车发展现状

由于燃油价格高，欧洲运输工业的绿色浪潮正滚滚而来，尽管高效、环保的动力技术成本昂贵，但用户却对这些技术产生兴趣，欧洲的卡车制造商也纷纷迎合这一趋势。在第62届汉诺威商用车展上，德国奔驰和曼、瑞典沃尔沃、日本日产等企业都展出了重型商用混合动力车型。１．１ 戴姆勒重型混合动力商用车发展现状

为了加快混合动力技术在商用车上使用的步伐，将混合动力广泛应用于城市客车、卡车等，2008年8月，戴姆勒与其子公司日本三菱扶桑在川崎成立了一家新的全球混合动力卡车研发中心，成为全球最大的商用车混合动力系统研究机构。

采用三菱扶桑EcoHybrid混合动力的Canter轻型货车已实现量产，目前在日本街道上大约运行着2000辆这种Canter 货车。Canter混合动力系统采用单轴并联结构，其驱动系统组成如图1所示，由柴油机、离合器、电机、变速器、电池、逆变器和动力控制单元组成。电机为新型永磁电机，安装在离合器与变速器之间。

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戴姆勒公司将这种先进的混合动力技术移植到了欧洲。戴姆勒公司将Canter货车上的这套驱动系统应用到车辆总质量为7.5t的梅赛德斯Atego货车上，它保留了原先的

重型混合动力商用车的

发展与研究

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《重型汽车》ＨＥＡＶＹ　ＴＲＵＣＫ　２０１０．１．

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汽车研究

92kW （125Ps ）柴油机。不过，在该吨位货车上应用这套混合动力系统，自质量控制是个难题：电池组约87.5kg ，还要考虑附加的电机和冷却系统的质量。因此，需采用紧凑型柴油机。此外，戴姆勒结合欧洲的柴油机技术和美国伊顿公司的混合动力组件在12t 的Atego 货车上应用了美国福莱纳混合动力技术。为提升有效载质量，该款总质量为12t 的Atego 货车选用了质量相对较小的4缸OM924LA 发动机，其最大功率为160kW(218Ps)，最大转矩810Nm ，配以输出功率44kW 、输出转矩420Nm 的电机，整个混合动力系统的输出功率与原型车水平相当。此混合动力车型已在2008年完成实际运行试验，即将实现量产。

沃尔沃集团目前正广泛推广应用于公交车、卡车和建设设备的第四代混合动力解决方案。沃尔沃集团的第四代混合动力技术以适应性平台解决方案为基础，其中包含大量标准组件。适应性平台解决方案的好处在于它可以用于各种不同产品，适应各种用途，这样就进一步提高了产量，降低了生产成本，为技术的推广创造了可能性。这项技术也在第一时间应用于沃尔沃的重型商用车。

在第62届汉诺威商用车展上，沃尔沃展出了世界上首辆重型混合动力垃圾卡车—Volvo FE Hybrid 。该车于2008年4月首次亮相，是Renova 和RagnSells 两家垃圾收集公司在瑞典测试的两辆混合动力垃圾车之一。与其他同类卡车相比，沃尔沃卡车应用了最新的沃尔沃第四代混合动力技术，节省燃料20%，并相应减少二氧化碳排放。此外，混合动力垃圾卡车使用电动机提供动力过程中完全不会产生尾气，而且噪音极低。垃圾卡车通常是一大早就在密集的城市中心穿梭，因此，这些特征对垃圾卡车而言至关重要。沃尔沃公司已于2009年开始批量生产混合动力车型。

Volvo FE Hybrid 总重为26t ，采用单轴并联结构，其驱动系统由柴油机、离合器、自动机械变速器、一体化启动机/交流电机（I-SAM ）、电池、逆变器和动力管理单元（PMU ）组成，如图4所示。其中I-SAM 为一个永磁电机，是该混合动力系统的一项重要的设计，既可作为电动机驱动车辆行驶，也可作为发电机给电池充电。I-SAM 与自动机械变速器（亦由Volvo 集团开发）协作工作，是一个实现制动产生的能量为传统柴油发动机电池充电的控制机构。PMU 是整个驱动系统的关键部件，它控制着电动机和柴油机的功率输出，变速器换档策略和电池充放电过程。当卡车启动和车速≤20km/h 时，整车完全由电机驱动，此时不会产生任何尾气，而且噪音也极低。当车辆减速制动时，制动能量逆向存入蓄电池，不会造成能量的损失。

１．３ 伊顿重型混合动力商用车发展现状

在2008年第62届汉诺威车展上，戴姆勒公司的梅赛德斯-奔驰Axor Hybrid 概念车在全球首次亮相。Axor 为用于长途运输的混合动力卡车，它采用并联方式，车重只增加了155kg ，根据不同的路况和驾驶习惯可以达到节油4%～10%的效果。

１．２ 沃尔沃重型混合动力商用车发展现状

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伊顿公司从事电动汽车和混合动力汽车的研发已经有超过20年的历史，是卡车和客车混合动力系统的全球领导者，也是全球唯一一家同时拥有油电混合动力系统和液压混合动力系统技术的生产商。2000年3月，伊顿公司在卡车部门内成立了混合动力系统事业部，集中人才和资源进行商用混合动力传动系统的研发。同年11月，第一台拥有伊顿混合动力系统的7级卡车（7级-总重11.79-14.97t ）样车研制成功。

2002年9月，伊顿公司从美国能源部（DOC ）和国家可再生能源实验室（NRLL ）获得710万美金的合同，主导下一代先进重型混合动力驱动技术的研究。在该项目中，伊顿公司和万国卡车和发动机公司针对4-6级商用车开发重型混合动力驱动系统，以显著降低油耗和排放。2004年，一辆UPS 城市包裹投递样车上安装了这样一套系统。2004年5月，伊顿公司联合万国卡车和发动机公司提交了一项提议，联合开发6-7级公共事业车的混合动力驱动系统。该提议是根据混合动力卡车用户论坛（HTUF ）公共事业混合动力卡车工作组的要求而制定的。同年8月，该提议被HTUF 选中。2005年9月，HTUF 宣布全国最大的中型柴油混合动力公共事业车队项目将于2005年第4季度启动。该项目将对装有伊顿混合动力系统的24辆公共事业车（万国卡车和发动机公司的4300系列底盘）进行实地测试。

2006年2月，UPS 选定伊顿公司为其提供50辆箱式投递车混合动力驱动系统，该车由万国卡车和发动机公司和福莱纳公司生产。首批车于2006年6月在达拉斯投入使用。之后，伊顿公司的混合动力系统装配到更多美国卡车公司产品上。

2009年4月伊顿携最新混合动力系统亮相第13届国际汽车展。为使混合动力系统实用化，伊顿还将现有生产部件集成到混合动力传动系统中，这些成熟的产品包括了自动变速器、自动离合器和电控模块。因此，伊顿公司能够提供一体化的混合动力驱动单元，可以应用在多种卡车产品上。

伊顿混合动力系统采用单轴直接并联结构，其动力系统组成如图5所示。在自动离合器的输出和自动变速器的输

入之间加入一个电动马达/发电机。这种结构可以回收制动能量，储存在电池或其他储能装置中。电动机可以和发动机同时驱动提高汽车性能；在特定车速下可以使发动机运转在最高效的范围，或者采用纯电动驱动模式。而且在一个系统有故障时，另外一个系统仍能单独工作。１．４ 其他厂家重型混合动力商用车发展现状

由于看好重型混合动力商用车的发展前景，不少汽车厂家都已开始了重型混合动力商用车的研发。雷诺制造了一款混合动力概念卡车Hybrys ，这款轴距为3900mm 的卡车采用混合动力技术提高了燃油经济性，比过去可节省35%的油耗，在设计上用于市内运输，尤其是垃圾运输，可以使用电动机或柴油/电动机工作。日本三菱公司制造了一款概念型垃圾装卸卡车Fuso Eco-D 。这款概念车采用柴油/电动机并行结构，可以使用其中任何一种能量源或者“双管齐下”以获得更大的加速度。欧洲卡车制造商达夫（DAF ）采取国际化战略，同伊顿、TNO 、Eindhoven 科技大学以及Leyland 卡车有限公司进行密切合作，开发09款达夫LF 混合动力卡车。该车采用柴油/电混合动力系统，由柴油机、电动机或二者联合提供动力，配备了伊顿6档自动变速器，采用锂离子动力电池组。电池充分充电后，LF 混合动力卡车在不需要柴油机的情况下仅用电能可行驶2km 。根据特定的使用环境和不同的运输需要，达夫混合动力技术可节省大量的燃油并减少排放。此外，还可减少零部件的磨损，降低使用成本。2009达夫LF 混合动力卡车已开始批量生产。Kenworth 公司于今年推出了2010款Kenworth T370，这款新车型预计能实现节油30%，配备有PACCAR 柴油机和伊顿混合动力系统。

２ 国内重型混合动力商用车发展现状

国内汽车企业大都以研究城市公交客车混合动力系统为主，对重型混合动力商用车的研究较少，目前，仅有东风商用车公司进行了相关的研究工作。在2009年4月的上海国际车展上，东风商用车公司隆重推出“天锦”油电混合动力中型卡车，这也是国内首款新能源中重卡产品。此卡车以2008年北京车展期间推出的东风天锦平台为基础，采用油电混合动力，装备东风自主研发的新型柴油发动机，它为四冲程、水冷、直列四缸、电控共轨燃油喷射柴油发动机，采用BOSCH 高压共轨燃油喷射系统，满足国Ⅲ排放，并具有升级国Ⅳ、国Ⅴ排放潜力。自主研发的发电机既可驱动又可发电，制动时能量可逆向存入蓄电池，使能量回收利用。陕汽则在此次上海国际车展推出了LNG 、CNG 替代燃料重卡，并宣布成立首家重卡新能源实验室，深入研

发混合动力重卡及新能源商用车。

３ 重型混合动力商用车驱动系统分析

目前混合动力驱动系统主要有串联型、并联型和混联型。串联型是由发动机运转产生电能，再传给电动机驱动车辆行驶，它适合城市中经常走走停停的车辆，比如公交车等；混联型包括了串联和并联两种形式，设计较复杂，对于丰田Prius这样大批量生产的轿车具有较好的成本，但重型商用车产量低，因此并不适用。因此国内外的汽车厂家都无一例外的选择了并联驱动系统作为其开发的重型混合动力商用车的驱动形式。而且几乎都采用的是单轴并联式这种简单的结构。这一方面是因为单轴并联式结构较为紧凑，有利于减轻整车质量，从而提高整车的动力性和经济性；另一方面则是因为单轴并联式结构技术较为成熟，对整车的改动较小，有利于降低成本。但结构简单的同时也对控制系统提出了更高的要求。为了实现能量在发动机、电动机之间的合理而有效的分配，使整车系统效率达到最高，获得整车最大的燃油经济性、最低的排放以及平稳的驾驶性能，不得不建立更为复杂的控制系统和控制策略。这就要求今后在重型混合动力商用车的研发过程中应加强控制策略方面的研究。

４ 重型混合动力商用车关键技术

４．１ 电池及其管理系统

由于重型商用车的质量较重，驱动重型商用车对电池的要求也比一般乘用车更加严格。此外，重型商用车的工作条件比较恶劣，故要求电池可靠性高。为此，重型混合动力商用车一般都使用电压、能量密度、功率密度都较高的锂离子电池，但与铅酸电池相比，其成本较高。为此，沃尔沃研制出了一种名为“Effpower”的新型蓄电池，它利用传统的铅酸（基）蓄电池来提供传统蓄电池加倍的电能，但制造成本更加低廉。这种陶瓷基蓄电池含铅量仅是迄今蓄电池的一半，它立足于双极性而非单极性电极技术，其价格大约是锂离子蓄电池的1/7。

此外，电池净能量变化和SOC状态对重型混合动力商用车的油耗和排放有着一定的影响，因此，建立一个符合电池实际使用环境的电池能量管理系统是十分必要的。４．２ 电动机

研究开发重量轻、体积小、工作可靠、价格便宜的电动机对于重型混合动力商用车的设计来说是非常重要的。重型混合动力商用车可使用的电动机的种类与性能对比如表所示。

表 四种电动机的性能对比参照表

目前，各国比较重视永磁无刷电动机和开关磁阻电动机及其控制系统的研究和开发。永磁无刷电动机已被广泛应用于各类混合动力商用车上，而开关磁阻电机由于控制成本高、性能不稳定还处于实验研究之中。

４．３ 控制系统

控制系统是整车行驶的核心单元，目的是使整车油耗和排污最低，并尽可能减少电池的能量消耗，以满足汽车动力性、经济性、排放性等性能指标的要求。为此需要设计与混合动力系统相对应的控制系统和控制策略。由于重型混合动力商用车大多采用并联结构，因此采用的控制策略主要包括并联电辅助驱动式控制策略和并联实时控制策略。４．４ 零部件制造技术

重型混合动力商用车驱动系统还包括离合器、变速器、电控单元等，它们的性能的好坏对整车驱动系统的性能也有着一定的影响，因此开发制造出适合于重型混合动力商用车驱动系统的离合器、变速器等部件，对重型混合动力商用车的发展将产生重要的影响。

５ 小结

总体来讲，重型混合动力商用车的研究开发仍处于初级阶段，特别是在国内，这一方面的研究才刚刚起步，并且其发展也受到各种因素的限制。一方面，由于重型商用车的数量和轿车相比要少得多，因此，收回研发和生产设备的成本更加困难，从而影响着重型混合动力商用车的发展。另一方面，电池系统和电机/控制元件的可靠性和耐久性也影响着重型混合动力商用车的发展。不过，在未来燃料紧缺及全球气候变暖等因素的影响下，在政府政策的大力支持下，重型混合动力商用车的发展前景值得我们期待，它也将在不久的未来逐渐实现商业化。

参考文献略。

《重型汽车》ＨＥＡＶＹ　ＴＲＵＣＫ　２０１０．１．12