关于再生制动回收能量对混合动力卡车的影响分析

为了证明增加回收再生制动能量与混合动力卡车的燃油经济性和废气排放特性之间的关系进行了一系列试验。研究人员在混合动力-传动系台架试验装置的发动机上，组合排气后处理装置，改变混合动力-传动系统的结构和混合动力控制方法，以及回收减速能量控制方法，以此研究混合动力卡车的燃油经济性和排放特性。研究表明，即便在3～15 km的低的制动速度下进行混合动力卡车的再生制动控制，总再生电能提高14.7%，燃油经济性提高3.1%。此外，高效率发动机驱动的混合动力卡车的废气排放温度与柴油机卡车相同，排放性能得到了改善。

近年来，由于全球气温升高导致的气候变化成为社会问题，而汽车排放的CO2数量的增加，是引起全球变暖的因素之一。为实现CO2减排，提高发动机热效率，各汽车制造商正在积极地进行低燃油耗车及混合动力车型的研发。为了提高混合动力车辆的燃油经济性，可利用电动机回收减速制动时的能量，为加速时提供驱动用的辅助动力，以降低发动机的作功量。为了回收更多的减速制动能量，可考虑控制再生制动在极低车速范围，以及变更混合动力-传动系统的布局方案。利用台架试验对卡车、公交客车等混合动力商用车的燃油耗性能及排放特性进行研究。

研究小组评价了小型混合动力卡车的燃油经济性能及排放特性，并进一步研究了提高混合动力商用车的燃油经济性能及废气排放特性的新型混合动力控制方法。具体来说，在试验室构建了可以再现各种混合动力车辆实际行驶状态的“混合动力-传动系统台架试验装置”。研究了新的混合动力控制方法，改善混合动力卡车的燃油经济性，有效地提高排气后处理装置的功能，力求提高作为必要热源的排气温度。

除了研究各种混合动力控制方法外，还了解了变更回收减速能量控制方法时的混合动力卡车的燃油经济性能及排放性能。在混合动力-传动系统台架试验系统的发动机上，组合排气后处理装置，并进行了相关试验。

1 试验装置及试验条件

1.1 试验装置

为了多方面地了解混合动力卡车的燃油经济性能与排放特性的关系，使用了结合仿真模型与实际机组，采用了可以实时控制与评价的混合动力-传动系统台架试验装置(明电舍公司制EVREV0)。试验中，发动机使用实体发动机，而其他组成设备则利用模型，在本系统中构建了假定的混合动力卡车。

试验用发动机为排量4.7 L，直列4缸带中冷器的涡轮增压式柴油机(UD trucks：GH5)，最高功率为158 kW(2 500 r/min)，最大扭矩628 N·m(1 400 r/min)，排气后处理装置假定满足日本后新长期排放法规要求的车辆使用，并配装了柴油机颗粒捕集器(DPF)，氧化催化转化器(DOC)，以及选择性催化还原系统(SCR)(图1)。采用永久磁铁式同步电动机(泽藤电机公司YZ901-MI)，最高功率为118 kW(3 300 r/min)，最高扭矩假定为340 N·m(0～3 300 r/min)，驱动用蓄电池假定为小型混合动力卡车上配装的锂离子蓄电池(2.0 kW·h)，并建立了模型。

废气排放测试使用了废气排放分析仪(堀场制作MEXA-0NE-DI-EGR)以及暗度计(AVL 4390)。

图1 试验装置图解

1.2 试验条件

表1列出了模拟卡车的主要技术规格，设定了实际配装上述发动机的中型卡车，试验时的车辆质量为5 870 kg，载质量处于半载状态。

表1 模拟卡车技术规格

行驶模式是图2所示的JE05工况及市区道路行驶工况。试验程序为：JE05工况试验时，以80 km/h的恒定速度行驶20 min；之后，车辆停止10 min；JE05工况行驶(预先运行；车辆停止10 min；继续JE05工况行驶)。按照这样的循环进行了试验。另一方面，按市区道路行驶工况的试验，行驶的程序为：循环JE05工况行驶(本来运行)的试验之后，车辆停止10 min；市区道路工况行驶(预先运行)；车辆再停止10 min；市区道路行驶工况(本来运转)顺序实施试验。

图2 行驶试验模式

(JE05工况及市区道路行驶工况)

1.3 传动系统结构及控制方法

假定卡车的混合动力采用了主流的并联型混合动力方式。假定卡车的比较对象使用了柴油机卡车，要求只用发动机运转，并建立了模型。作为研究对象的混合动力系统设定为以下3种类型。

(1)混合动力卡车：假想卡车A

假定目前混合动力卡车的传动系统的结构为“发动机⟺离合器⟺电动机⟺变速器⟺末端传动齿轮⟺后轮胎”并以小型混合动力卡车为基础，构建假想卡车A的柴油机与电动机的动作状态。这种车辆在车速15 km/h以下，停止了再生制动控制的功能，而在最新的电机驱动乘用车上，在极低车速下采用了有再生制动控制功能的技术。因此，本试验中，将具备再生制动控制功能的最低车速(VRBC)设定为15 km/h与3 km/h，并进行了评价。以下所有假想卡车中，VRBC设定为同样的条件。

(2)混合动力卡车：假想卡车B

根据ECMT-混合动力车辆(HEV)传动系统的结构，转换电动机与离合器，设定为“柴油机⟺电动机⟺离合器⟺变速器⟺末端传动齿轮⟺后轮胎”。这是混合动力卡车开始进入市场时的结构。

(3)高效驱动混合动力卡车：假想卡车C

配装汽油机的混合动力乘用车要求按发动机最佳效率曲线驱动发动机，采用电动机进行动力运行/再生制动控制的系统。将进一步提高燃油经济性设为目标，将试验用柴油机设定该系统，构建了假想卡车C。传动系统的结构是与假想卡车A相同的。试验用发动机的最佳的动作曲线，即燃油消耗率图见图3。发动机排气口的氮氧化物(NOx)排放率图见图3(c)。实际上，如按照该最佳动作曲线使假想卡车C运行(VRBC=15 km/h)，相比柴油机卡车的燃油经济性能及发动机排放气体的NOx含量也得到了改善。

为了比较以上使用了3种混合动力控制的假想卡车的燃油经济性能及排放气体特性，考虑蓄电池的蓄电状态，设定了行驶开始与结束时电量(电能)收支相抵(ΔSOC=0)。驱动用蓄电池充电，车辆减速时间设定为再生制动控制及发电控制，不利用外部电源进行充电。因此，假想卡车A及假想卡车B，基于电动机提供的辅助动力大小进行了试验。由于假想卡车C中发动机扭矩是任意设定的，利用电动机提供的辅助动力数据，末端传动齿轮比(传动轴齿轮比)或车辆质量成为变更的因素，因此，对末端传动齿轮比并进行了调整。

图3 按照各假想卡车发动机转速

和发动机扭矩的比较

2 试验结果及考察

2.1 假想卡车的行驶动态及总再生能量

图4示出JE05行驶工况的最初行驶状态时各假想卡车行驶时的发动机及电动机的性能表现。图4(a)为假想卡车A及假想卡车B单纯地由发动机与电动机分配行驶时必要的扭矩。假想卡车C则在发动机低转速、高扭矩工况下减少负荷扭矩。如减速时(70～90 s)，则假想卡车A及假想卡车C的发动机与电动机被离合器分开，与本轴直接连接的电动机进行制动能量再生，发动机进行怠速运转。由于假想卡车B的发动机与电动机直接连接，能够确认由于发动机制动导致的再生能量的损失。其次，以假想卡车A为例，如VRBC按15 km/h及3 km/h进行比较，见图4(b)，按照VRBC=3 km/h进行控制，至极低车速在回收再生制动能量的情况得到了验证。

图4 按照各假想卡车在JE05工况下

发动机及电动机的表现性能

各假想卡车按JE05行驶工况及市区道路工况行驶时，电动机的能量再生及通过发电取得的电能总计归纳于图5。无论哪种行驶工况，按照柴油机卡车<假想卡车B<假想卡车A<假想卡车C的顺序，其总再生电量都有所增加。假想卡车C在加速时，利用发动机进行强制发电(用马达为加速提供辅助动力)，因此，再生电量中形成增加了发电电量的状态。总再生电量的增加，由于受电动机布置的影响，能够用离合器分开发动机与电动机的假想卡车A及假想卡车C，可以回收较大的再生制动能量。

图5 总的再生电能和燃油经济性的比较

2.2 假想卡车的燃油耗性能

图5比较了各假想卡车的总再生电量的燃油耗值。无论行驶工况如何，按照柴油机卡车<假想卡车A<假想卡车C的顺序，燃油耗减小(燃油经济性提高)，可看到燃油经济性与总再生电量之间的关系。如图3(a)和图3(b)所示，按照柴油机卡车>假想卡车B>假想卡车A的顺序，发动机动作点分布于低扭矩侧，总再生电量增大，从燃油耗看，假想卡车B改善了12%，假想卡车A改善了16%。

另一方面，假想卡车C由于改变了末级传动齿轮比的影响，发动机及电动机的转速降低了，因此，相比假想卡车A在减速时能够回收的电量变少了，如图5所示。但是，按照发动机最佳效率曲线运转，利用发动机进行强制发电运转，总再生电量变大，燃油耗改善26%，其燃油经济性最优异，如图3(c)所示。此外，由于直至3 km/h的极低制动速度，各假想卡车具备再生制动控制(VRBC)功能，相比于VRBC=15 km/h，总再生电量在所有条件下平均提高14.7%，降低燃油耗3.1%。

2.3 假想卡车的废气排放特性

本试验中，同时测试了排放废气温度与排放特性。如图1所示，排放废气温度的测试部位是发动机外部，分别在DOC后、DPF后，以及SCR后共4处位置。排放特性在发动机外部(后处理装置前)与排气尾管(排气后处理装置之后)进行了测试。

(1)假想卡车的排放废气温度

图6表示按照每个测试部位，随着行驶工况及再生制动控制的差异，总再生电量与按照工况行驶时的平均排放废气温度的关系。

①关于柴油机卡车

JE05工况的发动机外部的平均排气温度约为199 ℃，在DOC后约为168 ℃，DPF后约为154 ℃，SCR之后约为133 ℃。市区道路行驶工况下，在发动机外部约为147 ℃，DOC后为115 ℃，DPF后约为100 ℃，SCR后约为83 ℃，与JE05工况相同，随着向发动机下游侧推进，排气温度呈现降低趋势。

②关于各假想卡车

按JE05工况运行结果，总再生电量增加的系统结构顺序(假想卡车B<假想卡车A)，排气温度降低了。与假想卡车A的平均排气温度相比，按JE05工况行驶时的柴油机卡车在所有测试部位，在VRBC=15 km/h时都降低了约18 ℃，VRBC=3 km/h时，都降低了约20 ℃。如图3(a)和图3(b)所示，由于单纯地由发动机与电动机分摊行驶时必要的作功量，因此发动机作功量都有所降低。假想卡车C(图6的圆形虚线所示)的平均排气温度，无论行驶工况如何，比假想卡车B及假想卡车A高些，得到了与柴油机卡车同等的排气温度。考虑到利用发动机进行强制发电运转，发动机的运转点如图3(c)所示，分布于低转速、高扭矩区域。

图6 按照各种假想卡车的平均排气温度

与总再生电量的关系

(2)假想卡车的排放特性

图7表示随着行驶工况及再生制动控制的差异，总再生电量与按照工况行驶时的排放特性，即CO、总碳氢(THC)和NOx的关系。

①柴油机卡车，假想卡车A与B

在JE05行驶工况下，发动机外部的CO、THC、NOx随总再生电量的增大显示了减少的趋势。排气尾管的CO及THC显示大致为0的趋势，NOx排放按照柴油机卡车>假想卡车A>假想卡车B的顺序恶化了，可看到与图6的排气温度趋势的关系。其次，市区道路行驶工况情形下，发动机外部的CO、THC和NOx随着总再生电量的增大显示了减少趋势。在排气尾管处，假想卡车A的CO减少到了0左右，而柴油机卡车及假想卡车B的CO，发动机外部的一半左右是由排气尾管排放的。THC排放量则随着总再生电量的增大增加了。

图7 各假想卡车的废气排放与

总再生电能的关系

为调查以上原因，净化排气中的CO及THC的DOC。在此，为详细地调查市区道路工况行驶时的DOC后的平均排气温度，以及由排气尾管排出CO和THC的排放特性，调整市区道路工况行驶试验(VRBC=15 km/h)的开始时间，变更了DOC后的平均排气温度，并进行了试验。图8(a)与(b)表示试验结果。首先，关于THC与假想卡车的传动系统方式无关，DOC后的排气温度为120 ℃以上时，THC显示为0。图中同时记载了图6所示的市区道路工况行驶时(VRBC=15 km/h)的DOC后的平均排气温度。按照柴油机卡车>假想卡车B>假想卡车C>假想卡车A的顺序，DOC后的平均排气温度逐渐降低。

同时按这种假想卡车的顺序，图8中表示的THC显示了增加的趋势。也就是说，图7中所示按市区道路工况的基本运转时的THC增加，与后处理装置内的DOC的温度降低有密切关系。其次，图8中的CO排放量，则在DOC后的平均排气温度为175 ℃以下，由于假想卡车的传动源方式的不同，致使CO的排放趋势不同，按照柴油机卡车>假想卡车C>假想卡车A的顺序，CO有所降低。如使用由图6得出的平均排气温度，确认了与图8的CO的关系，则可知与图7的排放趋势有密切关系。

②关于假想卡车C

根据再生电量与强制发电电量的总计值，总再生电量最大的假想卡车C的NOx，在JE05工况下最低，而市区道路工况下显示高的排放量。与测试DOC的试验相同，变更SCR催化器前的平均排气温度，测试了各假想卡车的NOx。图8(c)表示测试结果。在整个温度范围，按照柴油机卡车>假想卡车C>假想卡车A>假想卡车B的顺序，NOx降低了。由图3(c)右侧所示的NOx排放量与市区道路工况行驶时的发动机动作点的关系。

此外，图8中同时示出了市区道路工况行驶时(VRBC=15 km/h)的SCR前的平均排气温度。与图7的NOx的排放趋势有密切关系，可考虑排气后处理装置的SCR催化剂温度与混合动力控制的影响。其次，关于THC，在发动机外部，无论行驶工况怎样，在所有假想卡车中THC最低。在排气尾管方面，市区道路工况下比假想卡车B增加了一些，能够确认这里也与图8的结果有密切关系。最后，关于CO与NOx及THC的排放趋势有大的差异，尤其是JE05工况下，其结果比其他假想卡车的排放量多。

图8 市区道路工况行驶时排气尾管

中的CO、THC及NOx

因此，为调查该原因，以JE05工况高速行驶部分的起步加速时为例进行确认。图9中按每一时间序列同时示出了柴油机卡车。图9中按每一时间序列同时示出了柴油机卡车，假想卡车A及假想卡车C的各种发动机运转条件与排放特性。柴油机卡车及假想卡车C每次变速发生高浓度烟尘(不透明物)，发动机外部也排放更多的CO。另一方面，假想卡车A结束利用电动机为加速器提供辅助动力，车速达到65 km/h(约1 470 s)，没有确认烟尘的高浓度以及CO的显著的排放趋势。考虑到废气再循环(EGR)率，则发动机负荷低的假想卡车A的EGR率为60%左右，显示恒定的趋势。

而柴油机卡车及假想卡车C，可以确认由于变速导致EGR率急剧地变动。尤其是假想卡车C因为发动机在低转速、高扭矩工况下运转，可考虑变速条件下发动机过渡运转时，燃烧室内容易形成氧含量不足的状况，可推测为由于其影响，发动机外部的CO排放次数及其数量变多了。另一方面，这次示出的起步加速时的DOC后的排气温度，假想卡车A约为122 ℃，假想卡车C为140 ℃左右。假想卡车C产生高温排气，由于DOC的温度上升，假想卡车C相比假想卡车A排气尾管的CO降低，不过，显示较低排气温度的假想卡车A的CO被充分地净化了。在此，图8中所示的结果是市区道路工况行驶时的DOC的温度特性，但可认为本区间的CO也显示了同样的特性。

图9 发动机性能(含运转条件及排放特性)

与时间历程的关系

3 结语

在混合动力-传动系统台架试验装置的发动机上组合排气后处理装置，调查了改变混合动力-传动系统结构，混合动力控制方法，以及回收减速(制动)能量控制方法时的混合动力卡车的燃油经济性能，以及排放特性，获得以下结果。

(1)总再生电量与燃油经济性能之间相互关系密切。由于从3～15 km/h的极低速度具备混合动力卡车的再生制动控制功能，在所有条件下，总再生电量平均改善14.7%，燃油经济性改善3.1%。

(2)相当于商品混合动力卡车的平均排气温度相比柴油机卡车最大约低20 ℃，另一方面，发动机高效率驱动混合动力卡车的排气温度与柴油机卡车是同等的。

(3)伴随总再生电量的增加，发动机外部的排放特性改善了。另一方面，排气尾管的废气排放特性，受排气后处理装置的催化剂温度与混合动力控制的影响，而未能确认该排放特性与总再生电量之间的相互关系。