軍用車輛48V混合動力技術研究

資新運，邊浩然，曾繁琦，張英鋒

(1.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161)

軍用車輛48V混合動力技術研究

資新運1，邊浩然2，曾繁琦2，張英鋒1

(1.軍事交通學院 軍用車輛系，天津 300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161)

為對我軍軍用車輛混合動力技術研究提供參考，分析汽車電源電壓48V化的發展及其關鍵技術，提出軍用車輛48V混合動力技術的需求，介紹24V+48V雙電壓構成方案、不同電機布置形式、動力電源應用情況。以某中型軍用越野車輛為對象，設計針對軍用車輛的48V混合動力總體技術方案，拓展其作為移動電站的功用，并分析其工作過程。

48V混合動力技術；移動電站；軍用車輛

汽車48V混合動力技術，因其成本低、可提升燃油經濟性、排放性和動力性良好等特點受到了世界主流汽車公司重視。大陸集團的48V試驗車型節油效果提升達15%，并宣稱將于2016、2017年在歐洲達到量產。本文研究48V混合動力技術特點，為我軍軍用車輛發展提供參考。

1 汽車48V混合動力分析

1.1 汽車電源48V化的由來

20世紀50年代，汽車電源電壓由僅提供車載照明、點火等必須用電設備時的7V(蓄電池電壓為6V)提升到14V(蓄電池電壓為12V)后，車載用電設備如音響、空調等迅速發展。隨著車輛舒適和環保要求的提升，車載用電設備增加，12V電源系統面臨即將達到功率上限的困境，必須開發新的高壓電源系統以滿足需求。1998年，國際上將42V(蓄電池電壓為36V)作為下一代汽車標準電源電壓的方案[1]：一是新電池可使用原12V鉛酸電池通過組合得到，節約成本；二是42V電壓處于60V安全電壓下，無需增加安全保護措施。因受當時技術發展限制，42V電壓系統對燃油經濟性、整車動力性提升并不明顯，而成本的提升讓消費者望而卻步，車載電源42V計劃最終破產[2]。

歐洲規定，到2020年乘用車油耗要達到4.0 L/100 km，CO2排放量要降低至9.5 kg/100 km，各汽車廠商不得不尋找節能減排新突破。2011年，五大德國汽車制造商宣布將聯合開發48V混合動力系統，提出汽車電源電壓48V化。在安全性方面，48V方案與42V類似，處于60V安全電壓以下，無需增加額外安全防護成本[3]。由汽車電源電壓48V化拓展出的混合動力技術，作為一項低成本、高效率的方案被人所重視。目前48V混合動力技術包括怠速啟停、制動能量回收、電動助力等關鍵技術，可有效提升動力性能，優化排放[4]。

1.2 汽車48V混合動力關鍵技術分析

1.2.1 怠速啟停

國際上對怠速啟停降低油耗的研究已久，分析表明，怠速啟停節油降排效果主要受駕駛工況中怠速時間和發動機怠速油耗影響，因此在城市工況下，怠速啟停技術對車輛節油和減排效果明顯[5-7]。

1.2.2 制動能量回收

根據研究，在城市循環工況下，約1/3到1/2的車輛驅動能量被消耗于制動過程[8-9]，因此制動能量回收是提高能源利用率的有效手段之一。根據回收儲能方式不同，分為電化學儲能和液壓儲能兩種。電化學儲能應用于純電動、插電式混合動力等類型車輛，將制動時電機產生的電能儲存，提高整車能量經濟性[10]。采用液壓儲能制動回收方式的車輛以發動機和液壓能量系統作為動力源，制動時將整車動能轉化為液壓能，用于輔助發動機驅動，使其工作在最佳燃油經濟區，也可單獨驅動車輛，有效降低燃油消耗和污染排放[11-12]。

1.2.3 電動助力

電動助力包括車輛啟動和行駛助力。傳統發動機啟動過程中，啟動機將發動機帶至200 r/min左右時，發動機噴油點火，為了使發動機盡快達到穩定怠速，采取加濃噴油的方式，增大發動機瞬時功率，由此造成燃油燃燒狀況差，排放惡劣。48V混動方案啟動過程，采取電機轉矩補償策略，即大功率集成啟動/發電一體化電機(intergrated starter/generator，ISG)快速將發動機轉速帶至怠速轉速(一般僅為0.5 s)，而后發動機點火，此時電機仍為發動機提供部分轉矩，使發動機平穩達到穩定轉速，取消了傳統啟動時的加濃噴油過程，優化了啟動過程的污染排放[13-14]。

行駛電動助力，主要在急加速、低速爬坡等發動機低效率工況，此時發動機低轉速大功率輸出，燃油效率低，排放惡劣。電動助力則根據發動機萬有特性曲線，制訂發動機與電機間的轉矩分配策略，由電動機分擔發動機一部分轉矩，使發動機工作在高效區域，提升燃油消耗率[15]。增加的電機助力，亦可使車輛獲得更強的動力，對于軍用車輛尤為重要。

2 軍用車輛技術指標需求

能源對于戰爭至關重要。2011年，美國國防部《作戰能源戰略》明確了能源建設目標[16]，軍用車輛油耗是戰爭能源消耗的重要來源，降低軍用車輛油耗，對于戰時保障和長期能源戰略均至關重要。對于48V混合動力技術，燃油經濟性和排放性一直是民用車輛的關注點，目前民用車輛的研究集中在小型汽油動力乘用車，燃油消耗及排放以NEDC等工況測試，而軍用車輛多采用柴油機作為動力，且戰場行駛工況與民用乘用車區別較大，故48V混合動力技術在軍用車輛上應用的燃油經濟性、排放特點仍需探索。

除降低燃油消耗、優化污染排放外，更強的驅動力、大功率發電能力、低溫快速啟動能力、全電驅動能力亦是軍用車輛的重要技術指標。

2.1 提升動力性

Antonis I.Antoniou等[17]以裝配一體式啟動發電機(integrated starter/alternator, ISA)的美軍主流戰術車輛HMMWV為對象，對混合動力技術在提升車輛動力性方面進行仿真研究。結果表明，通過電動助力，使戰術車輛獲得了更強的動力性。石兆勇[18]提出一種軍車油電混合動力方案，在有電動助力的混合動力模式下，爬坡度由純發動機驅動的45%提升至60%，提升了車輛的動力性。

軍用車輛48V混合動力技術動力性研究，關鍵在于發動機與電動機間的動力分配以及動力電源研究，動力電源選型要兼顧能量密度(W·h/m3)、比功率(W/kg)、能量效率、循環壽命以及低溫性能等因素。能量密度決定了同等質量下，電池能提供的電能儲備；比功率是在給定放電深度下，電池單位質量可以提供的功率，影響車輛加速特性；低溫性能決定了軍用車輛低溫、超低溫環境下的使用效果。從可靠性和安全性考慮，電動機助力時，需要動力電源瞬時提供較大功率，對電池性能要求較高。

2.2 移動發電

作戰和演習均要求軍隊在機動或野外駐扎條件下進行，移動供電能力對軍隊作戰和訓練至關重要。對此，各國都對移動電站加大研究力度。

美國陸軍根據移動供電模式不同，將供電設備分為前線作戰基地(FOB)供電、車輛供電、單兵供電。前線作戰基地供電和車輛供電以發電機(電站)為主。目前主要是第二代靜音電站(TQG)，包括2、3、5、10、15、30、60、100、200 kW等型號。正在開發的第三代包括小型戰術電源(STEP)、中型先進移動電站(AMMPS)、大型先進移動電站(LAMPS)，其中AMMPS已于2010年少量裝備部隊，與同等級的第二代發電機組相比，燃油效率提高21%，質量減輕25%，無故障運行時間延長25%～150%。美軍第三代移動供電系統還致力于解決發電機組與負載匹配不合理、發電機能源利用率低的問題，提出發電機組并行方案，優化供電與負載間的匹配問題，提高能源利用率[19]。

除燃油動力移動電源外，美軍還致力于燃料電池為動力的移動電源開發。2016年11月，在SEMA改裝車展上展出的一款由通用公司和美國陸軍坦克工程研發中心(TARDEC)共同開發的Colorado ZH2車型，該車是首個以燃料電池為動力的軍用車輛，另一大特點是可掛載動力輸出裝置，作為可移動式發電站，在停泊狀態下，提供120 V/240 V交流電，功率達25 kW，可臨時為軍營供電，優點在于機動性好、燃料電池轉化效率高。

我軍將陸用移動電站按照結構形式分為汽車電站、掛車電站、移動式發電機組、固定電站4種，對高原、干熱沙漠等特殊環境對內燃機電站的要求亦作出了規定[20-22]。但實際調研發現，現有發電機組在高原、干熱沙漠條件下，存在低溫啟動時間長(低溫使用的功率在250 kW的柴油機電站在-40°C時，啟動時間約30 min)、工作時間短(不超過10 h)、二次啟動困難等問題，限制部隊機動能力。此外，現有移動發電機組均采用獨立的發動機驅動發電機，占用整車空間，增加了運輸、維修負擔。

針對我軍移動電站現狀，基于現有48V混動方案，拓展其作為移動電站的功能，優點如下：

(1)作移動電源，機動性優于掛車電站、移動式發電機組；

(2)對比現有汽車電站，取消了發電機組中的獨立發動機，節約空間，減輕運輸、維修保障負擔；

(3)以相對可靠的車用發動機為發電機供能，解決現有發動機連續工作時間短、二次啟動更困難的問題；

(4)戰時發電設備遭受打擊后，可通過車輛組網，組成臨時供電系統；

(5)依托車載信息化電氣設備，更容易實現供電裝備與用電負載間合理匹配，提高發電機組能源利用率。

2.3 發動機快速啟動

目前我軍配備的戰術車輛在低溫環境下啟動困難，其原因：一是低溫下燃油不易壓燃(點燃)；二是車輛啟動機功率小，帶動發動機轉速低，使燃油燃燒不充分，不易啟動。現階段，戰術車輛冷啟動通常借助輔助裝置(如電加熱)進行，啟動時間長，影響部隊機動能力。 48V混動方案配備大功率啟動電機和啟動電池，可在一定程度上優化軍車冷啟動性能，開發兼顧高功率、大轉矩、小體積的啟停電機和低溫啟動蓄電池，以及啟動控制策略將成為軍用車輛混合動力方案啟動性能提升的關鍵。

2.4 隱蔽全電驅動

在某些特殊情況(如降低熱輻射、行駛噪聲)，軍用車輛需要關停發動機行駛，達到隱蔽行動的目的。針對該項技術，美軍國家車輛中心(national automotive center，NAC)在2003年開始了“42V R&D”計劃，目前已完成新一代“悍馬”軍用車輛的研發工作，配備2.5 L的柴油機、110 kW的啟動/發電機和20 kW·h大容量鋰電池，據稱僅靠電池可行駛32 km，實現了危險地域的隱身行駛。

開發基于48V混合動力的全電驅動技術，動力電源和驅動電機是關鍵。目前投入市場的電驅動車輛包括EV、HEV、PHEV均配有大功率驅動電機，電源電壓較高，屬于高壓驅動。對于48V低電壓混合動力車的電驅動，有待進一步研究。

3 軍用車輛48V混合動力技術方案

3.1 電源技術方案

我軍現有戰術輪式車輛電源電壓為24V，基于此提出了“24V+48V”雙電壓系統。電力系統由啟動/發電一體機、48V蓄電池、DC/DC轉換器、高壓負載、低壓負載等組成。兩電壓線路間以DC/DC轉換器連接，對于低功耗用電設備，保留24V供電，避免大范圍更換電器元件，控制成本；空調、主動底盤等大功率用電設備，則采用48V供電，保證功率。

3.2 電機布置方案

油電混合動力車輛，不同的電機布置決定了整車能量流方式以及控制策略。目前市場混合動力車輛電機布置方式如圖1所示。

P0為皮帶傳動啟動/發電一體化電機(belt-driven starter/generator，BSG)方案，啟停電機通過皮帶與發動機曲軸相連，優點為整車改動小、成本低，缺點為皮帶傳動傳遞轉矩受限，低溫環境下啟動易打滑；P1為ISG方案，ISG轉子與發動機曲軸剛性連結，電機與發動機無法動力分離；P2方案將ISG布置在離合器與變速箱之間，電機與發動機可通過離合器實現動力分離，優點是在制動能量回收時，可斷開傳動系與發動機，避免發動機倒拖的能量損失，回收效率更高；P3方案ISG與變速箱輸出軸結合；P4方案直接在驅動橋或驅動輪加裝電機，一般純電動車采用此方式。

圖1 電機布置方式

3.3 動力電池

混合動力車輛的動力電池區別于傳統車輛的啟動型蓄電池，其作用除啟動車輛外，兼顧電動助力時為電動機供電，對容量、功率要求更高。

對目前市場部分在售的EV、HEV、PHEV所使用動力電源匯總見表1。

表1 部分電動車輛使用動力電源種類情況

目前電動車、混合動力車所用電池種類中，鋰離子電池是發展趨勢，其優點是質量輕、比能量高。以第四代豐田普銳斯為例，該款混動車型提供了鎳氫電池和鋰離子電池兩種選擇，其主要差別在于重量上鋰離子電池較鎳氫電池輕16 kg。

我國新能源車動力電池經歷了“十五”期間的鎳氫電池和錳酸鋰離子電池、“十一五”期間加大磷酸鐵鋰電池、“十二五”期間重點支持三元材料動力電池的研發3個階段[23]，目前已具備支持產業化的技術支撐。

鋰離子電池容量在低溫環境下降，目前針對低溫鋰離子電池的研究已經取得了相應成果，其中特種低溫電池在-40°C、0.2C放電達到額定容量的80%，極端低溫電池在-50°C、0.2C放電在額定容量的50%以上[24]，初步具備了在軍事上應用的條件。

3.4 總體方案

以某型柴油越野車為對象構建總體方案(如圖2所示)。電機布置方案為P2，一是可在現有民用48V混合動力功能基礎上開發移動電站的功能，二是ISG相對于BSG能承受更大轉矩，利于低溫啟動。ISG電機選用永磁同步電機，具有功率密度高、效率高的優點，是目前混合動力主流選擇。動力電池選用48V低溫鋰離子電池。

圖2 軍用48V混合動力總體方案

3.5 系統工作過程分析

(1)啟動時，操作人員按下啟動鍵，電機控制器通過CAN總線獲取ECU信息，當滿足電池荷電狀態正常、擋位空擋、離合器嚙合、油量充足等條件時，控制驅動器為電機供電，啟動發動機；無需行駛助力時，驅動器停止供電，ISG為發電狀態，為整車用電設備供電，為蓄電池充電，同時監控電池，當電池電量已滿，電源控制器通過繼電器切斷蓄電池與充電線路間的聯系，避免過充。

(2)車輛怠速時，當踩下制動踏板、空擋、電池滿足啟動需求等條件時，ECU控制發動機停機。行駛助力工況，ECU判斷發動機工作效率是否過低、蓄電池是否滿足電量需求，以判斷是否進行電動助力。

(3)制動時，離合器斷開，踩下制動踏板，電機驅動器停止工作， ISG進入發電狀態，整車動能通過傳動系傳至ISG，將動能轉化為電能儲存在蓄電池中。

(4)駐車發電時，操作員啟動駐車發電功能，當滿足離合器嚙合、變速器空擋、發動機油量充足等條件時，電機控制器控制ISG工作在發電狀態，輸出的電能通過整流器輸出48V直流電，為車載大功率用電設備供電，48V直流線路通過DC/DC轉換為24V電壓，為車載低壓小功率負載供電；同時，48V直流線路通過逆變器轉換為220V(或其他交流電壓)交流電，為通信車、維修車和營區生活設施等供電。

4 結 語

本文總結了汽車電源電壓48V化的進程，對現階段48V混合動力方案的關鍵技術：怠速啟停、制動能量回收、電動助力進行了分析，從節油、提升動力性、組網發電、低溫快速啟動、隱蔽全電驅動5個方面分析了軍用車輛需求。介紹了“24V+48V”雙電壓方案，對比了P0—P4等5種電機布置形式，調查了部分在售的電動車輛動力電源種類，針對應用較普遍的鋰離子電池進行了分析，得出了鋰離子電池已初步具備在軍事應用的結論。最后以某軍用越野車為對象，提出了針對軍用車輛48V技術方案，并分析了其工作過程，為軍用車輛48V混合動力技術研究提供參考。

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(編輯： 張峰)

48V Hybrid Electric Technology for Military Vehicle

ZI Xinyun1, BIAN Haoran2, ZENG Fanqi2, ZHANG Yingfeng1

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To provide reference for studying hybrid electric technology for military vehicles, the paper firstly analyzes the development of 48V power voltage and the key technology. Then, it presents the requirement of 48V hybrid electric technology for military vehicle, and introduces constitution scheme of 24V+48V, different motor arrangement, and application situation of power. Finally, it designs an overall technical proposal of 48V hybrid electric technology for military vehicles by taking a middle-sized military off-road vehicle as the object to expand its function of mobile power station, and analyzes its working process.

48V hybrid electric technology; mobile power station; military vehicle

2017-02-23；

2017-03-23. 作者簡介： 資新運(1971—)，男，博士，教授，博士研究生導師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.08.008

U463.6

A

1674-2192(2017)08- 0031- 06

● 車輛工程 Vehicle Engineering