日野推出世界首款混合動力重型商用車—“Profia Hybrid”

董大陸 孔莉 呂曉剛 林長軍

（1.一汽解放汽車股份有限公司商用車開發院，中國長春 130011；2.福岡大學,日本福岡 8140180）

主題詞：CO2零排放 重型商用車 混合動力 人工智能

1 前言

日野汽車作為世界商用車混合動力技術開發的先驅，面向未來市場需求與發展展望，日野認為下一代商用車的關鍵是電動化。電動車的優勢是滿足零排放、低噪音等需求，這使電動車可以面向更廣泛的應用場景。在輕型商用車領域，市場已有多款電動化的產品。然而面臨著制造成本、續駛里程需求等諸多挑戰，在重型商用車領域的電動化技術市場化應用始終進展緩慢[1]。

日野汽車于2017年10月制定了“環境挑戰2050”目標，要在2050年實現“新車挑戰二氧化碳零排放（產品行駛時CO2排放量減少90%）”的目標。日野汽車公司生產的重型卡車的CO2排放量約占公司總量的70%，在日本重型卡車燃料消耗量占國內商用車燃料消耗量的60%，因此提升重型卡車的燃油經濟性對減少CO2排放意義重大。面向環境挑戰2050年的需求，同時考慮現有發動機技術的利用，日野開發商用車混合動力技術以面向下一代重型商用車的低碳化發展挑戰。

2 日野首款混合動力重型車概述

日野汽車于2018年7月17日宣布將于2019年夏季推出世界上第一臺搭載混合動力系統的重型卡車“Profia”。Profia Hybrid為該公司第六代混合動力技術的首款車型，如圖1所示。Profia Hybrid是一款創新型重型卡車，是日野邁向2050年CO2排放目標的第一步。日野從2010年開始研究重型卡車的混合動力系統，2014年開始全面開發，到推出全球首臺搭載混合動力系統Profia Hybrid車型的商業化可以說達到了重型商用車電動化的新高度。

圖1 日野Profia Hybrid車輛宣傳圖[2]

眾所周知，乘用車的混合動力技術已經在日本廣泛應用。混合動力系統由于其工作特點，更適用于在工況多變的城市內使用，在頻繁的啟停工況及加減速過程中減少能源消耗，因此部分市內運輸的輕型卡車和公交車也有混合動力版，然而混合動力卡車只有載重2 t以內的輕型款（如Hino Dutro，Isuzu Elf等）。混合動力系統并沒有在長途客車和中重型卡車上應用。

根據日野汽車的統計數據，輕型卡車使用工況約有86%比重為一般道路，而重型卡車高速公路行駛工況比重達到57%[3]。因此，在加速/減速工況比重較小的重型卡車中，傳統的混合動力系統的優點很小，即使作為商用車的混合動力技術先驅的日野公司之前也沒有在重型卡車上采用混合動力技術，而Profia Hy?brid是世界上第一輛混合動力重型卡車。

3 混合動力系統開發

日野汽車通過對重型卡車的使用工況進行統計和分析后得出，在高速公路上下坡工況下，重型卡車可以產生超過小型卡車十倍的可回收能量，這也是日野研發重型卡車新型混合動力系統的主要驅動力之一。日野面向重型卡車使用工況開發新型混合動力控制系統，日野Profia Hybrid采用并聯式混合動力系統，而在整個控制系統使用基于人工智能（AI）的新型控制系統[4]。

Profia Hybrid并聯式構型的混合動力系統采用日野A09C發動機，如圖2所示，發動機排量為8.866 L、最大輸出功率為279 kW/1 700 r/min、最大扭矩為1 765 N·m/1 100 r/min；電機最大輸出功率為90 kW/1 100～2 900 r/min、最大扭矩為784 N·m/1 100 r/min；動力通過12擋AMT（機械自動變速器）傳遞到后輪；逆變器為197 kVA；電池配備288 V-40 Ah（額定容量1.1 kW·h）的大容量鈦酸鋰電池，采用內循環風冷系統[5]。

圖2 日野A09C發動機[5]

新型的混合動力系統在重型卡車下坡及制動時，發動機脫開變速器，通過電機回收能量，電機發電后電能輸送到動力電池儲存；在勻速行駛工況時，既可以用發動機動力單獨驅動整車（電機脫開），也可以采用電機單獨驅動模式（EV模式），而采用何種驅動是基于人工智能系統進行管理與切換；而在加速及爬坡時，可以通過人工智能自行判斷進行預加速，采用電機輔助加速或爬坡，增加整車動力性，減少燃料消耗[6]，混合動力系統工作原理見圖3。

圖3 Profia混合動力基本架構與工作原理圖[3]

日野在其羽村工廠的試驗場內使用高環測試路進行了多種不同工況模式下混合動力系統工作情況的體驗試駕活動。各工況包括：加速過程中電動機輔助行駛、在整車70 km/h速度時發動機單獨驅動行駛和EV模式電機單獨驅動行駛、以及再生制動能量回收。有無電動機輔助可根據油門開度進行調整，達到一定程度的油門開度和車速的情況下也能變成EV模式。EV模式下發動機仍處于怠速狀態(為助力轉向和制動系統提供動力)，發動機與離合器斷開，僅使用電機驅動行駛[3]。制動或下坡工況通過減速器后電機進行能量回收，通過逆變器把回收電能儲存在電池中，此時類似于普銳斯等車型的能量回收過程[7]，當人工智能控制系統判斷車輛在制動或下坡工況時系統優先進行能量回收[3][8]。

與傳統的重型卡車不同，在EV模式下以70 km/h的速度行駛時，即使發動機處于怠速狀態，也幾乎聽不到發動機工作的的聲音，駕駛室內部非常安靜，傳進來的只是胎噪聲，且感受不到來自發動機的振動，說明Profia具有良好的NVH水平；Profia也有良好的人機交互特性，諸如再生（充電）和輔助之類的狀態會顯示在儀表中的多信息顯示器上，有助于駕駛員了解車輛解處于哪種運行模式。

4 基于人工智能的控制系統

為了使混合動力系統更高效節能，日野還引入了人工智能(AI)系統，基于衛星定位的路況信息進行優化控制以提高燃油經濟性。在運行狀態自適應型輔助控制中，AI引入了諸如運行負載、坡度、發動機狀態、加速踏板開度、電池狀態、駕駛員的駕駛風格和習慣、道路狀況和擁堵等車輛狀況，基于AI系統的ECU判斷混合動力控制并自動優化電動機輔助量，通過AI對電池進行管理和扭矩分配控制，可以達到執行最佳節能控制。

從GPS與車速傳感器等獲取車輛信息，ECU基于內置地圖信息獲取行駛路線前方100 km道路的標高、坡度等信息，制定下一段100 km路程內電池使用的基本控制策略，并且每10 km通過道路交通狀況和地圖創建更詳細的發動機與電機的扭矩分配方案，見圖4。通過人工智能AI來判斷駕駛員意圖并執行最佳控制的混合動力策略，以達到最大限度的節省燃料，使用AI并響應駕駛員對各種駕駛的意愿，例如“讓我們現在慢慢跑”或“快點！”，通過AI的支持以確定混合動力系統介入的駕駛工況[9]。

圖4 Profia Hybrid人工智能控制原理[3]

日野對Profia Hybrid進行了道路實測試驗，車輛整備質量是25 t，車輛自動空調設置為25℃，測試道路為：羽村-厚木-燒津，其中羽村到厚木為90 km普通公路，厚木到燒津為270 km高速公路。測試結果顯示，與傳統柴油車相比，Profia Hybrid可以減少14 L燃油，約合100 km節油3.89 L,整車節油約15%[3]。

5 通用化與模塊化設計

推進商用車電動化可以選擇EV（電動車輛）、PHV（插電式混合動力）和FCV（燃料電池汽車）等不同技術路線，而電動化過程中充分考慮技術的可持續性與可長期發展需求，可以有效降低成本。通過動力系統的通用化與模塊化設計，可以進一步減少開發時間和成本。通過整車平臺可選用不同動力系統的模塊化設計，即動力系統模塊化設計與開發，具有高設計自由度的商用車在未來可以滿足更多不同的市場需求。

在日野的技術展示會中，展示了基于Profia Hy?brid混合動力的不同整車產品[3]，包括底盤3軸和4軸的車輛。日野還開發了一款混合動力的冷藏車Profia Cool Hybrid，預計在2019年夏季推出（圖5）。Profia Cool Hybrid同時把冷藏系統與混合動力系統結合，由人工智能系統統一進行能量管理（圖6），其系統具有短時停車及休息時仍可持續制冷的特點，同時還具有低噪聲、節油明顯、車輛管理成本好等優勢，這也將使Pro?fia Cool Hybrid在其細分市場具有很強的競爭優勢[2]。這顯示了其混合動力系統具有廣泛的適用性。

圖5 Profia Cool Hybrid冷藏車[2]

圖6 Profia Cool Hybrid基本架構[2]

結合車輛的人工智能系統，日野的Profia Hybrid整車安全也有其獨特之處，如搭載有預碰撞安全PCS系統，PCS系統在車輛速度約10 km/h時開始工作，可有效降低與行人及車輛碰撞的事故風險；在輔助駕駛中有自適應巡航、車輛車道偏離預警系統、疲勞駕駛提示系統等技術，可以有效的輔助司機安全駕駛。

6 結論及展望

日野汽車計劃逐漸提升在全球銷售的商用電動車比例，預計在2050年時將電動車的銷售比例提升至100%，屆時將不再生產使用柴油動力的商用車[3]，未來重型卡車需要不斷降低燃料消耗，降低CO2排放。面對未來使用過程CO2零排放要求，重型商用車電動化是必然趨勢。對于全球不斷嚴格的節能減排要求，Profia Hybrid證明了重型商用車采用混合動力技術可使CO2排放降低15%，說明混合動力技術可作為面向CO2零排放目標的重要過渡技術之一。

基于現在的市場需求、技術成熟度以及成本考慮，商用車立即全面電動化是不現實的。面對逐步嚴格的CO2排放要求，商用車節能減排的技術必須不斷進步，除傳統發動機提升熱效率與整車節能技術外，日野的混合動力技術也是其中一條值得商用車企業借鑒的技術路線。