油液混合動力車驅動/制動系統及其控制策略分析

徐 磊，何曉暉，王 強

(陸軍工程大學 野戰工程學院機電教研中心， 南京 210007)

車輛在制動過程中，大量能量轉化為熱能而損失，發熱的同時導致車輛零部件的壽命縮短[1]。近年來混合動力車輛的研發使得車輛的制動能量得到回收再利用[2]，節約能源的同時保護了環境。油液混合動力車輛[3]是以內燃機為動力源，電子單元控制的液壓驅動的混合動力車輛。其驅動/制動系統主要由機械動力裝置和液壓動力裝置組成，二者布置方式的不同會影響到車輛的能量回收效率、操控性和機動性等性能。

本文主要分析驅動/制動系統中動力裝置不同的布置方式對于整車性能的影響，闡述不同系統的發展現狀與其設計開發思路，論述核心控制技術，分析在不同應用場合下不同的控制策略各自的優勢和不足之處，最后介紹了該領域的發展趨勢。

1 油液混合動力車輛驅動/制動系統

在油液混合動力車輛驅動/制動系統中，根據機械動力裝置和液壓動力裝置二者之間布置方式的不同可以分為串聯式、并聯式和混聯式三種方式[4]，每種方式分別有不同的工作原理和應用場合。由于油液混合動力車輛驅動/制動系統主要由液壓元件組成，對車輛底盤的機械結構影響很大，因而系統設計開發涉及整車結構，對于整車的研發至關重要。

1.1 串聯式系統

采用液壓驅動的混合動力車輛，整車的能量在發動機與雙向變量液壓馬達之間雙向傳遞。車輛制動時雙向變量馬達以液壓泵的形式工作，將車輛的制動能回收儲存在蓄能器中，在需要的時候釋放出來。如圖1所示。由于原先的車輛機械制動/驅動系統可以被液壓系統所替代，使其在提高底盤離地間隙的前提下增強車輛的機動性能，因此在復雜道路環境下其有很大的應用前景。串聯式系統的結構形式較為簡單，但是回收效率不高。串聯式系統可以實現對車輛速度精確的無極調節[5]，配合整車的控制策略，能使整車始終工作在最佳燃油區域，達到高效節能的目的[6]。

1.2 并聯式系統

如圖2所示，內燃機作為并聯式液壓驅動混合動力車輛的主要動力源[7]，液壓制動回收模塊作為輔助能量源[8]。與串聯式系統相比，采用并聯式液壓驅動的混合動力車輛雖然在節能和機動性上不如串聯式的液壓驅動混合動力車輛，但是，這種驅動形式的布置可以使得車輛的能量利用率高[9]。

由于它還可以單獨由內燃機驅動車輛行駛，行駛過程中平穩安全，因此，這種系統更適合在城市公交類似的經常需要啟停的車輛中。

1.3 混聯式系統

如圖3所示，混聯式液壓驅動混合動力系統[10]由串聯式和并聯式發展而來，它兼有串聯式和并聯式的優點，使得內燃機與蓄能器之間的能量和功率匹配得到優化，是實現液壓驅動混合動力車輛的經濟型和動力性的最佳結構[11]。但是，這種系統的結構較為復雜[12]，設計、開發難度較大，成本高[13]，目前國內外的研究大多停留在計算機仿真階段，隨著技術的逐步成熟將來會有很大的應用前景。

根據動力元件不同的布置方式，其特點可以總結如表1所示。

表1 不同油液混合動力車輛系統比較

2 控制策略

油液混合動力車輛驅動/制動系統控制策略的研究是整車控制系統的重要組成部分，控制策略涉及到整車的方方面面。本文主要分析串聯式油液混合動力車輛的控制策略，涉及驅動/制動工況協調控制、液壓四輪轉向控制、防滑控制和能量控制等核心控制技術。目前串聯式的油液混合動力車輛的驅動/制動系統的控制策略研究較為單一，缺乏系統完善研究。

2.1 驅動/制動工況協調控制策略

驅動/制動工況控制[14]是指對油液混合動力車輛的液壓馬達排量進行控制，從而應對負載的變化，實現對車輛在驅動制動工況的協調控制。南京理工大學常思勤[15]對于新型油液混合動力車輛的驅動/控制工況在常規PID基礎上加入了模糊控制規則，開發了帶修正因子規則的自適應模糊控制器，如圖4所示。針對城市客車，采用了國標(GB/T18386—2001)規定的標準[16]，市區循環工況分別運用修正因子的自適應模糊控制器和模糊PID控制器進行計算機仿真對比，結果表明，采用帶修正因子的自適應模糊控制器的系統具有系統輸出響應快、動態穩定性高、超調量小和精度高等優點，而且還具有較強的抵抗系統內部參數變化和外界擾動的能力。車輛在實際行駛過程中，根據駕駛員踩下油門踏板或者剎車踏板的角度變化，通過一定的參數轉化，使之成為能控制液壓馬達排量的參數，從而在一定程度上滿足駕駛員的駕駛意圖[17]。但是這種單純的以踏板的角度變化作為控制輸入，很難把握駕駛員的真正意圖，同時控制精度不高。

為更好地滿足駕駛員意圖，哈爾濱工業大學伊永亮[18]提出了采用滑膜變結構控制技術。分別對不同擋位、不同系統起始壓力和起步工況下車輛速度的跟蹤進行了計算機仿真研究。針對系統內部參數的變化和外界環境因素的變化，采用組合趨近律的方式，對整個驅動/制動系統設計了離散滑膜控制器。在Simulink的環境下建模并進行動態仿真，仿真結果表明，基于組合趨近律的離散滑模控制器同模糊PID控制器相比，有著更強的抵抗系統內部參數變化和外界環境因素變化的能力，這種控制器能滿足驅動/制動系統所需的控制性能。目前，國內許多大學研究機構對于油液車輛驅動/制動工況控制策略的研究大多將傳統PID控制與現代控制技術相結合，從而大幅增加控制系統的穩定性、響應速度和控制精度。目前，最大的困難就是解決此類車輛的駕駛體驗與常規車輛的差別，使其容易被消費者所接受。

2.2 液壓四輪轉向控制策略

油液混合動力車輛的液壓系統采用串聯式，在該系統中的液壓雙向變量馬達可以在四個象限工作，因此與傳統車輛傳動形式不同的是可以實現車輛的并行傳動，從而充分提高車輪的地面附著力，而且在提高其制動和穩定性能的同時提高車輛的越野性能。由于馬達的轉速可以無極變速，使得車輛速度能夠實現精細的調節，同時也易于操控，但是采用這種結構的車輛在四輪轉向驅動協調控制方面存在難度[19]。目前為止，國內外應用最廣、最成熟的四輪轉向技術為德爾福Quadrasteer四輪轉向技術(Four Wheel Steering)以及全輪精準轉向技術(Precision All Wheel Steer)[20]。盡管四輪轉向技術目前已經應用在一些車輛上，但由于控制的復雜性導致還不能完美地應用到串聯式的油液混合動力車中，同時也不能很好地滿足車輛在彎道處行駛高速性和穩定性的要求[21]。吉林大學的王慶年等[22]進行了四輪獨立驅動車輛各輪的轉矩協調控制動力學理論分析。并且運用BP神經網絡與PID控制相結合的方法來對車輛各輪的轉矩進行了協調控制研究，其控制模型如圖5所示。該控制策略基本達到了控制目的，缺點是控制精度有待提升。

日本Ando N等[23]提出了一種車輛縱橫向動力學分配的方法，這種方法以車輛能夠準確循跡為目標，以最小二乘法為理論基礎，同時對車輛的橫向力控制以及橫擺力矩的補償進行了分析，最終在整體上降低車輛的循跡錯誤概率，使得車輛在行駛過程中的穩定性得到了一定保證。類似的，伊朗Hakima A等[24]設計了基于車輪驅動轉矩的滑模控制器，通過仿真表明了滑膜控制策略可以平衡各輪間的轉矩，也使得車輛可以具有理想的循跡能力。

2.3 防滑控制策略

南京理工大學韓文[11]運用模糊控制對于新型油液混合動力車輛在驅動工況的防滑轉系統和制動工況的防抱死系統在Simulink的環境下建立了仿真模型并進行動態仿真，結果表明，采用模糊控制的防滑系統可以防止在車輛運行過程中出現輪胎抱死和滑轉現象。清華大學張利鵬[25]針對分布式驅動電動汽車轉矩運用自適應驅動防滑控制展開了研究，提出一種通過利用驅動電動機的轉速和轉矩的負反饋來實現驅動防滑的控制(直接轉速轉矩控制)法，并將其與采用最佳滑轉率的比例積分控制和動態等轉矩驅動控制相結合，開發分布式驅動電動汽車電動機轉矩自適應驅動防滑控制器(如圖6所示)，對車輛在模擬路面上的驅動性能進行仿真，并且將實車在道路上進行了試驗驗證。仿真和試驗同時表明，所開發控制器在使低附著系數路面上驅動輪的滑轉率接近最佳值的同時，保障了分布式驅動電動汽車的橫向穩定性，實現了對于電機轉矩的平滑控制，同時一定程度上降低了對傳動系統造成的沖擊。

天津大學劉志新等[26]也是以車輛的滑轉率為調節對象，將ASR算法應用到基于模糊 PID控制的驅動防滑控制的控制器中。以發動機油門的閥口大小為控制對象，開發了模糊 PID控制器，并對于該控制器的參數進行分析計算，最后在均一低附著路面以及分離路面的模擬環境下，運用Simulink仿真軟件進行了建模和動態仿真。對比仿真結果，表明運用了ASR算法的模糊PID控制，其性能較模糊PID控制有著更加優越的控制性能。湖南大學余晃晶等[27]針對汽車防滑控制系統的可調度進行研究，利用AADL為控制系統進行建模，通過OSATE對該系統在實時任務系統中的調度線程、計算時間和處理器性能之間的關系進行了分析。

以上對于防滑策略的研究都是將現有控制策略與先進的算法相結合，借鑒非混合動力車輛的控制流程，通過建立模型在計算機中進行仿真，達到預期目的，但是缺少實車實驗對仿真結果的驗證。

2.4 能量管理策略

由于串聯式油液混合動力車輛驅動/制動系統中各子系統[28](內燃機、液壓泵和蓄能器)之間互相協調共同驅動車輛，各自的最佳效率區存在不同，因此要使得車輛時刻工作在最佳燃油區，需要對每一工況下的能量控制進行研究。Rajagopalan[29]提出的能量管理預測控制策略采用了兩個控制器(主控制器和預測控制器)。主控制器采用瞬時能量管理控制策略，而預測控制器采用模糊能量管理控制規則，將輸出控制量傳給主控制器修正發動機最優目標轉矩。通過仿真分析，在相同工況下采用該能量管理策略的車輛與未采用預測控制的車輛相比較，提高燃油經濟性9%左右，降低氮氧化合物排放約30%。重慶大學楊陽[30]也采用了模糊控制器對混合動力汽車再生制動壓力協調進行了控制研究，包含模糊控制的雙控制器實現了對能量進行了全局和瞬時的控制，有效地提高了燃油經濟性，但是模糊控制器先驗知識規則的確定還有一定難度。

為了克服模糊邏輯以及模糊PID需要先驗知識的固有缺陷，合肥工業大學錢立軍[31]為精確計算駕駛員請求轉矩(駕駛員的駕駛意圖所對應的轉矩)，提出利用徑向基函數(Radial Basis Function，RBF)神經網絡擬合轉矩識別系數。上海交通大學林添良[32]以參數匹配方法，考慮到動力部件的瞬態特性，建立各動力部件及傳動系統的動力學模型，制定了基于規則的控制策略并描述了各驅動模式的成立條件及其動力學方程[33]。為減少程序運行時間，Zhang等人建立了串聯式液壓混合動力車輛的模型[34]，提出修正動態規劃算法對控制策略進行全局優化，并且搭建硬件試驗臺架，對控制策略進行了試驗，試驗結果表明，基于規則和修正動態規劃的控制策略均能實現良好的控制效果。引入轉矩識別后，車速誤差明顯減小，燃油經濟性提高了4.54%，達到14.04%。采用了神經網絡擬合和動態規劃算法，使得車輛對于能量控制精度和燃油經濟性進一步提高。

3 結論

從關于驅動/制動系統的分析可以總結出油液混合動力的車輛驅動/制動系統的發展趨勢主要集中以下幾點：

1) 在不改變傳統駕駛員操作習慣下，使之盡可能的平穩運行，達到良好的控制效果。

2) 利用液壓能量易回收和存儲的優點，通過回收制動能量，在需要的時候再釋放到系統中去，從而節約能源，目前研究在于如何提高節約能源問題。

3) 驅動/制動系統在實際運用到具體車輛時，針對不同的應用場合有不同的系統布置方式。在城市公交、大型工程機械中大多運用并聯的系統布置方式，保證系統壓力的同時達到一定的能量回收率，而在軍用越野型SUV中，出于對于車輛機動性和操控性的要求，使串聯型系統更加適用。

當前相關控制策略研究趨勢主要集中在以下幾點：

1) 在驅動/制動工況控制中，運用現代控制技術和傳統PID相結合的研究方法，對整車的工況進行仿真分析，使整車能在各工況下平穩運行，目前研究集中在運用優越的控制策略使整車能在各工況下更加平穩運行，以及提高控制精度。

2) 對于液壓四輪轉向控制和防滑控制策略，目前，關于這方面的控制技術在很多車輛上已有應用，并且已經相對成熟，目前的研究集中在高度特殊車輛的系統中，且行駛環境較為理想，需要有更加適合串聯式油液混合動力車輛的液壓四輪轉向控制技術，來應對復雜惡劣的行駛環境。

3) 能量控制策略是整車控制技術的核心所在，優越的能量管理策略可以使得整車的能源利用率大幅提升。目前的研究對于并聯的系統已經相對成熟，但對于采用串聯型液壓混合動力的車輛，完全由液壓系統驅動的車輛在能量回收效率上必須有更加適合的能量控制策略。

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