輪轂液驅車輛極限狀態泵排量控制

宋大鳳，梁偉智，曾小華，李立鑫，陳建新

（吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130025）

0 引 言

重型商用車經常工作在崎嶇泥濘、陡坡等低附著路面［1-2］，此時開啟輪轂液壓輔助驅動系統（簡稱“輪轂液驅系統”）進行輔助驅動，可以顯著提高整車牽引力，實現脫困、爬坡等短時助力功能［3-4］。國外對輪轂液驅系統研究較早，如法國波克蘭公司推出的AddiDrive液壓馬達輔助驅動系統［5］，已在德國MAN公司的HydroDrive等車型上實現應用［6］。國內對輪轂液驅系統的研究還處于試制階段，張晉華等開發了搭載前橋靜液輔助驅動系統的6×4礦用車，通過PID串聯校正技術對輪轂馬達進行轉速控制［7］；李洪亮等通過NSGA-II算法對液壓混合動力系統進行多目標優化，提高了整車動力性和經濟性［8］。

輪轂液驅系統與傳統四驅機械系統相比，具有自重小、結構簡單且控制靈活的特點［9］，特別是應用在重型商用車上，優勢更加明顯，但是輪轂液驅車輛經常在惡劣工況下工作，液壓系統很可能出現壓力飽和、油溫過高等極限狀態。液壓系統壓力達到飽和后，會使溢流流量增加，系統損失增大，不利于能量的高效利用［10］；而系統油溫過高，不僅會使系統工作效率下降，更重要的是可能引發系統故障，威脅整車安全［11-13］。基于此，很多學者都對液壓系統泵排量控制進行了研究，如曾小華等［14］提出三步法控制來提高液壓回路中變量泵排量控制精度，但該研究未對液壓系統極限狀態泵排量提出具體控制方法。文中則基于這種高溫、高壓的極限狀態，提出一種泵排量控制方法，通過對液壓系統施加一定的干預控制，來協調系統動力性、高效性及安全性之間的矛盾。

本文首先對輪轂液驅系統動力傳遞路徑進行分析，提出極限狀態泵排量控制思路，根據設定的溫度范圍和壓力值對泵排量進行限制。然后將未加泵排量限制的原始策略與泵排量控制策略進行仿真對比，來驗證泵排量控制策略的有效性。文中提出的泵排量控制策略可以提高系統環境適應能力，為輪轂液驅車輛的實際開發提供理論基礎。

1 輪轂液驅系統構型方案

輪轂液驅系統是在傳統后輪驅動的重型商用車上加裝了一套輪轂液壓輔助驅動系統，以提高重型車輛在低附著路面的牽引性能和通過性能。輪轂液驅系統的構型方案如圖1所示，文中建模仿真所用整車及液壓系統參數如表1所示。

圖1 輪轂液驅系統構型

輪轂液驅系統包括取力器、萬向節、變量泵組件、液壓控制閥組以及輪轂液壓馬達。當輪轂液驅系統開啟時，液壓泵通過取力器從發動機獲取動力，經過液壓控制閥組，控制安裝在前輪輪轂內的液壓馬達運動，驅動車輛前進，液壓馬達轉速通過液壓泵排量進行控制，而液壓泵排量可以通過改變泵開度值來調節［15］。變量泵組件、液壓控制閥組和液壓馬達共同組成泵控馬達系統閉式回路，該回路包括主油路和回油路，主油路和回油路的壓力差稱為主回油路壓差，文中所述的系統油溫是指泵進出口平均油溫，系統壓差是指主回油路壓差。通過控制液壓控制閥組來實現輪轂液驅系統不同工作模式的切換，進而滿足不同行駛工況的需求。

表1 整車及液壓系統參數

2 極限狀態泵排量控制策略設計

溫度和壓力是表征系統工作狀態的關鍵變量，以它們作為系統極限狀態的檢測量，對系統泵排量進行限制控制，泵排量限制流程如圖2所示。

圖2 極限狀態泵排量限制流程圖

首先，泵排量限制控制模塊接收上一個控制模塊傳遞過來的原始泵排量，并通過傳感器獲取系統油溫和系統壓差。然后，分別判斷系統油溫和系統壓差是否在各自工作限值范圍內，如果在各自工作限值范圍內，不需要進行任何限制操作，直接將原始泵排量作為該模塊的輸出；如果系統油溫和系統壓差超出工作限值范圍，則相應地進行溫度限制控制或壓力限制控制，最終輸出限制后的泵排量。

2.1 泵排量的溫度分段限制控制

由產品手冊可知，正常工作狀態下，系統油溫應維持在0～80℃，最大或最小溫度限值允許短時間超過上述邊界±20℃，但持續時間不宜過長。根據該系統工作的油溫范圍特點，可將溫度范圍劃分為［-∞，-20］、［-20，0］、［0，80］、［80，100］、［100，+∞］℃5個區間，采用分段控制方式，在上述5個不同溫度分段區間分別對泵排量采用不同限制操作，則限制后的泵目標開度為

式中：Dp_lim1為溫度限制后的泵目標開度，與泵排量成正比，反映泵排量大小；Dp_st為溫度限制前的泵目標開度；Tcur為系統反饋的當前油溫；Tmin為溫度最低限制閾值，-20℃；Tlow為溫度較低閾值，0℃；Thig為溫度較高閾值，80℃；Tmax為溫度最高限制閾值，100℃；k1、k2為控制增益值，可以通過試驗得到。

上述對泵排量的溫度分段限制控制過程如圖3所示，系統油溫在超出最高或最低工作溫度時關閉輪轂液驅系統，在正常工作溫度范圍內時，泵排量不做限制，當系統油溫處于偏高或偏低范圍時，對泵排量施加限制使系統油溫盡快回歸正常工作范圍，避免在正常工作范圍以外長時間工作。

圖3 泵排量溫度分段限制示意圖

2.2 高壓狀態的泵排量限制控制

對于輪轂液驅系統達到高壓狀態，同樣需要考慮限制措施。由試驗測定該泵控馬達系統閉式回路的最高壓差為42 MPa，而當系統壓差達到最高壓差后，系統便進入壓力飽和狀態，溢流閥開始溢流，此后若繼續增加泵排量，不但達不到增加液壓系統輸出的目的，反而會使溢流流量增加。鑒于此，制定泵控馬達系統閉式回路在高壓狀態下的泵排量限制控制規則為：當系統壓差達到最高壓差42 MPa后，若控制目標有繼續增大泵排量的趨勢，則保持當前泵排量不再繼續增大。高壓狀態的泵排量限制控制流程如圖4所示，圖中：Δp為系統壓差；Dp_cur為未經限制的當前泵目標開度；Dp_last為上一步的泵目標開度；Dp_ctrl為最終泵目標開度。

圖4 泵排量壓力限制控制流程圖

3 系統建模與仿真驗證

3.1 模型搭建與仿真條件設置

在Matlab/Simulink仿真平臺上搭建輪轂液驅車輛車體及機械系統模型，在AMESim軟件平臺上搭建輪轂液驅系統液壓模型，分別如圖5、6所示。由于極限狀態不是車輛的通常工作狀態，為了驗證極限狀態的泵排量限制控制算法的有效性，需要構造整車工作的極限狀態工況。當車輛需要爬上一個較長的坡道且該坡道的坡度逐漸增大，在該工況下車輛將盡全力克服外力。因此為了方便，在仿真中將該實際工況簡化為不斷給整車增加外在負載的方式使整車更快地進入高溫、高壓的極限狀態，然后檢驗泵排量控制策略的效果。

仿真條件：在平直良好的路面上，車輛1檔起步，然后給車輛施加與行駛距離成正比的外載荷，不加泵排量限制控制的助力模式溫度補償策略仿真結果如圖7所示。從圖中可以看出，整車一開始處于靜止狀態，然后慢慢起步加速，由于外載荷在不斷增大，車速從加速到減速，甚至發生溜坡。而溫度和壓差兩個狀態量也一直在持續上升，直到達到各自的極限。因此，可以將該仿真測試歷程分為以下幾個階段：0～5 s車輛未啟動；5～7 s車輛加速階段，系統壓差從0迅速上升至42 MPa；7～14 s由于負載持續加大，車速達到最大值后迅速下降，該階段系統已經處于極限狀態，一直以42 MPa壓力對外輸出動力，同時油溫迅速上升，很快達到系統允許的正常工作上限100℃；14 s以后車輛行駛距離不再增加，外載荷也不再增加，系統與外力僵持，油溫持續升高。從以上分析可知，該仿真測試過程使系統依次經歷了高壓、高溫的極限狀態，可以用來驗證極限狀態的泵排量控制策略的控制效果。

圖5 車體及機械系統模型

圖6 輪轂液驅系統液壓模型

圖7 不加泵排量限制的變負載仿真結果

3.2 仿真驗證

在相同變負載條件下進行泵排量控制策略仿真，并與未加泵排量限制的原始策略進行比較，下圖中“NoLim”為未加泵排量控制策略的仿真結果；“TLim”為僅有溫度分段限制策略的仿真結果；“TPLim”為包含溫度分段限制和高壓狀態限制的復合限制策略的仿真結果。

從圖8、9可見，在0～7 s階段，車輛處于靜止到加速的過程，由于沒有達到系統極限狀態，三者的仿真結果一致。在7～14 s階段，系統壓差首先達到極限狀態42 MPa，TLim策略僅有溫度限制，所以它的泵目標開度跟NoLim一樣不斷增加達到全開狀態，而TPLim包含高壓狀態限制，它在系統達到極限壓力后保持當前泵開度而不再增加。在14 s以后，當溫度達到高溫或超過允許工作溫度范圍，TLim策略和TPLim策略中的溫度分段限制都會起作用，調節泵目標開度，使泵排量在極限狀態下不再繼續增加，系統油溫最終穩定在80℃附近，處于系統正常工作溫度范圍。

圖8 泵目標開度仿真結果

圖9 系統油溫仿真結果

從圖10、11可見，在輪轂液驅系統帶動車輛運行的5～15 s期間，系統最高壓差達到42 MPa之后，泵排量不再增加，限制泵排量增加會有效減少這段時間內的溢流損失；從整車性能角度來看（見圖12、13），3種控制策略作用下的車速和前軸牽引力基本一致，更進一步說明了在極限狀態下增加泵排量不會改善整車性能，增加的部分只是增加了系統溢流損失。因此，泵排量限制控制在保證了系統性能的前提下，既有效地減少了能量浪費，又穩定了系統油溫。

圖10 系統壓差仿真結果

圖11 溢流流量仿真結果

圖12 車速仿真結果

圖13 前軸牽引力仿真結果

4 結 語

針對輪轂液驅車輛在工作過程中可能出現的油溫過高、壓力飽和等極限狀態，文中提出了極限狀態泵排量溫度限制控制和壓力限制控制方法，并通過Matlab/Simulink和AMESim聯合仿真對文中控制策略進行驗證。仿真結果表明，泵排量控制策略能夠達到減少系統溢流損失，維持系統油溫在正常工作范圍內等效果，即驗證了文中泵排量控制策略的有效性。文中提出的極限狀態泵排量控制策略，協調了系統動力性、高效性和安全性之間的矛盾，提升了輪轂液驅車輛的環境適應性能，為后續的實車開發提供了理論依據。同時，文中的泵排量控制方法對其他液壓系統泵排量控制研究也具有一定的參考價值。