混合動力技術在軍車上實施的方法和意義

宋 偉，葉 進，殷召平，吳海嘯

（1.南京依維柯汽車有限公司產品工程部，江蘇 南京 210028；2.上汽商用車技術中心南汽研究院，江蘇 南京 210028）

當前，在國家政策的大力支持下，新能源汽車在國內的發展如火如荼。

目前，為了增強軍用越野車的作戰和生存能力，即高機動性、高通過性，還有低油耗、高能量利用率和隱蔽性，世界各發達國家都在大力發展軍用混合動力汽車。基于我國汽車工業的發展現狀，本文提出發展我國混合軍用越野汽車要充分利用已有技術和借鑒國外經驗，重點是最大限度地發揮出系統的性能，即合理選擇每一個動力總成的參數進行匹配，使其整體效能最好。在軍用領域，為拓展車輛的使用范圍，提高它們在戰場上的生存能力，各國也在加緊進行混合動力技術的研究。

1 混合動力軍車的選型

混合動力軍車的核心部件是混合動力系統，它的性能直接關系到混合動力軍車整車性能。混合動力系統總成發展初期以發動機與電機離散結構為主，現在正朝著發動機、電機和變速器一體化結構發展，即集成化混合動力總成系統。混合動力車按照動力系統結構，可分為串聯式、并聯式和混聯式等3種［1］。

1.1 串聯式混合動力系統

串聯式混合動力系統由發動機、發電機和電動機3部分動力總成組成，它們之間用串聯方式組成混合動力單元系統［2］。發動機直接驅動發電機發電，電能通過控制器輸送到電池或電動機，由電動機通過變速機構驅動汽車。電池作為調節發動機輸出和電動機需求功率間關系的 “水庫”，為了在汽車起動、加速時能提供更大的功率，也可以在串聯結構中增加飛輪電池或者超級電容等功率密度較大的儲能裝置，這些裝置在回收制動能量時能發揮更大的作用。

串聯式混合動力系統的工作模式主要分為兩種狀態，當小負荷時，電動機依靠電池電量驅動整車；當大負荷時，由發動機帶動發電機發電，與電池共同驅動電動機。串聯式結構適用于頻繁起步和低速運行工況，可以將發動機調整在最佳工況點附近穩定運轉，通過調整電池和電動機的輸出來達到調整車速的目的，從而使發動機避免了怠速和低速運轉的工況，提高了發動機的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點是能量經過多次轉換，效率與其它混合動力系統相比較低。

1.2 并聯式混合動力系統

并聯式混合動力系統有發動機和電動機兩套驅動系統。它們可以分別獨立，也可以共同協作向汽車傳動系提供轉矩。所以，并聯式混合動力汽車能夠應對更多復雜的工況，使用范圍比較廣。并聯式結構由于電動機的數量和種類的不同、傳動系統的類型、部件的數量 （如離合器的數量）和位置關系（如電動機與離合器的位置關系）的差別，具有明顯的多樣性。結構上可劃分為兩種形式:單軸式和雙軸式［2］。

1）單軸并聯式混合動力系統 單軸并聯式結構是發動機通過主傳動軸與變速器相聯，電動機的轉矩通過齒輪與發動機的轉矩在變速器前進行復合，傳到驅動軸上的功率是兩者之和。

2）雙軸式并聯混合動力系統 雙軸式結構中，有兩套機械變速器:內燃機和電動機各自與一套變速機構相聯，然后通過齒輪系進行復合。在這種結構中，可以通過調節變速機構調節內燃機、電動機之間的轉速關系，使發動機的工況調節變得更靈活。

1.3 混聯式混合動力系統

混聯式裝置包含了串聯式和并聯式的特點。動力系統包括發動機、發電機和電動機。該結構的優點是控制方便，缺點是結構比較復雜。

對混合動力軍車而言，既要具備混合動力技術優點，又不能過于復雜，影響可靠性，所以，更適合選擇單軸式并聯混合動力系統。

2 混合動力軍車參數的確定

按照上述的選型，以IVECO車為平臺，發動機為主驅動力，ISG電機起輔助助力的單軸并聯適度混合動力系統的示意圖如圖1所示。

IVECO混合動力軍車的動力系統配置如下:①發動機為sofim8140直列4缸柴油機；②變速器為5檔手動變速器；③ISG永磁同步電機，與曲軸同軸；④288V鎳氫蓄電池組 （單體電壓1.2 V，共240個單元）。

IVECO混合動力軍車的動力性能設計指標如下:最大車速vmax≥120km／h， 最大爬坡度imax≥30%。

2.1 發動機參數匹配

依據發動機在承擔一定充電功率的情況下，單獨驅動滿載車輛以經濟巡航車速vc行駛，發動機應工作在萬有特性圖上的經濟性最佳區域［3］，選擇發動機功率。

整車功率需求的計算如下

式中:PC*——整車功率需求；PC——勻速阻力功率；Pacc——附件功率；Pi——爬坡裕量功率；Pchr——充電裕量功率。

2.1.1 公路平均勻速阻力功率PC的計算

vc和公路平均勻速阻力功率PC的對應關系如下［4］

式中:巡航速度vc=60 km／h；IVECO車整車滿載質量ma=3550 kg； 空阻系數CD=0.5； IVECO車迎風面積AD=4.325m2； 滾動摩擦系數［4］fr=0.0165+0.0001×（va-50）=0.0165+0.0001×（60-50）=0.0175。

則可計算出勻速阻力功率PC

2.1.2 發動機整車功率PC*的計算

先計算出附件功率Pacc、1%～2%的爬坡裕量所需的功率和10%的充電裕量功率的值，然后計算PC*的值。

1） 附件功率Pacc=5.0kW。

2） 1%～2%爬坡裕量所需功率［4］

3） 10%充電裕量功率Pchr=2.0kW （注: Pchr的數據應是根據下面電動機參數和蓄電池參數優化得到的，這里沒有作優化）。

于是， 計算 得到PC*=18.09+5.0+11.275+2.0=36.365kW。

考慮到柴油發動機萬有特性圖和燃油經濟性，選取發動機最大功率Pemax為70kW。

2.2 電動機參數的選擇

2.2.1 電動機功率的選擇

電動機的最大功率主要根據最高車速進行選擇。發動機最大功率Pemax，電動機最大功率Pemax和最高車速要求的功率Pvmax有以下關系:Pmmax≥Pvmax-Pemax。

根據設計要求的最高車速120km／h，可計算［4］

電動機最大功率Pmmax≥Pvmax-Pemax=13.523kW

考慮到發動機動力源損壞后，電動機仍需單獨驅動車輛，選擇電動機額定功率Pmr為20 kW，最大功率Pmmax為30kW。

2.2.2 電動機的轉矩和轉速

ISG電動機的轉矩和轉速的性能指標，主要根據其作為起動機低溫冷起動發動機和在最大傳動比狀態下滿足混合驅動的最大爬坡度。

發動機在0℃低溫起動時所需力矩范圍為MC=CL=（30～40）×1.8=54～72 Nm。 根據起動要求， 必須在0.3 s內將發動機加速到1000 r／min， 即所需要的加速度為

其中， Je=0.136kg·m2， 則ISG的最大轉矩為TISG=0.136×350+72=119.6Nm

電動機的各項參數確定為:額定轉矩100 Nm，堵轉轉矩160Nm，最高轉速6000r／min。

3 混合動力軍車的特點

混合動力軍車有如下5個方面的特點。

1）應變性 混合動力軍車具有兩種動力源，在其中一種動力源受到損壞時，另外一種動力源仍能獨立輸出動力，保證軍車的基本功能不喪失，這種情況下混合動力軍車的應變能力和抗打擊能力都得到了提高，進而提高了軍隊的戰斗力。

2）隱蔽性 在軍事行動中，經常會以熱源或噪聲源為目標，搜索敵軍行動的情報。混合動力軍車在純電動動力輸出的狀態下，車輛的噪聲和紅外熱特征大大減弱，有效降低被敵方偵查發現的可能性，為實現 “隱形”提供了前提。

3）機動性 混合動力軍車具有更好的燃油經濟性，使其在同等情況下，續駛里程更遠，戰斗半徑更大，且具有兩種補給源，可減少軍車對液體能

［1］陳清泉，孫逢春.混合電動車輛基礎［M］.北京:北京理工大學出版社，2001.

［2］李興虎.電動汽車概論［M］.北京:北京理工大學出版社，2005.

［3］Robert J.Cambell， Kaushik Rajashekara.Evaluation of Power Devices for Automotive［Z］.SAE TECHNICAL PAPER SERIES， 2004.

［4］劉惟信.汽車設計［M］.北京:清華大學出版社，2001.