混合動(dòng)力技術(shù)在軍車上實(shí)施的方法和意義

宋 偉，葉 進(jìn)，殷召平，吳海嘯

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

當(dāng)前，在國(guó)家政策的大力支持下，新能源汽車在國(guó)內(nèi)的發(fā)展如火如荼。

目前，為了增強(qiáng)軍用越野車的作戰(zhàn)和生存能力，即高機(jī)動(dòng)性、高通過(guò)性，還有低油耗、高能量利用率和隱蔽性，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都在大力發(fā)展軍用混合動(dòng)力汽車。基于我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文提出發(fā)展我國(guó)混合軍用越野汽車要充分利用已有技術(shù)和借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)是最大限度地發(fā)揮出系統(tǒng)的性能，即合理選擇每一個(gè)動(dòng)力總成的參數(shù)進(jìn)行匹配，使其整體效能最好。在軍用領(lǐng)域，為拓展車輛的使用范圍，提高它們?cè)趹?zhàn)場(chǎng)上的生存能力，各國(guó)也在加緊進(jìn)行混合動(dòng)力技術(shù)的研究。

1 混合動(dòng)力軍車的選型

混合動(dòng)力軍車的核心部件是混合動(dòng)力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動(dòng)力軍車整車性能。混合動(dòng)力系統(tǒng)總成發(fā)展初期以發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)離散結(jié)構(gòu)為主，現(xiàn)在正朝著發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和變速器一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動(dòng)力總成系統(tǒng)?；旌蟿?dòng)力車按照動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式等3種［1］。

1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)3部分動(dòng)力總成組成，它們之間用串聯(lián)方式組成混合動(dòng)力單元系統(tǒng)［2］。發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過(guò)控制器輸送到電池或電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)通過(guò)變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)汽車。電池作為調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出和電動(dòng)機(jī)需求功率間關(guān)系的 “水庫(kù)”，為了在汽車起動(dòng)、加速時(shí)能提供更大的功率，也可以在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中增加飛輪電池或者超級(jí)電容等功率密度較大的儲(chǔ)能裝置，這些裝置在回收制動(dòng)能量時(shí)能發(fā)揮更大的作用。

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式主要分為兩種狀態(tài)，當(dāng)小負(fù)荷時(shí)，電動(dòng)機(jī)依靠電池電量驅(qū)動(dòng)整車；當(dāng)大負(fù)荷時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，與電池共同驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于頻繁起步和低速運(yùn)行工況，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)整電池和電動(dòng)機(jī)的輸出來(lái)達(dá)到調(diào)整車速的目的，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點(diǎn)是能量經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)換，效率與其它混合動(dòng)力系統(tǒng)相比較低。

1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)有發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它們可以分別獨(dú)立，也可以共同協(xié)作向汽車傳動(dòng)系提供轉(zhuǎn)矩。所以，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能夠應(yīng)對(duì)更多復(fù)雜的工況，使用范圍比較廣。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)由于電動(dòng)機(jī)的數(shù)量和種類的不同、傳動(dòng)系統(tǒng)的類型、部件的數(shù)量 （如離合器的數(shù)量）和位置關(guān)系（如電動(dòng)機(jī)與離合器的位置關(guān)系）的差別，具有明顯的多樣性。結(jié)構(gòu)上可劃分為兩種形式:單軸式和雙軸式［2］。

1）單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng) 單軸并聯(lián)式結(jié)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)主傳動(dòng)軸與變速器相聯(lián)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過(guò)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩在變速器前進(jìn)行復(fù)合，傳到驅(qū)動(dòng)軸上的功率是兩者之和。

2）雙軸式并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng) 雙軸式結(jié)構(gòu)中，有兩套機(jī)械變速器:內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)各自與一套變速機(jī)構(gòu)相聯(lián)，然后通過(guò)齒輪系進(jìn)行復(fù)合。在這種結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)變速機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工況調(diào)節(jié)變得更靈活。

1.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

混聯(lián)式裝置包含了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點(diǎn)。動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是控制方便，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

對(duì)混合動(dòng)力軍車而言，既要具備混合動(dòng)力技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，又不能過(guò)于復(fù)雜，影響可靠性，所以，更適合選擇單軸式并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。

2 混合動(dòng)力軍車參數(shù)的確定

按照上述的選型，以IVECO車為平臺(tái)，發(fā)動(dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)力，ISG電機(jī)起輔助助力的單軸并聯(lián)適度混合動(dòng)力系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

IVECO混合動(dòng)力軍車的動(dòng)力系統(tǒng)配置如下:①發(fā)動(dòng)機(jī)為sofim8140直列4缸柴油機(jī)；②變速器為5檔手動(dòng)變速器；③ISG永磁同步電機(jī)，與曲軸同軸；④288V鎳氫蓄電池組 （單體電壓1.2 V，共240個(gè)單元）。

IVECO混合動(dòng)力軍車的動(dòng)力性能設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:最大車速vmax≥120km／h， 最大爬坡度imax≥30%。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配

依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在承擔(dān)一定充電功率的情況下，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)滿載車輛以經(jīng)濟(jì)巡航車速vc行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)工作在萬(wàn)有特性圖上的經(jīng)濟(jì)性最佳區(qū)域［3］，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

整車功率需求的計(jì)算如下

式中:PC*——整車功率需求；PC——?jiǎng)蛩僮枇β?；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(jì)算

vc和公路平均勻速阻力功率PC的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下［4］

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

則可計(jì)算出勻速阻力功率PC

2.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)整車功率PC*的計(jì)算

先計(jì)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(jì)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(shù)據(jù)應(yīng)是根據(jù)下面電動(dòng)機(jī)參數(shù)和蓄電池參數(shù)優(yōu)化得到的，這里沒(méi)有作優(yōu)化）。

于是， 計(jì)算 得到PC*=18.09+5.0+11.275+2.0=36.365kW。

考慮到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖和燃油經(jīng)濟(jì)性，選取發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率Pemax為70kW。

2.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇

2.2.1 電動(dòng)機(jī)功率的選擇

電動(dòng)機(jī)的最大功率主要根據(jù)最高車速進(jìn)行選擇。發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率Pemax，電動(dòng)機(jī)最大功率Pemax和最高車速要求的功率Pvmax有以下關(guān)系:Pmmax≥Pvmax-Pemax。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求的最高車速120km／h，可計(jì)算［4］

電動(dòng)機(jī)最大功率Pmmax≥Pvmax-Pemax=13.523kW

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力源損壞后，電動(dòng)機(jī)仍需單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，選擇電動(dòng)機(jī)額定功率Pmr為20 kW，最大功率Pmmax為30kW。

2.2.2 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速

ISG電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的性能指標(biāo)，主要根據(jù)其作為起動(dòng)機(jī)低溫冷起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和在最大傳動(dòng)比狀態(tài)下滿足混合驅(qū)動(dòng)的最大爬坡度。

發(fā)動(dòng)機(jī)在0℃低溫起動(dòng)時(shí)所需力矩范圍為MC=CL=（30～40）×1.8=54～72 Nm。 根據(jù)起動(dòng)要求， 必須在0.3 s內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)矩為TISG=0.136×350+72=119.6Nm

電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)確定為:額定轉(zhuǎn)矩100 Nm，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩160Nm，最高轉(zhuǎn)速6000r／min。

3 混合動(dòng)力軍車的特點(diǎn)

混合動(dòng)力軍車有如下5個(gè)方面的特點(diǎn)。

1）應(yīng)變性 混合動(dòng)力軍車具有兩種動(dòng)力源，在其中一種動(dòng)力源受到損壞時(shí)，另外一種動(dòng)力源仍能獨(dú)立輸出動(dòng)力，保證軍車的基本功能不喪失，這種情況下混合動(dòng)力軍車的應(yīng)變能力和抗打擊能力都得到了提高，進(jìn)而提高了軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力。

2）隱蔽性 在軍事行動(dòng)中，經(jīng)常會(huì)以熱源或噪聲源為目標(biāo)，搜索敵軍行動(dòng)的情報(bào)?；旌蟿?dòng)力軍車在純電動(dòng)動(dòng)力輸出的狀態(tài)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(fā)現(xiàn)的可能性，為實(shí)現(xiàn) “隱形”提供了前提。

3）機(jī)動(dòng)性 混合動(dòng)力軍車具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，使其在同等情況下，續(xù)駛里程更遠(yuǎn)，戰(zhàn)斗半徑更大，且具有兩種補(bǔ)給源，可減少軍車對(duì)液體能

［1］陳清泉，孫逢春.混合電動(dòng)車輛基礎(chǔ)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2001.

［2］李興虎.電動(dòng)汽車概論［M］.北京:北京理工大學(xué)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(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.