宋 偉，葉 進，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）

當前，在國家政策的大力支持下，新能源汽車在國內(nèi)的發(fā)展如火如荼。

目前，為了增強軍用越野車的作戰(zhàn)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(fā)達國家都在大力發(fā)展軍用混合動力汽車。基于我國汽車工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文提出發(fā)展我國混合軍用越野汽車要充分利用已有技術(shù)和借鑒國外經(jīng)驗，重點是最大限度地發(fā)揮出系統(tǒng)的性能，即合理選擇每一個動力總成的參數(shù)進行匹配，使其整體效能最好。在軍用領(lǐng)域，為拓展車輛的使用范圍，提高它們在戰(zhàn)場上的生存能力，各國也在加緊進行混合動力技術(shù)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(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動力軍車整車性能。混合動力系統(tǒng)總成發(fā)展初期以發(fā)動機與電機離散結(jié)構(gòu)為主，現(xiàn)在正朝著發(fā)動機、電機和變速器一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)?；旌蟿恿嚢凑談恿ο到y(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)式混合動力系統(tǒng)

串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)由發(fā)動機、發(fā)電機和電動機3部分動力總成組成，它們之間用串聯(lián)方式組成混合動力單元系統(tǒng)［2］。發(fā)動機直接驅(qū)動發(fā)電機發(fā)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(gòu)驅(qū)動汽車。電池作為調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出和電動機需求功率間關(guān)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(lián)結(jié)構(gòu)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(fā)揮更大的作用。

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

1.2 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)有發(fā)動機和電動機兩套驅(qū)動系統(tǒng)。它們可以分別獨立，也可以共同協(xié)作向汽車傳動系提供轉(zhuǎn)矩。所以，并聯(lián)式混合動力汽車能夠應(yīng)對更多復(fù)雜的工況，使用范圍比較廣。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)由于電動機的數(shù)量和種類的不同、傳動系統(tǒng)的類型、部件的數(shù)量 （如離合器的數(shù)量）和位置關(guān)系（如電動機與離合器的位置關(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)式混合動力系統(tǒng) 單軸并聯(lián)式結(jié)構(gòu)是發(fā)動機通過主傳動軸與變速器相聯(lián)，電動機的轉(zhuǎn)矩通過齒輪與發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩在變速器前進行復(fù)合，傳到驅(qū)動軸上的功率是兩者之和。

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

1.3 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

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

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

2 混合動力軍車參數(shù)的確定

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

IVECO混合動力軍車的動力系統(tǒng)配置如下:①發(fā)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(shè)計指標如下:最大車速vmax≥120km／h， 最大爬坡度imax≥30%。

2.1 發(fā)動機參數(shù)匹配

依據(jù)發(fā)動機在承擔一定充電功率的情況下，單獨驅(qū)動滿載車輛以經(jīng)濟巡航車速vc行駛，發(fā)動機應(yīng)工作在萬有特性圖上的經(jīng)濟性最佳區(qū)域［3］，選擇發(fā)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(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； 滾動摩擦系數(shù)［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(fā)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(shù)據(jù)應(yīng)是根據(jù)下面電動機參數(shù)和蓄電池參數(shù)優(yōu)化得到的，這里沒有作優(yōu)化）。

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

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

2.2 電動機參數(shù)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(jù)最高車速進行選擇。發(fā)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(guān)系:Pmmax≥Pvmax-Pemax。

根據(jù)設(shè)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(fā)動機動力源損壞后，電動機仍需單獨驅(qū)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(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速

ISG電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的性能指標，主要根據(jù)其作為起動機低溫冷起動發(fā)動機和在最大傳動比狀態(tài)下滿足混合驅(qū)動的最大爬坡度。

發(fā)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(jù)起動要求， 必須在0.3 s內(nèi)將發(fā)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(zhuǎn)矩為TISG=0.136×350+72=119.6Nm

電動機的各項參數(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 混合動力軍車的特點

混合動力軍車有如下5個方面的特點。

1）應(yīng)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(yīng)變能力和抗打擊能力都得到了提高，進而提高了軍隊的戰(zhàn)斗力。

2）隱蔽性 在軍事行動中，經(jīng)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(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，為實現(xiàn) “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(jīng)濟性，使其在同等情況下，續(xù)駛里程更遠，戰(zhàn)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(chǔ)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2001.

［2］李興虎.電動汽車概論［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［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.