混合动力技术在军车上实施的方法和意义

宋 伟，叶 进，殷召平，吴海啸

（1.南京依维柯汽车有限公司产品工程部，江苏 南京 210028；2.上汽商用车技术中心南汽研究院，江苏 南京 210028）

当前，在国家政策的大力支持下，新能源汽车在国内的发展如火如荼。

目前，为了增强军用越野车的作战和生存能力，即高机动性、高通过性，还有低油耗、高能量利用率和隐蔽性，世界各发达国家都在大力发展军用混合动力汽车。基于我国汽车工业的发展现状，本文提出发展我国混合军用越野汽车要充分利用已有技术和借鉴国外经验，重点是最大限度地发挥出系统的性能，即合理选择每一个动力总成的参数进行匹配，使其整体效能最好。在军用领域，为拓展车辆的使用范围，提高它们在战场上的生存能力，各国也在加紧进行混合动力技术的研究。

1 混合动力军车的选型

混合动力军车的核心部件是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力军车整车性能。混合动力系统总成发展初期以发动机与电机离散结构为主，现在正朝着发动机、电机和变速器一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。混合动力车按照动力系统结构，可分为串联式、并联式和混联式等3种［1］。

1.1 串联式混合动力系统

串联式混合动力系统由发动机、发电机和电动机3部分动力总成组成，它们之间用串联方式组成混合动力单元系统［2］。发动机直接驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。电池作为调节发动机输出和电动机需求功率间关系的 “水库”，为了在汽车起动、加速时能提供更大的功率，也可以在串联结构中增加飞轮电池或者超级电容等功率密度较大的储能装置，这些装置在回收制动能量时能发挥更大的作用。

串联式混合动力系统的工作模式主要分为两种状态，当小负荷时，电动机依靠电池电量驱动整车；当大负荷时，由发动机带动发电机发电，与电池共同驱动电动机。串联式结构适用于频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的，从而使发动机避免了怠速和低速运转的工况，提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是能量经过多次转换，效率与其它混合动力系统相比较低。

1.2 并联式混合动力系统

并联式混合动力系统有发动机和电动机两套驱动系统。它们可以分别独立，也可以共同协作向汽车传动系提供转矩。所以，并联式混合动力汽车能够应对更多复杂的工况，使用范围比较广。并联式结构由于电动机的数量和种类的不同、传动系统的类型、部件的数量 （如离合器的数量）和位置关系（如电动机与离合器的位置关系）的差别，具有明显的多样性。结构上可划分为两种形式:单轴式和双轴式［2］。

1）单轴并联式混合动力系统 单轴并联式结构是发动机通过主传动轴与变速器相联，电动机的转矩通过齿轮与发动机的转矩在变速器前进行复合，传到驱动轴上的功率是两者之和。

2）双轴式并联混合动力系统 双轴式结构中，有两套机械变速器:内燃机和电动机各自与一套变速机构相联，然后通过齿轮系进行复合。在这种结构中，可以通过调节变速机构调节内燃机、电动机之间的转速关系，使发动机的工况调节变得更灵活。

1.3 混联式混合动力系统

混联式装置包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机和电动机。该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。

对混合动力军车而言，既要具备混合动力技术优点，又不能过于复杂，影响可靠性，所以，更适合选择单轴式并联混合动力系统。

2 混合动力军车参数的确定

按照上述的选型，以IVECO车为平台，发动机为主驱动力，ISG电机起辅助助力的单轴并联适度混合动力系统的示意图如图1所示。

IVECO混合动力军车的动力系统配置如下:①发动机为sofim8140直列4缸柴油机；②变速器为5档手动变速器；③ISG永磁同步电机，与曲轴同轴；④288V镍氢蓄电池组 （单体电压1.2 V，共240个单元）。

IVECO混合动力军车的动力性能设计指标如下:最大车速vmax≥120km／h， 最大爬坡度imax≥30%。

2.1 发动机参数匹配

依据发动机在承担一定充电功率的情况下，单独驱动满载车辆以经济巡航车速vc行驶，发动机应工作在万有特性图上的经济性最佳区域［3］，选择发动机功率。

整车功率需求的计算如下

式中:PC*——整车功率需求；PC——匀速阻力功率；Pacc——附件功率；Pi——爬坡裕量功率；Pchr——充电裕量功率。

2.1.1 公路平均匀速阻力功率PC的计算

vc和公路平均匀速阻力功率PC的对应关系如下［4］

式中:巡航速度vc=60 km／h；IVECO车整车满载质量ma=3550 kg； 空阻系数CD=0.5； IVECO车迎风面积AD=4.325m2； 滚动摩擦系数［4］fr=0.0165+0.0001×（va-50）=0.0165+0.0001×（60-50）=0.0175。

则可计算出匀速阻力功率PC

2.1.2 发动机整车功率PC*的计算

先计算出附件功率Pacc、1%～2%的爬坡裕量所需的功率和10%的充电裕量功率的值，然后计算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%充电裕量功率Pchr=2.0kW （注: Pchr的数据应是根据下面电动机参数和蓄电池参数优化得到的，这里没有作优化）。

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

考虑到柴油发动机万有特性图和燃油经济性，选取发动机最大功率Pemax为70kW。

2.2 电动机参数的选择

2.2.1 电动机功率的选择

电动机的最大功率主要根据最高车速进行选择。发动机最大功率Pemax，电动机最大功率Pemax和最高车速要求的功率Pvmax有以下关系:Pmmax≥Pvmax-Pemax。

根据设计要求的最高车速120km／h，可计算［4］

电动机最大功率Pmmax≥Pvmax-Pemax=13.523kW

考虑到发动机动力源损坏后，电动机仍需单独驱动车辆，选择电动机额定功率Pmr为20 kW，最大功率Pmmax为30kW。

2.2.2 电动机的转矩和转速

ISG电动机的转矩和转速的性能指标，主要根据其作为起动机低温冷起动发动机和在最大传动比状态下满足混合驱动的最大爬坡度。

发动机在0℃低温起动时所需力矩范围为MC=CL=（30～40）×1.8=54～72 Nm。 根据起动要求， 必须在0.3 s内将发动机加速到1000 r／min， 即所需要的加速度为

其中， Je=0.136kg·m2， 则ISG的最大转矩为TISG=0.136×350+72=119.6Nm

电动机的各项参数确定为:额定转矩100 Nm，堵转转矩160Nm，最高转速6000r／min。

3 混合动力军车的特点

混合动力军车有如下5个方面的特点。

1）应变性 混合动力军车具有两种动力源，在其中一种动力源受到损坏时，另外一种动力源仍能独立输出动力，保证军车的基本功能不丧失，这种情况下混合动力军车的应变能力和抗打击能力都得到了提高，进而提高了军队的战斗力。

2）隐蔽性 在军事行动中，经常会以热源或噪声源为目标，搜索敌军行动的情报。混合动力军车在纯电动动力输出的状态下，车辆的噪声和红外热特征大大减弱，有效降低被敌方侦查发现的可能性，为实现 “隐形”提供了前提。

3）机动性 混合动力军车具有更好的燃油经济性，使其在同等情况下，续驶里程更远，战斗半径更大，且具有两种补给源，可减少军车对液体能

［1］陈清泉，孙逢春.混合电动车辆基础［M］.北京:北京理工大学出版社，2001.

［2］李兴虎.电动汽车概论［M］.北京:北京理工大学出版社，2005.

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

［4］刘惟信.汽车设计［M］.北京:清华大学出版社，2001.