某電控液驅混合動力車輛多驅動模式試驗研究

田靜，何曉暉，李峰，朱曉基*

（1.陸軍試驗訓練基地第四試驗訓練區作戰支援試驗大隊，北京 100071；2.陸軍工程大學 野戰工程學院機電教研中心，江蘇 南京 210007）

引言

混合動力汽車以節能和環保為核心，是當前汽車行業發展的研究熱點，對混合動力技術的研究推動了車輛工程的發展[1-4]。電控液驅車輛是其驅動方式與傳統機械傳動車輛的驅動不同，通過液壓驅動方式驅動，其驅動時的策略也區別于機械傳動的車輛。劉春光[5]等人對混合動力車輛機組的速度控制策略進行了研究，提出了準滑動模態方法進行控制。張濤[6]等人對混合動力車輛的能量回收系統進行了研究，通過仿真與試驗，研究了蓄能器參數設置在能量回收中的影響。陳有權[7]等人通過AMESim建立的仿真模型針對囊式液壓蓄能器的主要參數對混合動力系統性能的影響進行了研究，為液壓混合動力車輛的節能研究打下了堅實的基礎。

針對混合動力的車輛研究集中于制動與能量管理策略，而驅動方式也是一種十分重要的工況。電控液驅車輛驅動時由于液壓系統的特點，可以分為蓄能器單獨驅動、發動機單獨驅動和混合驅動方式，不同驅動方式的結合使用對于能量的回收利用和車輛的性能發揮有十分重要的影響。因此本文結合電控液驅車輛的特點來研究不同驅動方式下的車輛參數變化情況，這對于整車的控制策略研究具有十分重要的意義。

1 電控液驅車輛的介紹

電控液驅混合動力車輛是在液壓混合動力技術的基礎上研發的輪邊式電控液驅混合動力車輛，其目的在于車輛的機動性和越野性能，同時依靠混合動力的有效提高車輛的燃油經濟性。本文中的電控液驅混合動力車輛的總體方案原理如圖1所示。

圖1 電控液驅混合動力車輛總體方案原理圖

電控液驅混合動力車輛中的液壓泵通過聯軸器與作為主動力源的發動機相連，液壓泵的輸出端通過液壓管路與輪邊液壓馬達相連，每個液壓馬達能夠單獨驅動一個車輪，輪邊液壓馬達帶有鼓式制動器，液壓泵與作為輔助動力源的液壓蓄能器并聯，通過液壓閥和相關控制系統調節排量與壓力等。液壓馬達驅動車輛運動時工作于泵工況，在回收制動能量時以馬達工況工作，通過電控單元控制輸出信號和監控整個車輛的物理信號狀態及行駛狀況等功能。

2 試驗臺架的搭建

根據電控液驅混合動力車輛液壓回路的結構圖，搭建1/4車輛模型，試驗臺架的局部液壓回路如圖2所示。通過搭建的1/4車輛的液壓試驗臺架，可以對液壓系統的控制進行相應的研究，通過試驗軟件可以設置試驗的項目，包括蓄能器沖壓試驗、蓄能器單獨驅動試驗、電機與蓄能器共同驅動試驗、制動能量回收試驗和自設試驗等，通過臺架試驗可以研究不同驅動方式下的車輛的穩定性參數變化情況，包括液壓系統的壓力、轉矩、液壓泵與液壓馬達的轉速的關系研究等試驗研究，通過臺架試驗的研究對整車的設計具有重要的指導意義。試驗臺架的整體實物圖如圖3所示。

圖2 試驗臺架液壓回路圖

圖3 臺架整體實物圖

試驗臺架中以電機為動力源帶動液壓泵轉動，液壓泵通過液壓系統帶動液壓馬達，液壓系統中的各個部件之間滿足相應的參數匹配。其中，磁粉制動器通過模擬1/4汽車行駛過程中受到的轉矩、阻力；慣性飛輪模擬1/4汽車的轉動慣性；蓄能器是電控液驅車中的輔助元件，具有儲存能量、回收制動能量和驅動液壓馬達的作用[8]。試驗臺架的內部的實物圖與控制界面如圖4所示。

圖4 試驗臺架實物與控制界面圖

試驗臺架通過綜合控制系統軟件界面可以對相關參數進行設置，包括液壓回路中的壓力、電機轉速、液壓泵的轉速、液壓泵與液壓馬達的排量，還可以根據試驗目的選擇相關的試驗內容，進行液壓系統的相關試驗研究。

3 試驗研究

3.1 電機單獨驅動

通過電機為動力源帶動液壓泵進行單獨驅動試驗，試驗過程中液壓泵與液壓馬達的排量不變，負載大小不變，液壓回路中無蓄能器連接。試驗設置在一定液壓泵轉速下驅動液壓馬達達到一定的轉速，并保持一段時間后使液壓馬達自然停止。通過設置不同的電機的轉速（450～780rpm），研究不同液壓泵的轉速下對應的液壓馬達轉速的變化規律，通過圖5的液壓馬達轉速圖可以看出，在不同的液壓泵轉速輸入下，液壓馬達的轉速的增長速度保持一致，且在達到最大速度后能夠穩定的維持。

圖5 不同轉速電機驅動下的液壓馬達轉速變化圖

圖6 液壓泵轉速變化圖

圖7 液壓泵轉矩變化圖

圖8 液壓泵與液壓馬達的轉速對應圖線

由圖6中液壓泵的轉速變化曲線來看，液壓泵的轉速變化迅速而穩定，不同目標轉速下的液壓泵的轉速提升速率是相同的，液壓泵轉速達到目標轉速后，能夠較好地維持在目標轉速附近，對于液壓泵的控制具有重要意義。通過液壓泵的轉矩圖7可以看出，液壓泵的轉矩主要影響液壓馬達的加速度大小，且液壓泵的轉矩迅速變化到一定值后保持穩定輸出。

將液壓泵與液壓馬達的轉速變化進行數據擬合，得到液壓泵與液壓馬達之間的轉速關系變化如圖8所示，由圖可以看出，液壓泵與液壓馬達在排量一定時，其轉速對應能夠保持良好的線性關系，對液壓馬達轉速的穩定性控制有重要的作用。

3.2 蓄能器單獨驅動

通過軟件設置對蓄能器進行充能，然后采用蓄能器為動力源，驅動液壓馬達轉動，得到不同蓄能器充能效果下驅動液壓馬達轉速的變化如圖9所示，由圖可以看出蓄能器作為動力源驅動時，不同的充能效果下對液壓馬達的驅動速度的影響，由曲線中液壓馬達轉速的斜率可以推斷，蓄能器驅動時的液壓馬達加速度是一致的，說明蓄能器對液壓馬達的驅動加速度是穩定的，不受充能多少的影響，蓄能器的充能含量只影響驅動時液壓馬達達到的最高轉速。將圖9中的液壓蓄能器驅動液壓馬達轉速變化與電機單獨驅動時的液壓馬達的轉速變化進行對比，可以得出蓄能器單獨驅動時液壓馬達從0加速到120rpm時所需時間為2.35s，而電機單獨驅動時液壓馬達從0加速到120rpm時所需時間為3.74s，蓄能器單獨驅動時液壓馬達獲得的加速度更大，加速性能更好，這為車輛的加速控制策略的確定提供了重要依據。

圖9 不同蓄能器充能狀態下驅動液壓馬達的轉速變化圖

3.3 蓄能器電機混合驅動試驗研究

蓄能器的連接使得液壓回路中的穩定性有一定程度的提高，能夠緩和液壓沖擊，存儲能量，但因為蓄能器的儲存與釋放能量隨著液壓系統的參數變化呈現不確定性，因此通過試驗臺架研究車輛啟動時蓄能器在液壓回路中對液壓馬達轉速的影響具有十分重要的意義，試驗設置液壓回路驅動時有蓄能器連接，設置液壓泵的轉速分別為 350rpm，450rpm，550rpm，650rpm和750rpm，得到液壓馬達的轉速變化如圖10所示。

從圖10可以看出，混合驅動模式下的液壓馬達的轉速峰值較穩定時的速度要大，但由于液壓蓄能器的容量限制，轉速峰值維持時間較短。蓄能器在液壓回路驅動時會存儲多余的能量，在液壓管路中的壓力降低時釋放能量，使得液壓馬達的轉速高于穩定時的轉速，增大的轉速由蓄能器所存儲的能量多少決定。在混合驅動模式下的液壓馬達從 0加速到120rpm時所需時間為 3.31s，優于電機單獨驅動模式，較蓄能器單獨驅動模式下所需時間更多。在電控液驅混合動力車輛中的蓄能器控制是十分重要的，對車輛的轉速的穩定性控制具有一定的影響，結合蓄能器的能量與駕駛員意圖建立合理的控制策略具有重要意義。

圖10 蓄能器與液壓泵共同驅動下的液壓馬達轉速變化圖

4 結論

本文基于電控液驅車輛，研究了不同驅動方式下的車輛行駛穩定性，建立了1/4電控液驅混合動力車輛試驗臺架，進行了試驗分析，試驗結果表明：

（1）在發動機單獨驅動的方式下，液壓馬達與電機的轉速變化趨勢穩定，在條件一定的情況下，液壓泵的轉速在450～ 800rpm時與液壓馬達的轉速與成良好的線性關系。

（2）在蓄能器單獨驅動的模式下，儲存能量的多少并不影響液壓馬達的加速性能，只影響液壓馬達的最大轉速；蓄能器單獨驅動模式下，液壓馬達獲得的加速度較發動機單獨驅動時的加速度要高。

（3）混合驅動模式下的液壓馬達的轉速峰值比達到穩定轉速時的數值更大，但由于液壓蓄能器的容量限制，轉速峰值維持時間較短。

（4）三種驅動模式下降液壓馬達從0加速到120rpm時所需時間最少的為蓄能器單獨驅動。