某輕型混合動(dòng)力軍用越野車動(dòng)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(dòng)力軍用越野車的特殊工況需求，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的功率、扭矩等要求進(jìn)行了分析，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)總成選型條件進(jìn)行了完善。對(duì)不同工況下對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率、扭矩需求分別進(jìn)行了分析。最后以此為基礎(chǔ)對(duì)某輕型混合動(dòng)力軍用越野車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了匹配。匹配結(jié)果顯示，相關(guān)指標(biāo)達(dá)到要求，相對(duì)同噸位傳統(tǒng)車輛，加速性能顯著提高。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；越野車；動(dòng)力系統(tǒng)匹配

中圖分類號(hào)：U462.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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?yàn)檎嚳傮w布置。曾發(fā)表數(shù)篇EI、SAE會(huì)議論文。

1 研究背景

目前，世界各國(guó)陸軍正經(jīng)歷著由傳統(tǒng)的重裝部隊(duì)到現(xiàn)代的輕型部隊(duì)的轉(zhuǎn)型，部隊(duì)要達(dá)到快速反應(yīng)的目的，對(duì)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(jī)動(dòng)性、最小的車輛特征信號(hào)和優(yōu)秀的戰(zhàn)場(chǎng)事態(tài)感知能力。要達(dá)到這些要求，車輛的動(dòng)力系統(tǒng)是關(guān)鍵[1]。近年來(lái)，純電動(dòng)和混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(dòng)力越野車中應(yīng)用較多的主要為電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪的增程式電動(dòng)車。

民用車輛的串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)為主，小排量發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電為輔[2，3，4]。而對(duì)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(dòng)力并非最佳解決方案。

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

2 輕型軍用越野車動(dòng)力系統(tǒng)需求

根據(jù)通用輪式車輛機(jī)動(dòng)性的指標(biāo)要求：機(jī)動(dòng)性包含動(dòng)力性、通過(guò)性、運(yùn)輸性以及續(xù)駛里程四方面內(nèi)容，其中與動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)的性能包括動(dòng)力性中的最高車速、最低穩(wěn)定車速、加速時(shí)間、最大爬坡度；通過(guò)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(jī)驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力汽車最低穩(wěn)定車速不受傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速的限制，而在實(shí)際使用中，又有對(duì)爬長(zhǎng)坡能力的需求。

本文從上述最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度、爬長(zhǎng)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(dòng)力越野車的動(dòng)力系統(tǒng)匹配原則，分析了不同工況對(duì)各總成的功率、扭矩需求，根據(jù)匹配原則，對(duì)某混合動(dòng)力軍用越野車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了匹配。得到了一個(gè)滿足相關(guān)性能指標(biāo)要求的混合動(dòng)力軍用越野車的動(dòng)力系統(tǒng)方案。

3 技術(shù)方案

本文以某采用混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的軍用越野車為對(duì)象進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)匹配分析，其動(dòng)力模塊由發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組與動(dòng)力電池構(gòu)成，為車輛行駛提供能源，驅(qū)動(dòng)模塊由驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成，整車控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，整車控制原理圖如圖1所示：

4 動(dòng)力總成選型

混合動(dòng)力軍用越野車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于軍用混合動(dòng)力車中，發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)功率完全由發(fā)動(dòng)機(jī)提供。在設(shè)計(jì)時(shí)，將二者視為一體進(jìn)行考慮。

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)

研究前期我們認(rèn)為，發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)所需額外功率由動(dòng)力電池提供[6，7]。該方法簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，但忽略了爬長(zhǎng)坡工況的功率需求，并且所匹配的混合動(dòng)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(guò)提升動(dòng)力電池容量來(lái)滿足最大爬坡度要求將會(huì)增大動(dòng)力電池的質(zhì)量與體積，對(duì)車輛動(dòng)力性和方案布局帶來(lái)不利影響。

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

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

式中， Pe 為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，η 為能量在動(dòng)力系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)中的總的傳遞效率，f 為滾動(dòng)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(shí)間后所達(dá)到的車速。

對(duì)于串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛，加速時(shí)，發(fā)電機(jī)與動(dòng)力電池同時(shí)提供能量，根據(jù)公式1，有：

式中的 Pg1 與 Pb1 分別為發(fā)電機(jī)與動(dòng)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(dòng)力電池參與到驅(qū)動(dòng)中，則動(dòng)力電池需要一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)輸出能量。為簡(jiǎn)化約束條件，考慮到動(dòng)力電池在該車中僅作為輔助能源，在爬長(zhǎng)坡工況與最高車速工況下，整車僅由發(fā)電機(jī)提供能量。

爬長(zhǎng)坡工況時(shí)，發(fā)電機(jī)功率為：

式中，α 與 vc 分別為爬長(zhǎng)坡時(shí)的坡度與車速。

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

式中，αmax與 vc2 分別為爬最大坡度時(shí)的坡度與車速。

車輛以最高車速 vmax 行駛時(shí)，發(fā)電機(jī)功率為：

發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)系統(tǒng)需滿足上述工況對(duì)功率的需求。即：

4.2 動(dòng)力電池

動(dòng)力電池不僅要在最大爬坡及加速時(shí)參與驅(qū)動(dòng)，還要滿足對(duì)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(shí)，其功率需求為：

式中，?soc 為靜默行駛過(guò)程前后，動(dòng)力電池的SOC的差值。

能量需求 Wb1 為：

因此，對(duì)動(dòng)力電池的功率 Pb 有：

能量 Wb 有：

Wb≥Wb1

4.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率要不小于前文所述各工況動(dòng)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(dòng)電機(jī)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(zhǎng)坡工況電機(jī)的需求扭矩。

最高車速行駛時(shí)，電機(jī)扭矩也應(yīng)大于該工況下的阻力矩。該工況下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩的需求。在垂直越障過(guò)程中的，后輪越障時(shí)條件更為苛刻，所需扭矩大于前輪，輪胎半徑在越障過(guò)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(dòng)電機(jī)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(shí)，要求的功率持續(xù)輸出時(shí)間有限，如果所有工況均以電機(jī)額定功率輸出滿足需求，則電機(jī)額定功率需求較大，將增加電機(jī)的質(zhì)量及體積。因此電機(jī)額定功率需滿足的工況為爬長(zhǎng)坡工況和最高車速行駛工況。其余工況下，只需要電機(jī)峰值功率滿足條件即可，同時(shí)電機(jī)以峰值功率持續(xù)運(yùn)行時(shí)間也應(yīng)滿足相應(yīng)的工況。

根據(jù)上述分析，驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)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(jī)堵轉(zhuǎn)扭矩T_d需要滿足條件：

5 動(dòng)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(jī)動(dòng)性指標(biāo)要求作為輸入，對(duì)動(dòng)力總成進(jìn)行匹配。匹配結(jié)果如表2所示：

根據(jù)匹配結(jié)果計(jì)算各工況下的整車功率平衡圖及驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dá)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(yàn)驗(yàn)證

分別根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 12543-2009《汽車加速性能試驗(yàn)方法》、GB/T 12539-1990《汽車爬陡坡試驗(yàn)方法》、GB/T 12544-1990《汽車最高車速試驗(yàn)方法》，對(duì)該越野車的整車性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)環(huán)境符合國(guó)標(biāo)相關(guān)規(guī)定。

表3將該車的各項(xiàng)機(jī)動(dòng)性指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果與同等級(jí)傳統(tǒng)動(dòng)力車參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。所匹配的混合動(dòng)力車輛各項(xiàng)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(shí)間減少了50%。

7 結(jié)論

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

（2）該技術(shù)方案能提高電機(jī)和電池利用率；

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

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