军用车辆48V混合动力技术研究

资新运，边浩然，曾繁琦，张英锋

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161； 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161)

军用车辆48V混合动力技术研究

资新运1，边浩然2，曾繁琦2，张英锋1

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161； 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161)

为对我军军用车辆混合动力技术研究提供参考，分析汽车电源电压48V化的发展及其关键技术，提出军用车辆48V混合动力技术的需求，介绍24V+48V双电压构成方案、不同电机布置形式、动力电源应用情况。以某中型军用越野车辆为对象，设计针对军用车辆的48V混合动力总体技术方案，拓展其作为移动电站的功用，并分析其工作过程。

48V混合动力技术；移动电站；军用车辆

汽车48V混合动力技术，因其成本低、可提升燃油经济性、排放性和动力性良好等特点受到了世界主流汽车公司重视。大陆集团的48V试验车型节油效果提升达15%，并宣称将于2016、2017年在欧洲达到量产。本文研究48V混合动力技术特点，为我军军用车辆发展提供参考。

1 汽车48V混合动力分析

1.1 汽车电源48V化的由来

20世纪50年代，汽车电源电压由仅提供车载照明、点火等必须用电设备时的7V(蓄电池电压为6V)提升到14V(蓄电池电压为12V)后，车载用电设备如音响、空调等迅速发展。随着车辆舒适和环保要求的提升，车载用电设备增加，12V电源系统面临即将达到功率上限的困境，必须开发新的高压电源系统以满足需求。1998年，国际上将42V(蓄电池电压为36V)作为下一代汽车标准电源电压的方案[1]：一是新电池可使用原12V铅酸电池通过组合得到，节约成本；二是42V电压处于60V安全电压下，无需增加安全保护措施。因受当时技术发展限制，42V电压系统对燃油经济性、整车动力性提升并不明显，而成本的提升让消费者望而却步，车载电源42V计划最终破产[2]。

欧洲规定，到2020年乘用车油耗要达到4.0 L/100 km，CO2排放量要降低至9.5 kg/100 km，各汽车厂商不得不寻找节能减排新突破。2011年，五大德国汽车制造商宣布将联合开发48V混合动力系统，提出汽车电源电压48V化。在安全性方面，48V方案与42V类似，处于60V安全电压以下，无需增加额外安全防护成本[3]。由汽车电源电压48V化拓展出的混合动力技术，作为一项低成本、高效率的方案被人所重视。目前48V混合动力技术包括怠速启停、制动能量回收、电动助力等关键技术，可有效提升动力性能，优化排放[4]。

1.2 汽车48V混合动力关键技术分析

1.2.1 怠速启停

国际上对怠速启停降低油耗的研究已久，分析表明，怠速启停节油降排效果主要受驾驶工况中怠速时间和发动机怠速油耗影响，因此在城市工况下，怠速启停技术对车辆节油和减排效果明显[5-7]。

1.2.2 制动能量回收

根据研究，在城市循环工况下，约1/3到1/2的车辆驱动能量被消耗于制动过程[8-9]，因此制动能量回收是提高能源利用率的有效手段之一。根据回收储能方式不同，分为电化学储能和液压储能两种。电化学储能应用于纯电动、插电式混合动力等类型车辆，将制动时电机产生的电能储存，提高整车能量经济性[10]。采用液压储能制动回收方式的车辆以发动机和液压能量系统作为动力源，制动时将整车动能转化为液压能，用于辅助发动机驱动，使其工作在最佳燃油经济区，也可单独驱动车辆，有效降低燃油消耗和污染排放[11-12]。

1.2.3 电动助力

电动助力包括车辆启动和行驶助力。传统发动机启动过程中，启动机将发动机带至200 r/min左右时，发动机喷油点火，为了使发动机尽快达到稳定怠速，采取加浓喷油的方式，增大发动机瞬时功率，由此造成燃油燃烧状况差，排放恶劣。48V混动方案启动过程，采取电机转矩补偿策略，即大功率集成启动/发电一体化电机(intergrated starter/generator，ISG)快速将发动机转速带至怠速转速(一般仅为0.5 s)，而后发动机点火，此时电机仍为发动机提供部分转矩，使发动机平稳达到稳定转速，取消了传统启动时的加浓喷油过程，优化了启动过程的污染排放[13-14]。

行驶电动助力，主要在急加速、低速爬坡等发动机低效率工况，此时发动机低转速大功率输出，燃油效率低，排放恶劣。电动助力则根据发动机万有特性曲线，制订发动机与电机间的转矩分配策略，由电动机分担发动机一部分转矩，使发动机工作在高效区域，提升燃油消耗率[15]。增加的电机助力，亦可使车辆获得更强的动力，对于军用车辆尤为重要。

2 军用车辆技术指标需求

能源对于战争至关重要。2011年，美国国防部《作战能源战略》明确了能源建设目标[16]，军用车辆油耗是战争能源消耗的重要来源，降低军用车辆油耗，对于战时保障和长期能源战略均至关重要。对于48V混合动力技术，燃油经济性和排放性一直是民用车辆的关注点，目前民用车辆的研究集中在小型汽油动力乘用车，燃油消耗及排放以NEDC等工况测试，而军用车辆多采用柴油机作为动力，且战场行驶工况与民用乘用车区别较大，故48V混合动力技术在军用车辆上应用的燃油经济性、排放特点仍需探索。

除降低燃油消耗、优化污染排放外，更强的驱动力、大功率发电能力、低温快速启动能力、全电驱动能力亦是军用车辆的重要技术指标。

2.1 提升动力性

Antonis I.Antoniou等[17]以装配一体式启动发电机(integrated starter/alternator, ISA)的美军主流战术车辆HMMWV为对象，对混合动力技术在提升车辆动力性方面进行仿真研究。结果表明，通过电动助力，使战术车辆获得了更强的动力性。石兆勇[18]提出一种军车油电混合动力方案，在有电动助力的混合动力模式下，爬坡度由纯发动机驱动的45%提升至60%，提升了车辆的动力性。

军用车辆48V混合动力技术动力性研究，关键在于发动机与电动机间的动力分配以及动力电源研究，动力电源选型要兼顾能量密度(W·h/m3)、比功率(W/kg)、能量效率、循环寿命以及低温性能等因素。能量密度决定了同等质量下，电池能提供的电能储备；比功率是在给定放电深度下，电池单位质量可以提供的功率，影响车辆加速特性；低温性能决定了军用车辆低温、超低温环境下的使用效果。从可靠性和安全性考虑，电动机助力时，需要动力电源瞬时提供较大功率，对电池性能要求较高。

2.2 移动发电

作战和演习均要求军队在机动或野外驻扎条件下进行，移动供电能力对军队作战和训练至关重要。对此，各国都对移动电站加大研究力度。

美国陆军根据移动供电模式不同，将供电设备分为前线作战基地(FOB)供电、车辆供电、单兵供电。前线作战基地供电和车辆供电以发电机(电站)为主。目前主要是第二代静音电站(TQG)，包括2、3、5、10、15、30、60、100、200 kW等型号。正在开发的第三代包括小型战术电源(STEP)、中型先进移动电站(AMMPS)、大型先进移动电站(LAMPS)，其中AMMPS已于2010年少量装备部队，与同等级的第二代发电机组相比，燃油效率提高21%，质量减轻25%，无故障运行时间延长25%～150%。美军第三代移动供电系统还致力于解决发电机组与负载匹配不合理、发电机能源利用率低的问题，提出发电机组并行方案，优化供电与负载间的匹配问题，提高能源利用率[19]。

除燃油动力移动电源外，美军还致力于燃料电池为动力的移动电源开发。2016年11月，在SEMA改装车展上展出的一款由通用公司和美国陆军坦克工程研发中心(TARDEC)共同开发的Colorado ZH2车型，该车是首个以燃料电池为动力的军用车辆，另一大特点是可挂载动力输出装置，作为可移动式发电站，在停泊状态下，提供120 V/240 V交流电，功率达25 kW，可临时为军营供电，优点在于机动性好、燃料电池转化效率高。

我军将陆用移动电站按照结构形式分为汽车电站、挂车电站、移动式发电机组、固定电站4种，对高原、干热沙漠等特殊环境对内燃机电站的要求亦作出了规定[20-22]。但实际调研发现，现有发电机组在高原、干热沙漠条件下，存在低温启动时间长(低温使用的功率在250 kW的柴油机电站在-40°C时，启动时间约30 min)、工作时间短(不超过10 h)、二次启动困难等问题，限制部队机动能力。此外，现有移动发电机组均采用独立的发动机驱动发电机，占用整车空间，增加了运输、维修负担。

针对我军移动电站现状，基于现有48V混动方案，拓展其作为移动电站的功能，优点如下：

(1)作移动电源，机动性优于挂车电站、移动式发电机组；

(2)对比现有汽车电站，取消了发电机组中的独立发动机，节约空间，减轻运输、维修保障负担；

(3)以相对可靠的车用发动机为发电机供能，解决现有发动机连续工作时间短、二次启动更困难的问题；

(4)战时发电设备遭受打击后，可通过车辆组网，组成临时供电系统；

(5)依托车载信息化电气设备，更容易实现供电装备与用电负载间合理匹配，提高发电机组能源利用率。

2.3 发动机快速启动

目前我军配备的战术车辆在低温环境下启动困难，其原因：一是低温下燃油不易压燃(点燃)；二是车辆启动机功率小，带动发动机转速低，使燃油燃烧不充分，不易启动。现阶段，战术车辆冷启动通常借助辅助装置(如电加热)进行，启动时间长，影响部队机动能力。 48V混动方案配备大功率启动电机和启动电池，可在一定程度上优化军车冷启动性能，开发兼顾高功率、大转矩、小体积的启停电机和低温启动蓄电池，以及启动控制策略将成为军用车辆混合动力方案启动性能提升的关键。

2.4 隐蔽全电驱动

在某些特殊情况(如降低热辐射、行驶噪声)，军用车辆需要关停发动机行驶，达到隐蔽行动的目的。针对该项技术，美军国家车辆中心(national automotive center，NAC)在2003年开始了“42V R&D”计划，目前已完成新一代“悍马”军用车辆的研发工作，配备2.5 L的柴油机、110 kW的启动/发电机和20 kW·h大容量锂电池，据称仅靠电池可行驶32 km，实现了危险地域的隐身行驶。

开发基于48V混合动力的全电驱动技术，动力电源和驱动电机是关键。目前投入市场的电驱动车辆包括EV、HEV、PHEV均配有大功率驱动电机，电源电压较高，属于高压驱动。对于48V低电压混合动力车的电驱动，有待进一步研究。

3 军用车辆48V混合动力技术方案

3.1 电源技术方案

我军现有战术轮式车辆电源电压为24V，基于此提出了“24V+48V”双电压系统。电力系统由启动/发电一体机、48V蓄电池、DC/DC转换器、高压负载、低压负载等组成。两电压线路间以DC/DC转换器连接，对于低功耗用电设备，保留24V供电，避免大范围更换电器元件，控制成本；空调、主动底盘等大功率用电设备，则采用48V供电，保证功率。

3.2 电机布置方案

油电混合动力车辆，不同的电机布置决定了整车能量流方式以及控制策略。目前市场混合动力车辆电机布置方式如图1所示。

P0为皮带传动启动/发电一体化电机(belt-driven starter/generator，BSG)方案，启停电机通过皮带与发动机曲轴相连，优点为整车改动小、成本低，缺点为皮带传动传递转矩受限，低温环境下启动易打滑；P1为ISG方案，ISG转子与发动机曲轴刚性连结，电机与发动机无法动力分离；P2方案将ISG布置在离合器与变速箱之间，电机与发动机可通过离合器实现动力分离，优点是在制动能量回收时，可断开传动系与发动机，避免发动机倒拖的能量损失，回收效率更高；P3方案ISG与变速箱输出轴结合；P4方案直接在驱动桥或驱动轮加装电机，一般纯电动车采用此方式。

图1 电机布置方式

3.3 动力电池

混合动力车辆的动力电池区别于传统车辆的启动型蓄电池，其作用除启动车辆外，兼顾电动助力时为电动机供电，对容量、功率要求更高。

对目前市场部分在售的EV、HEV、PHEV所使用动力电源汇总见表1。

表1 部分电动车辆使用动力电源种类情况

目前电动车、混合动力车所用电池种类中，锂离子电池是发展趋势，其优点是质量轻、比能量高。以第四代丰田普锐斯为例，该款混动车型提供了镍氢电池和锂离子电池两种选择，其主要差别在于重量上锂离子电池较镍氢电池轻16 kg。

我国新能源车动力电池经历了“十五”期间的镍氢电池和锰酸锂离子电池、“十一五”期间加大磷酸铁锂电池、“十二五”期间重点支持三元材料动力电池的研发3个阶段[23]，目前已具备支持产业化的技术支撑。

锂离子电池容量在低温环境下降，目前针对低温锂离子电池的研究已经取得了相应成果，其中特种低温电池在-40°C、0.2C放电达到额定容量的80%，极端低温电池在-50°C、0.2C放电在额定容量的50%以上[24]，初步具备了在军事上应用的条件。

3.4 总体方案

以某型柴油越野车为对象构建总体方案(如图2所示)。电机布置方案为P2，一是可在现有民用48V混合动力功能基础上开发移动电站的功能，二是ISG相对于BSG能承受更大转矩，利于低温启动。ISG电机选用永磁同步电机，具有功率密度高、效率高的优点，是目前混合动力主流选择。动力电池选用48V低温锂离子电池。

图2 军用48V混合动力总体方案

3.5 系统工作过程分析

(1)启动时，操作人员按下启动键，电机控制器通过CAN总线获取ECU信息，当满足电池荷电状态正常、挡位空挡、离合器啮合、油量充足等条件时，控制驱动器为电机供电，启动发动机；无需行驶助力时，驱动器停止供电，ISG为发电状态，为整车用电设备供电，为蓄电池充电，同时监控电池，当电池电量已满，电源控制器通过继电器切断蓄电池与充电线路间的联系，避免过充。

(2)车辆怠速时，当踩下制动踏板、空挡、电池满足启动需求等条件时，ECU控制发动机停机。行驶助力工况，ECU判断发动机工作效率是否过低、蓄电池是否满足电量需求，以判断是否进行电动助力。

(3)制动时，离合器断开，踩下制动踏板，电机驱动器停止工作， ISG进入发电状态，整车动能通过传动系传至ISG，将动能转化为电能储存在蓄电池中。

(4)驻车发电时，操作员启动驻车发电功能，当满足离合器啮合、变速器空挡、发动机油量充足等条件时，电机控制器控制ISG工作在发电状态，输出的电能通过整流器输出48V直流电，为车载大功率用电设备供电，48V直流线路通过DC/DC转换为24V电压，为车载低压小功率负载供电；同时，48V直流线路通过逆变器转换为220V(或其他交流电压)交流电，为通信车、维修车和营区生活设施等供电。

4 结 语

本文总结了汽车电源电压48V化的进程，对现阶段48V混合动力方案的关键技术：怠速启停、制动能量回收、电动助力进行了分析，从节油、提升动力性、组网发电、低温快速启动、隐蔽全电驱动5个方面分析了军用车辆需求。介绍了“24V+48V”双电压方案，对比了P0—P4等5种电机布置形式，调查了部分在售的电动车辆动力电源种类，针对应用较普遍的锂离子电池进行了分析，得出了锂离子电池已初步具备在军事应用的结论。最后以某军用越野车为对象，提出了针对军用车辆48V技术方案，并分析了其工作过程，为军用车辆48V混合动力技术研究提供参考。

[1] 日本电气学会42V电源化调查专门委员会.汽车电源的42V化技术[M].贾要勤,译.北京：科学出版社,2010:2-7.

[2] HENNING M HAUENSTEIN.总成架构的演变：失败的42V电池总成与成功的48V电源总线[J].电子产品世界,2013(11):28-31.

[3] 张英男,陆春,刘桂彬.48V系统对于电动汽车安全要求国家标准适用性分析[J].汽车实用技术，2015(5):108-110.

[4] 周夏威,朱昌吉,曲大为.基于ADVISOR的汽车48V动力系统仿真及特性分析[J].科学技术与工程,2014(27):283-285.

[5] BISHOP J, NEDUNGADI A, OSTROWSKI G, et al. An engine start/stop system for improved fuel economy[C].SAE Paper 2007-01-1777.

[6] CANOVA M, SEVEL K, GUEZENNEC Y, et al. Control of the start/stop of a diesel engine in a parallel HEV with a belted starter/alternator[C].SAE Paper 2007-24-0076.

[7] 逯家鹏,李幼德,吕景华,等.BSG怠速启停系统车辆控制策略研究[J].农业机械学报,2016(2):316-322.

[8] GAO Y, CHEN L, EHSANI M. Investigation of the effectiveness of regenerative braking for EV and HEV[C]. SAE Paper 1999-01-2910.

[9] EHSANI M, GAO Y, BUTLER K L. Application of electrically peaking hybrid (ELPH) propulsion system to a full size passenger car with simulated design verification[J]. IEEE Transaction on Vehicular Technology, 1999,48(6):1779-1881.

[10] 张俊智,吕辰,李禹橦,等.电驱动乘用车制动能量回收技术发展现状与展望[J].汽车工程,2014,36(8):911-918.

[11] 赵春涛,姜继海,赵克定.二次调节静液传动在城市公交车辆中的应用[J].汽车工程,2001,23(6):423-426.

[12] 刘豪天,刘海潮,祝昌洪.液压蓄能式车辆制动能量回收系统的AMESim仿真研究[J].机床与液压,2011,39(3):123-125.

[13] 陈汉玉,袁银南,张彤,等.基于全浮式ISG电机的混合动力轿车启动过程[J].江苏大学学报(自然科学版),2010,31(4):403-407.

[14] 庄杰,杜爱民,许科.ISG型混合动力汽车发动机启动过程分析[J].汽车工程,2008,30(4):305-344.

[15] 肖磊,韩雪峰,陈锐,等.基于启动发电一体机的车用混合动力总成控制策略研究[J].兵工学报,2015(9):1799-1084.

[16] 郑大壮,张松,马可.美国防部《作战能源战略》吹响“绿色”号角[J].现代舰船,2012(4):16-17.

[17] ANTONIS I ANTONIOU, KOMYATHY J, BENCH J, et al. Modeling and simulation of various hybrid-electric configurations of the high-mobility multipurpose wheeled vehicle (HMMWV)[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2007,56(2):459-465.

[18] 石兆勇.一款军用混合动力车[J].技术论坛,2013(5):90-92.

[19] RICHARD P. DoD mobile electric power systems[EB/OL].(2013-12-05)[2017-01-10].www.egsa.org/Portals/7/Documents/CommitteeDocs/ EGSA-S09-Government-Relations-PM-MEP-Brief.pdf.

[20] 国防科学技术工业委员会.军用内燃机电站通用规范:GJB 2815—97[S].北京:国防科学技术工业委员会,1997.

[21] 国家质量监督检验总局.特殊环境条件 高原对内燃机电站的要求:GB/T 21426—2008[S].北京:国家质量监督检验总局,2008.

[22] 国家质量监督检验总局.特殊环境条件 干热沙漠对内燃机电站系统的技术要求及试验方法:GB/T 21427—2008[S].北京:国家质量监督检验总局,2008.

[23] 欧阳明高.中国新能源汽车的研发及展望[J].科技导报,2016,34(6):13-20.

[24] 袁美蓉,赵世玺,郭双桃.低温锂电池的研究应用现状[J].化工管理,2016(30):86.

(编辑： 张峰)

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. 作者简介： 资新运(1971—)，男，博士，教授，博士研究生导师.

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

U463.6

A

1674-2192(2017)08- 0031- 06

● 车辆工程 Vehicle Engineering