模块化混合动力驱动系统在重型越野车上的应用_孙燕

中　国　工　程　机　械　学　报

ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ　　　Ｖｏｌ．１１Ｎｏ．３　

ｕｎ．２０１３　Ｊ

模块化混合动力驱动系统在重型越野车上的应用

２

孙　燕１，，朱诗顺１，骆素君３，李　静４

（军事交通学院汽车工程系，天津　３中国人民解放军６河北宣化　０１．００１６１；２．６４１７部队，７５１００；

军事交通学院物流系，天津　３军事交通学院研究生管理大队，天津　３）３．００１６１；４．００１６１

摘要：针对重型多轴车辆后备功率较大、动力盈余的问题，提出模块化混合动力驱动系统的设计方法．选取分路并联式模块化混合动力驱动系统作为某重型四轴越野车的驱动系统方案，并对该系统的动力参数匹配进行了研究，得到了合适的发动机、驱动电机以及电池组参数．关键词：模块化；混合动力；参数匹配；越野车

中图分类号：（）ＴＰ２３　　　　文献标志码：Ａ　　　　文章编号：１６７２－５５８１２０１３０３－０２５８－０５　

Ｍｏｄｕｌａｒｈｂｒｉｄｄｒｉｖｉｎｓｓｔｅｍａｌｉｅｄｆｏｒｈｅａｖｄｕｔ　　　　　－ｙｇｙｐｐｙｙ　

ｏｆｆｒｏａｄｖｅｈｉｃｌｅｓ－　

４

ＳＵＮ　Ｙａｎ１２，ＺＨＵ　Ｓｈｉｓｈｕｎ１，ＬＵＯ　Ｓｕ－ＬＩＪｉｎｕｎ３，－　ｇｊ，

（，，；，１．ＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎＤｅａｒｔｍｅｎｔＭｉｌｉｔａｒＴｒａｎｓｏｒｔａｔｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＴｉａｎｉｎ３００１６１，Ｃｈｉｎａ２．６６４１７Ｔｒｏｏ　　　　ｇｇｐｙｐｙｊｐ　　；，，；Ｘｕａｎｈｕａ０７５１００，Ｃｈｉｎａ３．ＭｉｌｉｔａｒＬｏｉｓｔｉｃｓＤｅａｒｔｍｅｎｔＭｉｌｉｔａｒＴｒａｎｓｏｒｔａｔｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＴｉａｎｉｎ３００１６１，Ｃｈｉｎａ　　　　ｙｇｐｙｐｙｊ　　

，Ｍ，）４．ＰｏｓｔｒａｄｕａｔｅＴｒａｉｎｉｎＢｒｉａｄｅｉｌｉｔａｒＴｒａｎｓｏｒｔａｔｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＴｉａｎｉｎ３００１６１，Ｃｈｉｎａ　　　ｇｇｇｙｐｙｊ　　

：Ｄ，Ａｂｓｔｒａｃｔｕｅｔｏｔｈｅｌａｒｅｏｗｅｒｓｕｒｌｕｓａｎｄｒｅｓｅｒｖｅｏｆｈｅａｖｄｕｔｍｕｌｔｉａｘｌｅｖｅｈｉｃｌｅｓａｄｅｓｉｎ　　　　　　　　　－－　　ｇｐｐｙｙｇ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｏｄｕｌａｒｈｂｒｉｄｄｒｉｖｉｎｓｓｔｅｍ．Ｂａｌｉｎｔｈｅｓｈｕｎｔｏｓｔｕｌａｔｅｄａｒａｌｌｅｌ　　　　　　　　　ｇｙｙｇｙｙｐｐｙｇｐｐ　　　　

，ｏｗｅｒａｒａｍｅｔｒｉｃｈｂｒｉｄｄｒｉｖｉｎｓｓｔｅｍｆｏｒａｓｅｃｉｆｉｃｈｅａｖｄｕｔｆｏｕｒａｘｌｅｏｆｆｒｏａｄｖｅｈｉｃｌｅｔｈｅｍｏｄｕｌａｒ　　　　　　－－　－　　　ｐｐｙｇｙｐｙｙ　　，，ｍａｔｃｈｉｎｒｏｏｓｅｄｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｔｈｅｓｓｔｅｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｌｔｈｅｓｕｉｔａｂｌｅｅｎｉｎｅｄｒｉｖｉｎｍｏｔｏｒａｎｄｂａｔｔｅｒ　　　　　　　　　ｇｐｐｙｇｙｇｇｙ　　ｓｅｔａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．　　

：ｍ；；Ｋｅｗｏｒｄｓｏｄｕｌａｒｉｔｈｂｒｉｄｄｒｉｖｉｎｓｓｔｅｍ；ａｒａｍｅｔｒｉｃｍａｔｃｈｉｎｏｆｆｒｏａｄｖｅｈｉｃｌｅ　　－　ｙｙｇｙｐｇｙ　　　　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一般的民用车辆采用单轴两轮驱动就可满足要求，

使用要求，而军用车辆则需要使用双轴四轮或多全驱等驱动方式．通常，为了适应战场的需要，轴、

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

混合动力总成按动力传输路线分类，一般可分

１］

为串联式、并联式和混联式３种［，如图１所示．但

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，设计的驱鉴于军车目前仍采取传统的设计动能力是过剩的．

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，根多轴驱动或全驱动等据应用状况选用由两轴驱动、不同的驱动模式．

１　混合动力系统类型

作者简介：孙　燕（，男，博士，高级工程师．：１９７７－）Ｅ－ｍａｉｌｓｕｎａｎ０２１００１＠ｙａｈｏｏ．ｃｎｙ

　第３期孙　燕，等：模块化混合动力驱动系统在重型越野车上的应用２５９　　

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（混合动力汽车，简称Ｐｌｕｎ）ｇ－Ｉ

）ＰＨＥＶ（ＰｌｕｉｎＨｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ．－　　　ｇｙ

图１　混合动力系统结构简图

Ｆｉ１　ＭｅｃｈａｎｉｓｍｓｋｅｔｃｈｍａｏｆＨＥＶｓｓｔｅｍ　　　　ｇ．ｐｙ　

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能通过控制器输送到电池或电动机，由电动电，

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使发动机避免了机的输出来达到调整车速的目的，

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．由于没有单发动机可以直接通过传动机构驱动车独的发电机，

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．

对于试验和小批量生产而言，改装是一种经采取．

济可行的方法．本文通过对８×８驱动的重型越野使其能够随应车的动力系统进行模块化设计研究，

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）对车辆使军用车辆实现全轮８×８的驱动．这种进行升级，

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有效提高军车的动力性能．本文研究的重型要求，

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（的动力传动路线如下：８×８驱动越野车）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；但是在②在后轴上加装电动机，此工作模式下因为没有加装混合动力模块使得后离轮处于随动状态；③发动机工作后经由取力器、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，驱动轴图３中的虚线表示该总成部件未加装．３转动．

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

２　四轴重型混合动力越野车模块化

驱动系统设计

一　　混合动力战术车辆的设计主要有两种方法，

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

　　　２６０

中　国　工　程　机　械　学　报第１１卷　

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；此时④取力器将一部分动力传递给发电机，的混合动力模块为混联型，并驱动后轮转动．

动力传动示意图（改装前）图２　四轴重型越野车（８×８驱动）

Ｆｉ２　Ｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｆｏｕｒａｘｌｅｓ８×８ｄｒｉｖｅｈｅａｖ　　　　　　　　ｇ．ｇｙ

）ｏｆｆｏａｄｖｅｈｉｃｌｅ（ｂｅｆｏｒｅｒｅｆｉｔｔｉｎｒ　　－ｇ

图３　四轴重型越野车８×６驱动模式动力传动示意图

Ｆｉ３　Ｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｆｏｕｒａｘｌｅｓ８×６ｄｒｉｖｅｈｅａｖｏｆｆｏａｄｖｅｈｉｃｌｅｒ　　　　　　　　　－ｇ．ｇｙ　

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）

）ｉ４　Ｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｆｏｕｒａｘｌｅｓ８×８ｄｒｉｖｅｈｅａｖｏｆｆｏａｄｖｅｈｉｃｌｅ（ａｆｔｅｒｒｅｆｉｔｔｉｎｒ　　　　　　　　　　－ｇ．ｇｙｇ　

　第３期孙　燕，等：模块化混合动力驱动系统在重型越野车上的应用２６１　　

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最大转矩需构来计算动力总成所需的总功率需求、

求，发动机、变速器、电机等的机械特性要求，以及

２］蓄电池组电压和容量要求等［混合动力战术车辆．

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ｎ最大转速ｎｍ，驱ｅ，最大扭矩Ｔｍ和过载系数λ．动电机额定扭矩Ｔｅ，

混合动力战术车辆的电动机功率主要用于车另外对车辆加速和爬坡进辆在纵深地域静默行驶，

行动力辅助．依据对车辆威胁最大的常规武器的射红外设备侦查距离和突击车发动机的攻击纵程、

深，选定混合动力越野车的纵深静默行驶车速为电动机功率以给定速度和载重量通２０ｋｍ·ｈ－１，

过式（确定．经计算，驱动电机的参数如表１１）所示．

表１　四轴重型模块化混合动力越野车电机参数Ｔａｂ．１　ＴｈｅｍｏｔｏｒａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｆｏｕｒＡｘｌｅｓｈｅａｖ　　　　　　ｐｙ

ｍｏｄｕｌａｒｈｂｒｉｄｏｆｆｒｏａｄｖｅｈｉｃｌｅ　　－　ｙ

参　数额定功率／ｋＷ　最大功率／ｋＷ　额定转速／（·ｍｒｉｎ－１）最大转速／（·ｍｒｉｎ－１）额定转距／（Ｎ·ｍ）最大转距／（Ｎ·ｍ）

数值１００２００７５０３０００　５４０７８６

动力传动系统的设计首先应以满足车辆的动力性车辆行驶的动力性能主要以下能要求为主要目标，

列几个指标综合评价：①车辆的最高速度；②车辆

［］３－４

的最大爬坡度；．③车辆的加速时间

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（Ｉｎｔｅｒａｔｅｄｔａｒｔｅｒ　Ｓｇ

）电机是辅助动力源，由此可以确定三者Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ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）平衡，整个循环工况的平均ＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｅ　　ｇ

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（）和式（）确定．１２

Ｐ１＝Ｐ２＝

ＣＤＡ３）１（Ｇｆｖｖｍａｘｍａｘ＋

６００７６１４０ηＴ３　　

（）１

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其纯电动续驶里程要大于等于前线的攻击纵态，

依据对车辆威胁最大的常规武器的射程、红外深．

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１本文以１０ｋｍ，０ｋｍ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

ＣＤＡ３）１（ＧｃｏｓＧｓｉｎααｆｖｐ＋ｖｐ＋ｖｐ

６００３６００７６１４０ηＴ３　　　

）（２

式中：Ｐ１为最大速度所需功率；Ｐ２为爬最大坡度所需功率；Ｇ为战术车辆运行Ｔ为整车传动效率；η重力；ｖｍａＣＤ为空ｆ为滚动阻力系数；ｘ为最大速度；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８最小稳定车速下爬６０ｋｍ·ｈ－１，０％坡，则其发动机参数为：最大功率３转速为０９ｋＷ（

－１

·ｍ时）；最大扭矩１２２００ｒｉｎ３００～１５００Ｎ·ｍ　　　

－１

（转速为１·ｍ时）７５０ｒｉｎ．　

Ｕ（）３

Ｕ０

式中：Ｕ为电池组的端电压；Ｕ０为单个电池的端电压．

ｎｓ＝

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，放出的电量很锂离子电池可以以倍率电流放电，其输出功率少，

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

Ｐｍａｘ为

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（）ＰｍａＩ４ｘ＝Ｕｃｃ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行驶混合动力军用越野车所需的功率Ｐ为时，

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．

（）研究了四轴重型越野车的模块化混合动２

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

［混合动力电动汽车结构与控制策略分析［］内燃１］Ｊ．　葛郢汉．

机与动力装置，（）：２０１１，１５１５４－５７．

ＧＥＹｉｎｈａｎ．Ａｎａｌｓｉｓｏｎｔｈｅｈｂｒｉｄｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅａｎｄ　　　　　　　ｇｙｙｃｏｎｔｒｏｌｏｎｃｅｔ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｌｏｍｂｕｓｔｉｏｎｎｉｎｅ　ｃ　Ｃ　Ｅ　＆ｐｇ，（）：Ｐｏｗｅｒｌａｎｔ２０１１，１５１５４－５７．ｐ

［颜溯，刘记君．某重型汽车动力性与燃油经济性仿２］　杜子学，

］汽车技术，（）：真与匹配优化［Ｊ．２０１１，２５１０１０－１３．，ＹＡＮＤＵＺｉｘｕｅｕ，ＬＩＵｉｕｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｗｅｒ　　Ｓ　Ｊ　ｏ　ｐｊ

ＣＤＡ３）１（Ｇｆｖ（）ｖ５＋

６００７６１４０ηＴ３　　

则军用混合动力越野车纯电动行驶时所需的总电

Ｐ＝

能Ｗ为

ＰｓＴ（）Ｗ≥ｐ＝６

ηＴηＴｖ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

Ｐｍａｘ

（）７

ＣＵｄｎｓη式中：Ｃ为电池组的最大放电倍率；Ｕｄ为单个电池

Ｑｍ１≥

倍率放电时的端电压．

按能量需求选择电池容量Ｑｍ２为１０００Ｗ　　ｎｓＵ０λ式中：λ为电池组放电深度．

Ｑｍ２≥

（）８

ａｎｄｆｕｅｌｅｃｏｎｏｍａｎｄｍａｔｃｈｉｎｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　　　　　ｙｇｐｐ　　］，ｈｅａｖｄｕｔｖｅｈｉｃｌｅ［Ｊ．ＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＴｅｃｈｎｏｌｏ２０１１，２５ａ　－　ｙｙｇｙ　（）：１０１０－１３．

［赵子亮，刘明辉，等．插电式双电机强混合动力轿车的３］　李骏，

参数匹配［］吉林大学学报：工学版，：Ｊ．２０１１，４１（２）２９８－３０２．

，，，ＪｕｎＺＨＡＯＺｉｌｉａｎＬＩＵ　Ｍｉｎｈｕｉｅｔａｌ．ＰａｒａｍｅｔｅｒＬＩ　　　ｇｇｍａｔｃｈｉｎｏｆｌｕｉｎｔｗｉｎｍｏｔｏｒｈｂｒｉｄｃａｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ　－　　　　　ｇｐｇｙ　：，：ＵｎｉｖｅｒｓｉｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｉｅ２０１１，４１（２）２９８Ｊｉｌｉｎ　　　ｙｇ－３０２．

［李佳．］４］Ｐｌｕｉｎ混合动力汽车动力系统参数匹配［Ｊ．　赵又群，－ｇ

应用基础与工程科学学报，（）：２０１１，１９３４５９－４６５．Ｙｏｕｕｎ，ＬＩＪｉａ．ＰａｒａｍｅｔｅｒｍａｔｃｈｉｎｏｆｉｎＺＨＡＯｏｗｅｒｔｒａｉｎ　　　　　ｑｇｐ　［］ａｐｌｕｉｎｈｂｒｉｄｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅＪ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢａｓｉｃＳｃｉｅｎｃｅ－　　　　　ｇｙ，（）：Ｅｎｉｎｅｅｒｉｎ２０１１，１９３４５９－４６５．ａｎｄ　ｇｇ

最终，电池容量：（Ｑｍ≥ｍａｘＱｍ１，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　Ｔｈｅｂａｔｔｅｒａｃｋ（ｌｉｔｈｉｕｍｂａｔｔｅｒａｒａｍｅｔｅｒｓ　　ｙｐｙｐ　

ｏｆｆｏｕｒＡｘｌｅｓｈｅａｖｍｏｄｕｌａｒｈｂｒｉｄｏｆｆｒｏａｄ　　　　　－ｙｙ　ｖｅｈｉｃｌｅ

参　数电池电压／Ｖ　电池容量／（）Ａ·ｈ电池能量／（）ｋＷ·ｈ

数值３２０３６５１０５

４　结论

（）分析了战术车辆的研制特征和混合动力１