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1、混合动力军用越野汽车传动系统匹配研究刁增祥(1)，曲学春(1)，岳惊涛(2)1.总装车辆船艇论证试验研究所，南京 210028 2.总后军事交通运输研究所，天津 300161【摘要】根据军用越野汽车的战术技术指标，建立了混合动力军用越野车辆传动的总体匹配原则和动力总成的参数模型。以混合动力火力突击车为实例，依据上面建立的匹配法则进行参数匹配设计。【关键词】 混合动力 战术车辆 动力匹配 参数模型 实例计算The Transmission Matching Research of Hybrid Electric Military off-road VehiclesDiao Zengxiang(1
2、), Qu Xuechun(1), Yue Jingtao(2)1.Institute of Demonstration and Proving for Automobile and Craft,General Equipment Department, Nanjing 210028,China 2. Institiute of Military Transportation,General Logistics Department,Tianjin 300161,ChinaAbstract: According to the tactical and technical characteris
3、tics, the general matching principle and the model of power-unit parameter of Hybrid Electric Military off-road Vehicles transmission have been set up. With the Hybrid Electric Strike Vehicle as an example, according to the above mentioned matching principle of Hybrid Electric Military off-road Vehi
4、cles, results are accomplished after parameter matching calculation. Key words: Hybrid electric, Military off-road Vehicles, Power match, Parameter model, Calculate example1 绪论作为后勤保障的重要工具和武器装备的机动平台，军用越野车辆历来受到各国军方的高度重视。20世纪80年代初，美军制定了轮式车辆现代化计划，力求促进美军机动作战能力的全面提高和战场零伤亡的实现。其中，混合动力技术在军用越野汽车上的应用是在此期间研究的一项
5、重要课题。经过20多年的发展，美军的混合动力越野汽车已经取得很大成就，并设计生产出了混合“悍马”、混合动力RSV-T等几种不同用途的越野车辆。为了掌握军用混合动力技术，增强军用越野汽车的生存能力、机动性和作战力，依托汽车工业的进步和运用新的车辆技术，发展我军的混合动力越野汽车成为一项迫在眉睫的任务。2 混合动力技术在军用越野汽车上的优势和重要意义军用越野车辆除了具有较高的动力性、通过性、尽可能少的后勤保障人员和装备，更重要的是应该具有较强的自我生存能力。混合动力汽车在特殊情况下的零排放电驱动，做到了“静音”行驶，同时电池作为冷动力源，大大缩短了红外侦察的距离，使得在一定范围内具备隐身行驶的功能
6、；混合动力汽车还充分利用电动机的机械和调速特性使汽车的动力性比内燃机汽车明显提高；另外可以实现一车多用，提高军用车辆装备的使用效能，减少后勤保障勤务等。这些特点使得混合动力技术在军用越野车辆上的运用极具吸引力。3 混合动力军用越野车辆传动系统方案设计混合动力驱动系统分为串联式、并联式和混联式三种型式。混合动力军用越野汽车采用哪种方式的驱动型式更适合战场需要呐？下面提出了一种系统选型的加权法。3.1 加权法的研究把参与选型评价的串、并联式驱动方案的主要优缺点分成若干类，按照各类的内容对选型评价的重要程度，分别赋予各类权重系数。按各类所得的分值，分别乘以各自的权重系数并求和，即： 1为各项指标的权
7、重，为各项指标的得分。通过用德尔裴法进行的专家调查表，得到表1中的车辆性能指数评价权重集。表1 车辆性能指数评价权重集指标机动性动力性可靠维修性生存能力燃油经济性辅助功能权重（%）30.4026.3520.6014.2553.4根据串、并联驱动型式对以上指标的影响程度并结合军车专家打分得到如下表2：表2 不同驱动系统车辆性能得分机动性动力性可靠维修性生存能力燃油经济性辅助功能串联式7.5878.57.58并联式586.5786传统汽车6786.564运用上式得，串联式混合动力驱动系统：7.69分；并联式：6.57分；传统内燃机汽车：6.68分。显然，串联式混合动力驱动系统对军用越野汽车综合性能
8、的提升更具吸引力。3.2 总体方案设计系统构成：发动机发电机组，水冷/风冷外转子电动机，带减震装置的独立驱动的电动轮，轮毂电机控制器，大功率逆变器，大功率大容量电池组，车载控制系统VCU，265/75R16自补轮胎等。图1 混合动力军用越野汽车传动系统结构4 混合动力军用越野汽车传动系统匹配研究4.1 战术技术性能指标混合动力军用越野车辆动力传动系统的设计首先应以满足车辆的动力性能要求为主要目标，车辆行驶的动力性能主要以下列几个指标综合评价：a、汽车的加速时间t；b、汽车的最高车速，包括在平直路面上的最高车速Vmax和在15%坡度路面上的最高车速umax；c、汽车最大爬坡度i；混合动力越野车辆
9、还要具有一定的纯电动行驶能力，即：在前线纵深攻击时一直处于隐身行驶状态，其纯电动续驶历程S要大于等于前线攻击纵深。4.2 混合动力系统匹配研究4.2.1 电动机的参数建模能够用在电动汽车上的电动机有很多种，其中永磁无刷直流电动机在所有电动机的综合性能评测中是较好的1。永磁无刷直流电机经过调速可以得到低速时恒转矩、高转速时恒功率的特性（如图2）2，这种特性非常适合车辆驱动。图2 永磁无刷直流电动机的调速特性曲线电动机的参数包括电动机额定功率Pe，电动机最大功率Pm，电动机额定转速Ne，电动机最大转速Nm，电机额定扭矩Te，最大扭矩Tm和过载系数。4.2.1.1 电动机额定功率的确定串联式混合动力
10、车辆的功率全部由电动机来提供，电机的额定功率Pe须满足汽车最高车速Vmax的要求。同时军用越野车辆还应满足强化坡度路面的行驶要求 ，即以最高车速umax行驶在坡度角为的干燥土坡上。在良好平直路面上以最高车速Vmax行驶时： （1）在角度的干燥土坡上以最高车速umax行驶时： （2）式中：me电动机在额定功率下的效率；M 汽车的满载质量；fv 轮胎的滚动阻力系数；CD 风阻系数；A 汽车的迎风面积。综上，电机的额定功率应不小于Pe1和Pe2中的最大者，故取电动机总的额定功率大于等于max Pe1，Pe2，即每个轮毂电动机的额定功率为： kw （3）4.2.1.2 电动机的最高转速和额定转速的确定
11、电动轮的最高转速决定于汽车的最高车速，则电动机的最高转速根据汽车的最高车速计算得： （4）R 轮胎的滚动半径。电动机的额定转速和最大转速的比值，被称为扩大恒功率区系数。永磁无刷直流电动机的值一般选择在35之间，相应的电动机的额定转速Ne为： （5）等功率发动机是汽车理想的动力源3，且电动机在恒功率区的效率最高，则电动机的额定转速越小越好，即扩大恒功率系数尽可能的大。4.2.1.3 电动机最大扭矩的确定定义电动机的最大转矩Tm与额定转矩Te之比为过载系数，用表示： （6）电动机在超过额定转矩时，转子电流迅速升高，很容易因过热而损坏，所以电动机不能长时间工作于过载工况1。但这一瞬时峰值扭矩对于军用
12、越野汽车动力性的提高是十分有意义的。汽车的加速能力动力性是其动力性的关键指标之一，依据汽车加速能力进行计算： （7）式中：前后电动轮此时的转矩； 此时汽车的加速度。军用越野汽车还应具有较大的爬坡能力。根据车辆爬坡时的受力分析，如图3所示。图3 汽车爬坡时的受力分析 （8） （9） （10）则，电动轮的最大输出扭矩应该满足： （11）根据电动机的调速特性，每个电动轮的最大功率为： （12）式中: 为发动机在过载工况下的效率。4.2.1.4 电动机过载系数的确定电动机的过载系数是电动机的一个很重要的参数，由电动机类型和电机生产厂家的技术能力决定。电动机具有较大的过载系数能使军用越野汽车的动力性提升
13、一大步。但过大的过载系数使产品的研发周期加长成本增加。则根据式（6）及电动机的调速特性图可变形得： （13） Pe及Pm已经在上面式（3）和（4.12）得出。4.2.2 发动机参数建模发动机-发电机组的输出功率要依据车辆在良好路面以车速V0行驶时的功率需求。 （15）式中：z整车传动系效率，z=f*t*me。它包括发电转换效率f，控制器逆变器效率t，电动机效率me；4.2.3 电池参数建模目前国内动力电池中，聚合物锂离子电池的物理及化学特性都更胜一筹，产品已经成功地运用到电动客车及其他一些民用电动车辆上，在军用越野汽车上可采用聚合物锂离子动力电池。4.2.3.1 电池个数的选择根据整车电压需求
14、，电池个数ns定为： （16）式中：U 电池组端电压；U0单个电池端电压。4.2.3.2 电池功率的选择在某些情况下时，需要电池有很大的放电功率。但持续时间很短，放出的电量很少，锂离子电池可以以倍率电流放电，其输出功率应为： （17）式中：Uc倍率放电时，电池组端电压；Ic 倍率放电电流。电池组的输出功率应能满足：a、战术车辆在加速或爬坡时，发动机-发电机组所能提供的功率之外的那部分功率（4* Pm-Pg）；b、军用越野车辆启动时所需的功率P1。Pmax=max4*Pm-Pg，P1 （18）4.2.3.2.3 电池容量的选择具有一定的纯电动续驶里程可以大大提高军用越野汽车战场的生存能力，在越野
15、车辆装备较大容量电池组是很有必要的。但并不是电池的容量越大越好，容量越大，电池组的质量越大，整车质量就会加大，反过来影响汽车的动力性。所以，选择一个合适容量的电池组对混合动力军用越野汽车具有重要的战略意义。混合动力军用越野汽车的纯电动行驶能力可定义为以车速V，纯电动行驶的续驶里程为S。根据汽车功率平衡方程，以车速V纯电动行驶时，混合动力军用越野汽车需要的功率P为： （19）则，混合动力军用越野汽车纯电动行驶所需要的总电能为： （20） (1) 按功率需求选择电池容量电池容量Qm1为： （21）式中：C 电池组的最大放电倍率；uC 单个电池倍率放电时的端电压。(2) 按能量需求选择电池容量 （2
16、2）式中： SOC电池组的放电深度。电池容量Qm应该为 （23）5 匹配计算实例5.1整车参数的确定以我军装备的火力突击车为基本车型，进行军用越野汽车的混合动力匹配设计。参考一二代火力突击车的整车参数，混合动力火力突击车整车参数指标确定列表3如下：表3 整车主要参数指标项 目指 标 要 求质量参数最大总质量M（kg）30003000前后轴荷分配（%）50、5050、50尺寸参数汽车迎风面积（m2）2.73轴距（mm）2700质心高度（mm）750动力性最高车速Vmax（km/h）130080km/h加速时间t（s）15最大爬坡度(%)10015%坡度最高车速umax（km/h）40纯电动续驶里
17、程S（km）30滚动阻力系数0.015空气阻力系数0.75.2 总成参数由上面建立的各总成参数模型，得到混合动力火力突击车各动力总成参数如下：5.2.1 轮毂电机参数A、轮毂电机的额定功率电动机在额定功率下的效率me能达到96%，在良好平直路面上以最高车速Vmax=130km/h行驶时，Pe1=74.1kw 。在坡度为15%的干燥土坡上以最高车速umax=80km/h行驶时，Pe2=91.3 kw。每个轮毂电动机的额定功率为，=23kw，取Pe=25kw。B、电动轮的最高转速和额定转速电动轮的额定功率选为25kw，可计算得突击车的最高车速Vmax=144km/h，则由式（4）知道电动轮的最高转
18、速不低于993r/min，取Nm=1000r/min，扩大恒功率区系数=5，则电动轮的额定转速为Ne=200 r/min。C、电动轮的最大功率和过载系数取汽车的最大加速度a=4m/s2，Tm1=1197Nm；汽车能爬100%的坡度时，Tm2=2044Nm。则电动轮的最大输出扭矩应该为： Nm根据电动机的调速特性，每个电动轮的最大功率为： kw 取=2，Pm=50kw，Tm=2202Nm。5.2.2 发动机参数整车传动系效率，包括发电转换效率f=0.92，控制器逆变器效率t=0.88，电动机额定状态下的效率m=0.96。则z=0.777。根据式（15）代入所需动力指标得：Pge=29.2kw。结
19、合国内柴油发动机的生产现状，通过充分的调研，本车拟选用奇瑞生产的SQR372A高压共轨直喷柴油机，额定功率(kW r/min) 46/4200，最大扭矩(N.m r/min)129/2000。5.2.3电池参数整车工作电压定为320V，聚合物锂离子单个电池电压为3.7V。单体电池个数ns为87。电池组所需提供的最大功率Pmax=158kw。 图 4 聚合物锂电池放电特性曲线由图4选择电池的最大放电电流为5C，电池在放电电流为5C时的平均电压约为3.4V。则：依据对车辆威胁最大的常规武器的射程、红外设备侦查距离和突击车发动冲击的攻击纵深，选定混合动力火力突击车以车速V=60km/h，纯电动行驶的
20、续驶里程S应不低于30km。混合动力火力突击车纯电动行驶所需要的总能量，聚合物锂离子使用容量定为35%，得Qm271Ah。综上，电池的容量Qm不小于107Ah。根据调研掌握的有关聚合物锂离子电池产品的资料，选择3.7V120Ah聚合物锂离子电池，电池组容量W为13.5kwh。5.3 性能仿真混合动力突击车采用外转子轮毂电机，由于电动轮能实现两轮和四轮驱动的随意切换及存在额定工况与过载工况等特性，混合动力突击车会存在下面三种工况：1、额定工况下的二轮驱动；2、额定工况下的四轮驱动；3、过载工况下的四轮驱动。5.3.1 最高车速图5 汽车驱动力行驶阻力平衡图如图5，工况1驱动时，汽车的最高车速为1
21、01km/h；工况2驱动时，汽车的最高车速为136km/h；工况3驱动时，最高车速为电动机最高转速是对应的车速144km/h，由于电动机处于过载运行，这种工况下的最高车速没有实际意义。5.3.2 动力特性和爬坡能力 图6 汽车动力性特性图 图7 几种工况下的爬坡能力 图8 汽车爬100%坡度时的行驶阻力平衡图 图9 汽车在15%的土坡上行驶的阻力平衡图图10 汽车在60%的土坡上行驶的阻力平衡图5.3.3 加速能力图 11 汽车的行驶加速度曲线 图12 汽车的加速时间5.4 仿真结果对比与美军混合HUMMER性能对比，如表5.8。表4 混合动力突击车与混合HUMMER性能对比单位混合动力突击车
22、HE-HUMMER发动机功率kw4655储备能量kwh13.524.5最高车速坡度 0%km/h136129坡度 60%km/h41270-80km/h加速时间s51076 结语从结果来看，混合动力突击车与美军混合动力悍马车相比，所选动力总成参数相差不大，动力性已经赶上混合悍马，有些指标还优于它。表明，本文建立的混合动力军用越野汽车传动系统模型是较为正确的，对以后的混合动力军用越野车辆的设计具有一定的指导意义。参考文献1.陈清泉.现代电动汽车技术M.北京.北京理工大学出版社.2004.88-174.2.姚海彬.电工技术M.北京.高等教育出版社.2003.189-2343.余志生.汽车理论M.第三版.北京.机械工业出版社.2003.29-37.一、作者联系方式：姓名：刁增祥 联系地址：南京市中央门外安怀村452号汽车试验场，210028电话：13515102567邮箱：qxchanyu二、论文所属范围：动力系统与排放控制 混合动力与电动汽车
