某轻型混合动力军用越野车动力系统匹配

2017-03-10彭登志静大勇周振华吴卫星

汽车科技 2017年1期

彭登志++静大勇++周振华++吴卫星

摘要：本文基于混合动力军用越野车的特殊工况需求，对动力系统的功率、扭矩等要求进行了分析，对动力系统总成选型条件进行了完善。对不同工况下对驱动电机的功率、扭矩需求分别进行了分析。最后以此为基础对某轻型混合动力军用越野车的动力系统进行了匹配。匹配结果显示，相关指标达到要求，相对同吨位传统车辆，加速性能显著提高。

关键词：混合动力；越野车；动力系统匹配

中图分类号：U462.3 文献标识码：A 文章编号：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

畢业于吉林大学汽车工程学院；硕士学位；现任东风汽车公司军车开发部，责任工程师；主要研究方向为整车总体布置。曾发表数篇EI、SAE会议论文。

1 研究背景

目前，世界各国陆军正经历着由传统的重装部队到现代的轻型部队的转型，部队要达到快速反应的目的，对车辆提出了新的要求。车辆要具备优异的加速性能（冲锋、战术规避需求）、高机动性、最小的车辆特征信号和优秀的战场事态感知能力。要达到这些要求，车辆的动力系统是关键[1]。近年来，纯电动和混合动力驱动技术在民用车领域得到了大量应用，但由于使用条件的区别，目前在军用混合动力越野车中应用较多的主要为电机驱动车轮的增程式电动车。

民用车辆的串联式混合动力驱动技术方案主要应用于城市行驶的公交车、乘用车等，为追求更高的节油与排放目标，往往以动力电池驱动为主，小排量发动机发电为辅[2，3，4]。而对越野车，由于行驶工况复杂，充电设施少，传统的可插电的串联式混合动力并非最佳解决方案。

本文提出了一种以发动机发电为主，动力电池为辅的军用混合动力车辆串联式混合动力方案；此方案主要有三点优势：第一，通过动力电池对动力系统的能量进行调节，使车辆在各工况下，发动机都能处于较好的燃油消耗点，从而提高燃油经济性[5]；第二，动力电池也可输出能量为车载信息化设备供能[6]；第三，动力电池作为辅助能源，对车辆动力性，尤其对加速性能的有较大的提升。

2 轻型军用越野车动力系统需求

根据通用轮式车辆机动性的指标要求：机动性包含动力性、通过性、运输性以及续驶里程四方面内容，其中与动力系统相关的性能包括动力性中的最高车速、最低稳定车速、加速时间、最大爬坡度；通过性中的垂直越障高度及水平越壕宽度。

不同于传统车辆，采用电机驱动的混合动力汽车最低稳定车速不受传动系统传动比与发动机怠速转速的限制，而在实际使用中，又有对爬长坡能力的需求。

本文从上述最高车速、加速时间、最大爬坡度、爬长坡能力、垂直越障高度及水平越壕宽度要求出发，讨论了轻型混合动力越野车的动力系统匹配原则，分析了不同工况对各总成的功率、扭矩需求，根据匹配原则，对某混合动力军用越野车动力系统进行了匹配。得到了一个满足相关性能指标要求的混合动力军用越野车的动力系统方案。

3 技术方案

本文以某采用混合动力驱动的军用越野车为对象进行动力系统匹配分析，其动力模块由发动机发电机组与动力电池构成，为车辆行驶提供能源，驱动模块由驱动电机构成，整车控制器控制发动机驱动发电机发电，同时对驱动电机进行控制，整车控制原理图如图1所示：

4 动力总成选型

混合动力军用越野车动力传动系统包括发动机、发电机、动力电池、驱动电机。由于军用混合动力车中，发动机仅用于驱动发电机发电，发电机功率完全由发动机提供。在设计时，将二者视为一体进行考虑。

4.1 发动机与发电机

研究前期我们认为，发动机功率只需要满足正常行车的功率需求，在爬坡工况和加速时所需额外功率由动力电池提供[6，7]。该方法简化了计算过程，但忽略了爬长坡工况的功率需求，并且所匹配的混合动力汽车最大爬坡度等指标并不能满足指标需求，而如果仅通过提升动力电池容量来满足最大爬坡度要求将会增大动力电池的质量与体积，对车辆动力性和方案布局带来不利影响。

发动机与发电机功率需满足加速时间、最大爬坡度、最高车速、爬长坡能力等指标要求，而在加速工况与爬坡工况下动力电池也参与驱动，因此，在选型过程中，要综合考虑三者的功率、质量、体积等因素进行选型。

根据汽车理论相关知识[8]，加速时，传统车辆所需求的驱动功率 Pe 可通过公式1求得：

式中， Pe 为发动机功率，η 为能量在动力系统与传动系统中的总的传递效率，f 为滚动摩擦系数，σ 为旋转质量系数，Cd 为风阻系数，A为迎风面积，ρ 为空气密度，vt 为一定加速时间后所达到的车速。

对于串联式混合动力车辆，加速时，发电机与动力电池同时提供能量，根据公式1，有：

式中的 Pg1 与 Pb1 分别为发电机与动力电池所提供的功率。

在爬坡工况与最高车速工况中，如果动力电池参与到驱动中，则动力电池需要一定时间内持续输出能量。为简化约束条件，考虑到动力电池在该车中仅作为辅助能源，在爬长坡工况与最高车速工况下，整车仅由发电机提供能量。

爬长坡工况时，发电机功率为：

式中，α 与 vc 分别为爬长坡时的坡度与车速。

最大爬坡工况下，动力电池与发电机同时提供能量，根据该车的控制策略，在发动机工作状态，仅在发动机功率不足情况下，动力电池提供能量。该工况下，动力系统功率为：

式中，αmax与 vc2 分别为爬最大坡度时的坡度与车速。

车辆以最高车速 vmax 行驶时，发电机功率为：

发动机及发电机系统需满足上述工况对功率的需求。即：

4.2 动力电池

动力电池不仅要在最大爬坡及加速时参与驱动，还要满足对车外设备以一定功率 Peq 持续供能以及整车以一定车速 vs 静默行驶一定里程 S 的要求。

静默行驶时，其功率需求为：

式中，?soc 为静默行驶过程前后，动力电池的SOC的差值。

能量需求 Wb1 为：

因此，对动力电池的功率 Pb 有：

能量 Wb 有：

Wb≥Wb1

4.3 驱动电机

驱动电机的功率要不小于前文所述各工况动力系统所提供的功率。扭矩也需要大于各工况下的扭矩。

爬坡工况下，驱动电机所需求的扭矩 T1 可由以下公式8求得：

根据上式，可分别求得最大爬坡工况与爬长坡工况电机的需求扭矩。

最高车速行驶时，电机扭矩也应大于该工况下的阻力矩。该工况下，电机驱动扭矩 T2 为：

由于水平越壕宽度与垂直越高度存在换算关系，因此，仅讨论垂直越高度对驱动电机扭矩的需求。在垂直越障过程中的，后轮越障时条件更为苛刻，所需扭矩大于前轮，轮胎半径在越障过程中因车轮受到挤压变形而变小，轮胎半径 r 为 rc [9]；

式中，，L为轴距，a为整车质心到前轴距离，h0 为质心高度，hw 为越障高度，φ 为等效附着系数。

由于驱动电机有峰值功率与额定功率，考虑到整车在功率需求功率较大的工况时，要求的功率持续输出时间有限，如果所有工况均以电机额定功率输出满足需求，则电机额定功率需求较大，将增加电机的质量及体积。因此电机额定功率需满足的工况为爬长坡工况和最高车速行驶工况。其余工况下，只需要电机峰值功率满足条件即可，同时电机以峰值功率持续运行时间也应满足相应的工况。

根据上述分析，驱动电机的峰值功率 Pmpeak 与额定功率 Pm 需要满足的条件为：

同理，驱动电机的峰值扭矩 Tmpeak 与额定扭矩Tm也需满足如下条件：

垂直越障工况下，电机堵转扭矩T_d需要满足条件：

5 动力系统匹配

根据前文所述匹配原则，以某军用越野车整车基本参数（见表1）及机动性指标要求作为输入，对动力总成进行匹配。匹配结果如表2所示：

根据匹配结果计算各工况下的整车功率平衡图及驱动电机驱动力-阻力平衡图，结果分别如图2、3所示：

根据图2、图3，该车最高车速可达140km/h，但考虑到安全因素，利用整车控制器限制最高车速为120km/h。

6 试验验证

分别根据国标GB/T 12543-2009《汽车加速性能试验方法》、GB/T 12539-1990《汽车爬陡坡试验方法》、GB/T 12544-1990《汽车最高车速试验方法》，对该越野车的整车性能指标进行验证。试验环境符合国标相关规定。

表3将该车的各项机动性指标试验结果与同等级传统动力车参数进行了对比。所匹配的混合动力车辆各项性能指标均优于传统车辆，加速性能提高最为明显，加速时间减少了50%。

7 結论

（1）串联式混合动力系统越野车可以满足对外供电和静默行驶的要求；