模块化混合动力驱动系统在重型越野车上的应用

孙 燕，朱诗顺，骆素君，李 静

（1.军事交通学院 汽车工程系，天津 300161；2.中国人民解放军66417部队，河北 宣化 075100；3.军事交通学院 物流系，天津 300161；4.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161）

军用重型越野车是军队装备的重要后勤保障车辆，作为各种常规及战略武器的运载、发射平台，是中国现代国防设备中重要组成部分.由于自身的使用环境和特殊用途，军用越野车要求具有高度的机动性能、通过性能及越野性能，能够在各种路面上顺利通行，这些特点、要求是民用车辆不能比的.因此，军用越野车对车辆的驱动系统提出了更高的要求，一般的民用车辆采用单轴两轮驱动就可满足使用要求，而军用车辆则需要使用双轴四轮或多轴、全驱等驱动方式.通常，为了适应战场的需要，军车的设计和研制都是设定在最恶劣的越野条件中使用，设计的功率和动力是最大化的.但是在和平非战争时期，军用车辆的使用通常是在公路等行驶条件良好的条件中使用，其动力需求远远低于设计的动力，只有部分驱动就可达到要求，设计的驱动能力是过剩的.鉴于军车目前仍采取传统的设计理念，在能源和动力资源利用上盈余过大，本文在四轴重型军用车辆的驱动方式上进行创新设计，使其能够随应用环境和行驶条件进行不同的选择，根据应用状况选用由两轴驱动、多轴驱动或全驱动等不同的驱动模式.

1 混合动力系统类型

混合动力总成按动力传输路线分类，一般可分为串联式、并联式和混联式3种［1］，如图1所示.但是近几年在传统混合动力汽车的基础上，又派生出一种外接充电式（Plug－In）混合动力汽车，简称PHEV（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）.

图1 混合动力系统结构简图Fig.1 Mechanism sketch map of HEV system

1.1 串联式

串联式混合动力汽车的动力由发动机、发电机和电动机3部分的动力总成组成，它们之间用串联的方式组成的动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车.串联式结构适用于城市内的频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的，使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放.

1.2 并联式

并联式混合动力装置汽车，由发动机和电动机共同驱动汽车.发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系统提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动.由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮.这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用.

1.3 混联式

混联式装置包含了串联式和并联式的特点.动力系统包括发动机、发电机和电动机.根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种.以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源.该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂.

2 四轴重型混合动力越野车模块化驱动系统设计

混合动力战术车辆的设计主要有两种方法，一种是专门设计制造，另一种是改装.由于专门设计制造成本造价高，设计时间周期长，不适宜研究所采取.对于试验和小批量生产而言，改装是一种经济可行的方法.本文通过对8×8驱动的重型越野车的动力系统进行模块化设计研究，使其能够随应用环境和行驶条件进行不同的选择.平时车辆通过两轴8×4、三轴8×6驱动，在战时或特殊情况下则利用具有标准接口的模块化混合动力总成部件（包括发电机系统、电动机系统以及蓄电池组）对车辆进行升级，使军用车辆实现全轮8×8的驱动.这种模块化驱动模式既可以满足平时小功率低负荷的需求，又能满足军用车辆在恶劣使用环境下的性能要求，有效提高军车的动力性能.本文研究的重型模块化混合动力驱动技术方案如图2—4所示.

如图2所示，现在装备部队的重型越野车底盘基本车型（8×8驱动越野车）的动力传动路线如下：

① 发动机工作后经由离合器将动力传递给分动器；②分动器将一部分动力向前传递给前轴间差速器，驱动前轮转动；将另一部分动力向后传递给后轴间差速器；③ 动力通过前差速器分别传递给轴1和轴2，通过后差速器传递给轴3和轴4.

车辆改装后应用于非战时的8×6驱动模式的动力传动路线如图3所示.①在发动机与离合器之间加装取力器；将混合动力总成部件（包括发电机、电动机及蓄电池组）做成具有标准接口的模块，但是不加装该模块；②在后轴上加装电动机，但是在此工作模式下因为没有加装混合动力模块使得后轮处于随动状态；③发动机工作后经由取力器、离合器将动力传递给分动器；④分动器将一部分动力向前传递给前轴间差速器，驱动轴1和轴2转动；将另一部分动力向后传递给后轴间差速器，驱动轴3转动.图3中的虚线表示该总成部件未加装.

如图4所示，车辆改装后应用于战时的8×8驱动模式的动力传动路线如下：

①利用具有标准接口的模块化混合动力总成部件（包括发电机、电动机和蓄电池组）对车辆进行升级，实现车辆全轮混合动力驱动；②发动机工作后将动力传递给分动器；③分动器将一部分动力向前传递给前轴间差速器，驱动1轴和2轴转动；将另一部分动力向后传递给后轴间差速器，驱动3轴转动；④取力器将一部分动力传递给发电机，此时的混合动力模块为混联型，并驱动后轮转动.

图2 四轴重型越野车（8×8驱动）动力传动示意图 （改装前）Fig.2 Power transmission schematic diagram of four axles 8×8drive heavy off-road vehicle（before refitting）

图3 四轴重型越野车8×6驱动模式动力传动示意图Fig.3 Power transmission schematic diagram of four axles 8×6drive heavy off-road vehicle

图4 四轴重型越野车8×8驱动模式动力传动示意图 （改装后）Fig.4 Power transmission schematic diagram of four axles 8×8drive heavy off-road vehicle（after refitting）

3 四轴重型越野车模块化混合动力驱动系统参数匹配

混合动力传动系统参数的初步匹配主要依据车辆的动力性能要求，针对具体的混合动力传动结构来计算动力总成所需的总功率需求、最大转矩需求，发动机、变速器、电机等的机械特性要求，以及蓄电池组电压和容量要求等［2］.混合动力战术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：①车辆的最高速度；②车辆的最大爬坡度；③车辆的加速时间［3－4］.

3.1 发动机的参数

军用混合动力越野车，发动机是主要的动力源，驱 动 电 机 和 ISG （Integrated Starter Generator）电机是辅助动力源，由此可以确定三者的功率参数匹配原则：发动机功率只需满足日常动力需求，能达到在平坦路面上以规定最高车速行驶的要求以及能满足加速和爬坡时所需的功率即可.发动机功率需满足的条件：①为维持电池系统SOC（State of Charge）平衡，整个循环工况的平均功率小于发动机的功率；②发动机功率满足车辆巡航的要求；③发动机需要提供一定的爬坡能力；④变速箱在最高挡位时，发动机最高转速对应的车速大于最高车速.因此发动机应提供的最大功率可由式（1）和式（2）确定.

式中：P1为最大速度所需功率；P2为爬最大坡度所需功率；ηT为整车传动效率；G为战术车辆运行重力；f为滚动阻力系数；vmax为最大速度；CD为空气阻力系数；A为车辆迎风面积；vp为车辆爬最大坡度时的速度；α为车辆爬坡度.

根据整车技术要求，要在平坦路面上能达到最高车速80km·h－1，最小稳定车速下爬60%坡，则其发动机参数为：最大功率309kW（转速为2 200r·min－1时）；最大扭矩1 300～1 500N·m（转速为1 750r·min－1时）.

3.2 驱动电机参数

电机功率的匹配要满足车辆在一定参考工况下行驶的峰值功率需求，能够在纯电动工况下提供驱动功率，否则，在纯电动模式下，车辆将跟不上需求工况车速，车辆加速缓慢而达不到驾驶员期望；驱动电机应能根据不同的控制策略和纯电动动力性能的要求，可以适当地调整驱动电机的功率需求；在制动时能最大限度地回收能量.

驱动电机的参数包括电动机额定功率Pe，最大功率Pm，驱动电机额定转速ne，最大转速nm，驱动电机额定扭矩Te，最大扭矩Tm和过载系数λ.

混合动力战术车辆的电动机功率主要用于车辆在纵深地域静默行驶，另外对车辆加速和爬坡进行动力辅助.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机的攻击纵深，选定混合动力越野车的纵深静默行驶车速为20km·h－1，电动机功率以给定速度和载重量通过式（1）确定.经计算，驱动电机的参数如表1所示.

表1 四轴重型模块化混合动力越野车电机参数Tab.1 The motor parameters of four Axles heavy modular hybrid off-road vehicle

3.3 动力电池参数

为确定电池的能量，必须明确典型区域的行驶里程.混合动力战术车辆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，其纯电动续驶里程要大于等于前线的攻击纵深.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发动冲击的攻击纵深，纯电动行驶的续驶里程应不低于10km，本文以10km行程进行计算.

3.3.1 电池个数的选择

根据整车电压需求，电池的个数ns定为

式中：U为电池组的端电压；U0为单个电池的端电压.

3.3.2 电池功率的选择

在某些情况下，混合动力战术车辆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Pmax为

式中：Uc为倍率放电时电池组端电压；Ic为倍率放电电流.

3.3.3 电池容量的选择

根据汽车功率平衡方程，纯电动以车速v行驶时，混合动力军用越野车所需的功率P为

则军用混合动力越野车纯电动行驶时所需的总电能W为

式中：T为纯电动行驶时间；s为纯电动行驶里程.

按功率需求选择电池容量Qm1为

式中：C为电池组的最大放电倍率；Ud为单个电池倍率放电时的端电压.

按能量需求选择电池容量Qm2为

式中：λ为电池组放电深度.

最终，电池容量：Qm≥max（Qm1，Qm2）

经计算，动力电池的参数如表2所示.

表2 四轴重型模块化混合动力越野车电池组（锂电池）参数Tab.2 The battery pack（lithium battery）parameters of four Axles heavy modular hybrid off-road vehicle

4 结论

（1）分析了战术车辆的研制特征和混合动力驱动系统的结构类型与特点，在不同的使用环境军用车辆采用模块化混合动力驱动系统能有效提高动力性和燃油经济性.

（2）研究了四轴重型越野车的模块化混合动力驱动系统的结构形式和动力驱动模式，该研究结果可为多轴车辆的混合动力改造提供借鉴.

（3）详细分析了模块化混合动力驱动参数的匹配方法，并以某型四轴重型越野车为例进行了参数计算.

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