某輕型混合動力軍用越野車動力系統(tǒng)匹配

彭登志++靜大勇++周振華++吳衛(wèi)星

摘 要：本文基于混合動力軍用越野車的特殊工況需求，對動力系統(tǒng)的功率、扭矩等要求進行了分析，對動力系統(tǒng)總成選型條件進行了完善。對不同工況下對驅(qū)動電機的功率、扭矩需求分別進行了分析。最后以此為基礎(chǔ)對某輕型混合動力軍用越野車的動力系統(tǒng)進行了匹配。匹配結(jié)果顯示，相關(guān)指標(biāo)達到要求，相對同噸位傳統(tǒng)車輛，加速性能顯著提高。

關(guān)鍵詞：混合動力；越野車；動力系統(tǒng)匹配

中圖分類號：U462.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）01-0030-05

Power System Parameter Matching of a Light Military Hybrid Electric Off-road Vehicle

PENG Deng-zhi， JING Da-yong， ZHOU Zhen-hua， WU Wei-xing

（ Dongfeng Motor Corporation Technical Center，Wuhan430056，China ）

Abstract： Based on the special working condition of light military hybrid electric off-road vehicle， the demand of power and torque are analyzed in different working conditions. According to the analysis， the selecting principle of power system assembly has been replenished. The requirement of drive motor power and torque are discussed respectively. Based on the discussion and analysis， the power system parameter of a light military hybrid electric off-road vehicle has been matched. The performance of the vehicle can fulfill the need of military， and the acceleration ability is much better than the traditional vehicle in the same weight.

彭登志

畢業(yè)于吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院；碩士學(xué)位；現(xiàn)任東風(fēng)汽車公司軍車開發(fā)部，責(zé)任工程師；主要研究方向為整車總體布置。曾發(fā)表數(shù)篇EI、SAE會議論文。

1 研究背景

目前，世界各國陸軍正經(jīng)歷著由傳統(tǒng)的重裝部隊到現(xiàn)代的輕型部隊的轉(zhuǎn)型，部隊要達到快速反應(yīng)的目的，對車輛提出了新的要求。車輛要具備優(yōu)異的加速性能（沖鋒、戰(zhàn)術(shù)規(guī)避需求）、高機動性、最小的車輛特征信號和優(yōu)秀的戰(zhàn)場事態(tài)感知能力。要達到這些要求，車輛的動力系統(tǒng)是關(guān)鍵[1]。近年來，純電動和混合動力驅(qū)動技術(shù)在民用車領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，但由于使用條件的區(qū)別，目前在軍用混合動力越野車中應(yīng)用較多的主要為電機驅(qū)動車輪的增程式電動車。

民用車輛的串聯(lián)式混合動力驅(qū)動技術(shù)方案主要應(yīng)用于城市行駛的公交車、乘用車等，為追求更高的節(jié)油與排放目標(biāo)，往往以動力電池驅(qū)動為主，小排量發(fā)動機發(fā)電為輔[2，3，4]。而對越野車，由于行駛工況復(fù)雜，充電設(shè)施少，傳統(tǒng)的可插電的串聯(lián)式混合動力并非最佳解決方案。

本文提出了一種以發(fā)動機發(fā)電為主，動力電池為輔的軍用混合動力車輛串聯(lián)式混合動力方案；此方案主要有三點優(yōu)勢：第一，通過動力電池對動力系統(tǒng)的能量進行調(diào)節(jié)，使車輛在各工況下，發(fā)動機都能處于較好的燃油消耗點，從而提高燃油經(jīng)濟性[5]；第二，動力電池也可輸出能量為車載信息化設(shè)備供能[6]；第三，動力電池作為輔助能源，對車輛動力性，尤其對加速性能的有較大的提升。

2 輕型軍用越野車動力系統(tǒng)需求

根據(jù)通用輪式車輛機動性的指標(biāo)要求：機動性包含動力性、通過性、運輸性以及續(xù)駛里程四方面內(nèi)容，其中與動力系統(tǒng)相關(guān)的性能包括動力性中的最高車速、最低穩(wěn)定車速、加速時間、最大爬坡度；通過性中的垂直越障高度及水平越壕寬度。

不同于傳統(tǒng)車輛，采用電機驅(qū)動的混合動力汽車最低穩(wěn)定車速不受傳動系統(tǒng)傳動比與發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速的限制，而在實際使用中，又有對爬長坡能力的需求。

本文從上述最高車速、加速時間、最大爬坡度、爬長坡能力、垂直越障高度及水平越壕寬度要求出發(fā)，討論了輕型混合動力越野車的動力系統(tǒng)匹配原則，分析了不同工況對各總成的功率、扭矩需求，根據(jù)匹配原則，對某混合動力軍用越野車動力系統(tǒng)進行了匹配。得到了一個滿足相關(guān)性能指標(biāo)要求的混合動力軍用越野車的動力系統(tǒng)方案。

3 技術(shù)方案

本文以某采用混合動力驅(qū)動的軍用越野車為對象進行動力系統(tǒng)匹配分析，其動力模塊由發(fā)動機發(fā)電機組與動力電池構(gòu)成，為車輛行駛提供能源，驅(qū)動模塊由驅(qū)動電機構(gòu)成，整車控制器控制發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，同時對驅(qū)動電機進行控制，整車控制原理圖如圖1所示：

4 動力總成選型

混合動力軍用越野車動力傳動系統(tǒng)包括發(fā)動機、發(fā)電機、動力電池、驅(qū)動電機。由于軍用混合動力車中，發(fā)動機僅用于驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電機功率完全由發(fā)動機提供。在設(shè)計時，將二者視為一體進行考慮。

4.1 發(fā)動機與發(fā)電機

研究前期我們認(rèn)為，發(fā)動機功率只需要滿足正常行車的功率需求，在爬坡工況和加速時所需額外功率由動力電池提供[6，7]。該方法簡化了計算過程，但忽略了爬長坡工況的功率需求，并且所匹配的混合動力汽車最大爬坡度等指標(biāo)并不能滿足指標(biāo)需求，而如果僅通過提升動力電池容量來滿足最大爬坡度要求將會增大動力電池的質(zhì)量與體積，對車輛動力性和方案布局帶來不利影響。

發(fā)動機與發(fā)電機功率需滿足加速時間、最大爬坡度、最高車速、爬長坡能力等指標(biāo)要求，而在加速工況與爬坡工況下動力電池也參與驅(qū)動，因此，在選型過程中，要綜合考慮三者的功率、質(zhì)量、體積等因素進行選型。

根據(jù)汽車?yán)碚撓嚓P(guān)知識[8]，加速時，傳統(tǒng)車輛所需求的驅(qū)動功率 Pe 可通過公式1求得：

式中， Pe 為發(fā)動機功率，η 為能量在動力系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)中的總的傳遞效率，f 為滾動摩擦系數(shù)，σ 為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，Cd 為風(fēng)阻系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，ρ 為空氣密度，vt 為一定加速時間后所達到的車速。

對于串聯(lián)式混合動力車輛，加速時，發(fā)電機與動力電池同時提供能量，根據(jù)公式1，有：

式中的 Pg1 與 Pb1 分別為發(fā)電機與動力電池所提供的功率。

在爬坡工況與最高車速工況中，如果動力電池參與到驅(qū)動中，則動力電池需要一定時間內(nèi)持續(xù)輸出能量。為簡化約束條件，考慮到動力電池在該車中僅作為輔助能源，在爬長坡工況與最高車速工況下，整車僅由發(fā)電機提供能量。

爬長坡工況時，發(fā)電機功率為：

式中，α 與 vc 分別為爬長坡時的坡度與車速。

最大爬坡工況下，動力電池與發(fā)電機同時提供能量，根據(jù)該車的控制策略，在發(fā)動機工作狀態(tài)，僅在發(fā)動機功率不足情況下，動力電池提供能量。該工況下，動力系統(tǒng)功率為：

式中，αmax與 vc2 分別為爬最大坡度時的坡度與車速。

車輛以最高車速 vmax 行駛時，發(fā)電機功率為：

發(fā)動機及發(fā)電機系統(tǒng)需滿足上述工況對功率的需求。即：

4.2 動力電池

動力電池不僅要在最大爬坡及加速時參與驅(qū)動，還要滿足對車外設(shè)備以一定功率 Peq 持續(xù)供能以及整車以一定車速 vs 靜默行駛一定里程 S 的要求。

靜默行駛時，其功率需求為：

式中，?soc 為靜默行駛過程前后，動力電池的SOC的差值。

能量需求 Wb1 為：

因此，對動力電池的功率 Pb 有：

能量 Wb 有：

Wb≥Wb1

4.3 驅(qū)動電機

驅(qū)動電機的功率要不小于前文所述各工況動力系統(tǒng)所提供的功率。扭矩也需要大于各工況下的扭矩。

爬坡工況下，驅(qū)動電機所需求的扭矩 T1 可由以下公式8求得：

根據(jù)上式，可分別求得最大爬坡工況與爬長坡工況電機的需求扭矩。

最高車速行駛時，電機扭矩也應(yīng)大于該工況下的阻力矩。該工況下，電機驅(qū)動扭矩 T2 為：

由于水平越壕寬度與垂直越高度存在換算關(guān)系，因此，僅討論垂直越高度對驅(qū)動電機扭矩的需求。在垂直越障過程中的，后輪越障時條件更為苛刻，所需扭矩大于前輪，輪胎半徑在越障過程中因車輪受到擠壓變形而變小，輪胎半徑 r 為 rc [9]；

式中， ，L為軸距，a為整車質(zhì)心到前軸距離，h0 為質(zhì)心高度，hw 為越障高度，φ 為等效附著系數(shù)。

由于驅(qū)動電機有峰值功率與額定功率，考慮到整車在功率需求功率較大的工況時，要求的功率持續(xù)輸出時間有限，如果所有工況均以電機額定功率輸出滿足需求，則電機額定功率需求較大，將增加電機的質(zhì)量及體積。因此電機額定功率需滿足的工況為爬長坡工況和最高車速行駛工況。其余工況下，只需要電機峰值功率滿足條件即可，同時電機以峰值功率持續(xù)運行時間也應(yīng)滿足相應(yīng)的工況。

根據(jù)上述分析，驅(qū)動電機的峰值功率 Pmpeak 與額定功率 Pm 需要滿足的條件為：

同理，驅(qū)動電機的峰值扭矩 Tmpeak 與額定扭矩Tm也需滿足如下條件：

垂直越障工況下，電機堵轉(zhuǎn)扭矩T_d需要滿足條件：

5 動力系統(tǒng)匹配

根據(jù)前文所述匹配原則，以某軍用越野車整車基本參數(shù)（見表1）及機動性指標(biāo)要求作為輸入，對動力總成進行匹配。匹配結(jié)果如表2所示：

根據(jù)匹配結(jié)果計算各工況下的整車功率平衡圖及驅(qū)動電機驅(qū)動力-阻力平衡圖，結(jié)果分別如圖2、3所示：

根據(jù)圖2、圖3，該車最高車速可達140km/h，但考慮到安全因素，利用整車控制器限制最高車速為120km/h。

6 試驗驗證

分別根據(jù)國標(biāo)GB/T 12543-2009《汽車加速性能試驗方法》、GB/T 12539-1990《汽車爬陡坡試驗方法》、GB/T 12544-1990《汽車最高車速試驗方法》，對該越野車的整車性能指標(biāo)進行驗證。試驗環(huán)境符合國標(biāo)相關(guān)規(guī)定。

表3將該車的各項機動性指標(biāo)試驗結(jié)果與同等級傳統(tǒng)動力車參數(shù)進行了對比。所匹配的混合動力車輛各項性能指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)車輛，加速性能提高最為明顯，加速時間減少了50%。

7 結(jié)論

（1）串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)越野車可以滿足對外供電和靜默行駛的要求；

（2）該技術(shù)方案能提高電機和電池利用率；

（3）串聯(lián)式混合動力越野車能夠達到較好的動力輸出，相對同噸位的傳統(tǒng)車輛，加速性能可提升50%。

參考文獻：

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[8] 余志生.汽車?yán)碚揫M].

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