前置式并聯液壓混合動力車輛控制系統研究

董晗，金鑫，李明達，冀秉魁，姚雪萍，蔡曉龍，徐廣斌

(長春工程學院汽車工程學院，吉林長春 130012)

0 前言

液壓混合動力技術作為汽車節能技術之一，具有功率密度大、儲能元件能量轉化效率高、節能效果明顯、生產制造成本較低等優點，近年來被越來越多的人和科研院所關注。國內許多高校和企業都對液壓混合動力技術進行了深入研究。其中，高校研究所等科研機構主要采用實驗臺架的方式驗證相應的數學推導和理論模型；而徐工集團、山河智能等工程機械生產企業則通過將液壓混合動力技術應用在工程機械的行走和工作裝置中，以實際工程應用來驗證節能效果[1-2]。

液壓混合動力車輛根據結構的不同可劃分為3種：串聯、并聯以及由串并聯組合的混聯。目前在城市公交、工程機械等重型車輛上較多采用的是并聯式結構。本文作者以前置式并聯液壓混合動力車輛為研究對象，分析、制定了車輛的控制策略和流程，基于MATLAB/Simulink和dSPACE控制器，建立車輛控制系統，進行仿真分析，并在實驗車上對相應的控制系統和車輛各類性能進行測試[3]。

1 前置式并聯液壓混合動力車輛工作原理及組成

液壓混合動力技術利用二次元件液壓泵/馬達四象限的工作特性，通過調整過零點方向和斜盤擺角，實現機械能與液壓能之間相互轉換。并聯式液壓混合動力車輛包括2種動力源：傳統內燃機與液壓混合動力。當車輛制動減速時，二次元件以液壓泵狀態工作，將來自驅動橋的機械動能轉化為流體壓力勢能存儲在液壓蓄能器中；當車輛起步加速時，二次元件轉換為液壓馬達狀態工作，通過轉矩耦合器實現對發動機動力和液壓混合動力的匯聚，將動力傳至驅動橋，進而驅動車輛前進[4-5]。

傳統并聯式結構是將轉矩耦合器置于變速器之后，根據二者位置關系，可稱之為后置結構。而文中研究的結構特點是在發動機和變速器之間增加轉矩耦合器，因此稱為前置式并聯結構，如圖1所示。

圖1 前置式并聯液壓混合動力車輛結構

前置式并聯結構的優點是二次元件轉速的變化區間與發動機轉速變化范圍相近，使二次元件更多地在效率較高的區域運行，從而減少了因低效運行產生的不必要能耗；前置式并聯結構可通過改變變速器速比進而提高二次元件的輸出轉矩，特別是對于重型車輛來說，可有效改善車輛的動力性能和制動性能。但前置式結構也存在一定問題，液壓混合動力系統與其作用在車輪上的轉矩，會因擋位不同而有一定差異。同時，在換擋過程中，液壓混合動力系統的介入由二次元件前的離合器控制，其接合或分離的瞬間所產生的轉矩波動對車輛的運行會有一定影響。因此，必須在控制策略中考慮換擋的問題[6]。

2 車輛的工作模式和控制策略

2.1 液壓混合動力系統要實現的功能和目標

對于在重型車輛上應用的液壓混合動力系統而言，需要實現以下功能和目標[7]：

(1)在正常道路下行駛的性能要求；

(2)在有坡度的路段輔助車輛爬坡行駛；

(3)在制動過程中輔助摩擦制動器提供制動力矩，使車輛減速；

(4)車輛在行駛過程中對換擋的平順性要求。

針對上述功能和目標，結合車輛日常駕駛習慣，液壓混合動力系統應具有3種工作模式：

(1)混合動力模式。該模式為主要工作模式，正常路況下，車輛在制動減速、起動加速過程中實現對能量的回收和再利用，降低油耗的同時提高車輛的制動和動力性能。

(2)主動充能模式。在車輛怠速或車輛爬坡前的行駛過程中，主動對尚未充滿的蓄能器進行充能。其中，在車輛怠速時，車輛無需掛擋，二次元件以液壓泵狀態運行，離合器接合，使發動機產生的動力通過轉矩耦合器、液壓泵對蓄能器進行主動充能；在車輛帶擋前進時，根據當前擋位和控制系統對二次元件的排量、蓄能器壓力進行判定，在車輛正常行駛的前提下，由發動機冗余動力對蓄能器進行主動充能。

(3)輔助制動模式。當車輛油門踏板沒有動作且車速不斷增加時，認為車輛處于下坡行駛過程。控制器對蓄能器儲能狀態進行判斷，若此時蓄能器尚未充滿能量，則液壓混合動力系統提供一定制動轉矩，將車輛部分動能存儲在蓄能器中。

2.2 混合動力模式

為了保證車輛行駛的平順性，盡可能減少混合動力系統對車輛正常制動的影響，混合動力采取基于對應踏板角度和車輛擋位的恒定轉矩控制策略，即：車輛在當前車速和對應擋位下，制動踏板或油門踏板處于某個固定角度，由控制器處理可得到當前狀態下二次元件的轉矩需求，結合蓄能器儲能壓力，可得到與之對應的二次元件排量，通過控制排量，從而使二次元件的轉矩維持在一個穩定區間[8]。

在驅動過程中，變速器擋位取決于發動機轉速和車輛實際車速，三者之間的關系如下：

(1)

式中：v為車輛速度；ig為變速箱傳動比；n為發動機轉速；r為車輪半徑；i0為驅動橋速比。

某重型車輛合理的擋位與對應車速關系如表1所示。

表1 車速-擋位-傳動比對應關系

在車輛正常加速過程中，車速與變速器擋位有相對固定的對應關系[9]。對于不同的擋位，發動機與混合動力系統提供轉矩的分配比例也有所不同；在車輛一般制動過程中，輪邊的制動力相對固定，并不隨擋位的不同而有較大差異。而文中研究的前置式并聯結構，由于混合動力系統在制動時會提供一定的制動力矩，在不同擋位下，因傳動比有較大差異，所以制動力也隨之不同。若使加速踏板、制動踏板分別與驅動轉矩、制動轉矩呈線性對應關系，則變速器在低擋位、高擋位下分別對應的二次元件排量系數會明顯不同，當排量系數較低時，二次元件的能量轉化效率大大減小。為了減小擋位對二次元件效率的影響，引入排量衰減系數：

(2)

由此，二次元件實際提供的轉矩可表示為

Tmax-real=s1×Tmax

(3)

式中：Tmax為二次元件可提供的最大轉矩。

在驅動過程中，二次元件以液壓馬達狀態運行。蓄能器放能結束時可能會產生驅動力驟降。為防止此情況，引入驅動緩沖衰減系數：

(4)

式中：p為當前蓄能器壓力；p1為蓄能器有效壓力；p2為蓄能器緩沖壓力。

若當前蓄能器壓力小于p1，判定為二次元件提供有效轉矩時間過短，為防止由此產生的沖擊，故當前條件下不開啟混合動力模式；為避免蓄能器放能后驅動轉矩驟降而影響整車運行，設定蓄能器壓力小于p2時通過調整二次元件排量來逐步減小液壓混合動力的驅動轉矩。

則液壓馬達實際需求排量為

VP/M-P-req=s2Vmax

(5)

在制動過程中，二次元件反轉變為液壓泵。當泵轉速較低時，會產生一定自泄，其工作效率隨之降低，影響對制動能量的回收。在此對二次元件轉速進行標定：當泵的實際轉速小于標定轉速時，通過調節泵排量，逐步減小混合動力系統的制動，并逐步撤出混合動力系統制動。基于此過程，引入制動緩沖衰減系數：

(6)

式中：n為二次元件轉速；n1為二次元件最低有效轉速；n2為制動緩沖轉速。

為了保證車輛在不同擋位和不同油門踏板或制動踏板百分比下，車輛對應的驅動轉矩或制動轉矩維持在一個相對穩定的范圍，采用恒轉矩控制策略，即：為了盡可能減小混合動力系統對車輛驅動或制動過程的影響，根據傳統車輛在驅動或制動過程中的運行特點，在此采用恒轉矩的控制策略：車輛在不同的擋位和不同的油門、制動踏板百分比狀態，相應的驅動、制動轉矩能夠在一個相對穩定的區間范圍內變化。對于控制系統而言，主要是通過計算需求轉矩、判斷當前蓄能器儲能情況來確定二次元件工作狀態及相應的排量。具體計算公式可表示為

(7)

式中：VP/M-req為二次元件的需求排量；TP/M-req為二次元件的需求轉矩。

在混合動力模式中，除了充分發揮混合動力系統節能的特點外，還需充分考慮車輛行駛平順性，因此在控制系統中引入緩沖策略。

首先，根據當前擋位狀態判斷車輛是否處于前進狀態，然后確定二次元件的排量。

(1)若車輛運行狀態為起動加速，應先判斷蓄能器當前儲能情況。若蓄能器壓力小于緩沖壓力，應計算二次元件在當前車輛擋位下可以輸出的最大轉矩，根據驅動緩沖系數計算出相應二次元件排量；若蓄能器壓力大于緩沖壓力，應結合蓄能器壓力和當前車輛擋位下二次元件可以輸出的最大轉矩，以混合動力系統恒轉矩輸出為目標，實現對車輛恒轉矩驅動控制。

(2)若車輛制動減速，先對液壓泵當前運行狀態進行判定。若處于較低轉速區間或制動踏板百分比較小的輕微制動時，不對制動能量進行回收；若液壓泵轉速小于緩沖轉速時，根據制動緩沖衰減系數、液壓泵轉矩及蓄能器壓力計算出液壓泵的需求排量；若液壓泵轉速大于緩沖轉速，則根據液壓泵轉矩、蓄能器儲能情況計算出液壓泵的需求排量。通過改變二次元件電磁閥的控制電流，實現對其需求排量的控制[10]。

一般車輛的節能效果主要通過測量、計算車輛實際油耗獲得。而對于理論和仿真分析而言，可以計算出其在某段時間內的有效做功，進而評估車輛的節油效果[11]。發動機在某段時間內集中做功可表示為

(8)

式中：ne為發動機轉速；Te為在發動機當前轉速下對應的轉矩。

根據公式(8)，可近似計算出車輛的節油率：

(9)

式中：EHHV為液壓混合動力車輛中發動機的做功；Ee為未配備混合動力系統的原車的發動機做功；η為柴油發動機燃油效率。

而對于實驗樣車來說，其節能效果可通過對比原車油耗與混合動力系統介入車輛運行后的油耗來獲得一個相對準確的節油率[12]。在此引入車輛實際節油率：

(10)

式中：Ccon為原車油耗；CHHV為在液壓混合動力系統輔助下的車輛油耗。

3 控制系統設計與仿真

3.1 控制系統的設計

為了更好地對液壓混合動力車輛節能效果進行評價，在對液壓混合動力系統控制策略進行研究的基礎上，以控制流程為依據，利用MATLAB中的Simulink控制仿真軟件進行建模并搭建相應的采集測試系統。同時，采用dSPACE的MicroAutoBox控制器的相應接口與Simulink相互連接，實現信號的驅動與采集。

整車控制模型框架如圖2所示。模型分為三部分，從左到右依次為：信號采集部分、控制邏輯部分、信號輸出部分。

圖2 整車控制模型框架

信號采集部分主要負責及時采集當前蓄能器壓力、二次元件工況和轉速、傳動軸轉速、制動閥前后壓力、油門百分比、車輛擋位等模擬信號和數字信號，此外還要通過發動機CAN讀取發動機轉速轉矩等信號。

信號輸出部分主要將采集到的信號經控制邏輯部分計算處理后生成相應的信號指令，發送至相應的元器件。

邏輯控制部分主要是對采集到的信號進行模式選擇和狀態選擇，經參數比較計算后輸出到信號輸出部分，其具體模型如圖3所示。

圖3 控制邏輯模型

通過此建立的工況條件和處理規則，判斷系統何時在能量回收、能量釋放、主動充能、輔助制動等主要模式之間進行轉換。車輛擋位計算、二次元件排量和轉矩計算、油門和制動踏板百分比計算及相應信號的處理模型如圖4所示。

圖4 各子模塊的計算和信號處理模型

在此模型中，首先通過耦合器轉速、旋轉方向以及傳動軸的轉速對車輛運行擋位識別，結合油門或制動踏板百分比，計算出當前車輛的需求轉矩，結合蓄能器壓力值，可以得到對應的控制需求排量，最終再反饋至二次元件，輸出相應轉矩。

根據輸入的油門踏板電壓和油門踏板最大、最小電壓的計算，可得到油門踏板百分比。

在實驗車上，通過電壓大小控制車輛節氣門開度進而判斷車輛油門踏板百分比。而制動踏板本身沒有角位移傳感器，實驗車采用氣壓制動，因此可以利用制動系統中壓力的變化來判斷制動百分比的大小[13]。因此在控制策略中制動踏板百分β比可定義為

(11)

式中：pfront為制動閥制動前壓力；pback為制動閥制動后壓力。

閥后氣壓與閥前氣壓的比值和開度呈近似線性比例關系，所以可以采用二者比值作為制動踏板百分比的評價標準。為了驗證該評價標準的可行性，在實驗過程中通過多次踩下、松開制動踏板，采集制動閥前后壓力并計算二者的比值，實驗采集的壓力曲線如圖5所示。可以看出：在多次踩下、松開制動踏板過程中，雖然閥前和閥后壓力的最大值都在下降，但閥后壓力和閥前壓力的比值基本保持不變，因此可以用制動閥前后壓力之比作為制動強度的計算依據。

圖5 實車制動性能測試

3.2 硬件的設計

整個車輛控制系統的流程為：采集相應信號，經放大后進入控制器；然后由控制器內的模型進行運算并輸出；最后將輸出放大并輸出至相應的電磁閥上。整個控制系統如圖6所示，其中MicroAutoBox控制器與傳感器、執行器連接時，要進行相應的信號調整和功率放大，實驗車上采用自制的信號調理板進行0～24 V與0～5 V之間的轉換。

圖6 控制系統框圖

3.3 仿真分析

在混合動力模式的控制策略中，蓄能器的壓力和二次元件的排量會隨車輛運行狀態而發生相應變化。在此，選擇UDDS工況進行仿真，可以得到排量系數、轉矩、壓力等仿真曲線，如圖7所示。可以看出：二次元件能夠迅速地在液壓泵和馬達2種工況之間切換；同時可以為車輛有效地提供制動和驅動轉矩；蓄能器可以滿足車輛行駛需要，及時、有效地回收或釋放能量。

圖7 UDDS工況下液壓混合動力車輛的仿真曲線

通過對液壓混合動力車輛和未配備液壓混合動力的原車分別進行發動機做功仿真，得到的對比曲線如圖8所示。可以看出：液壓混合動力車輛發動機做功明顯降低。在UDDS工況下，原車由發動機獨立驅動行駛下發動機做功230 943 kJ，混合動力系統與發動機聯合驅動做功216 082 kJ。根據公式(9)、按35%的柴油燃燒效率計算，液壓混合動力車輛的節油率為18.39%。

圖8 UDDS工況下2種系統發動機做功曲線

在車輛控制策略中，考慮到混合動力系統介入車輛運行的平順性，設置緩沖壓力、緩沖轉速等，根據控制策略分別對車輛驅動過程和制動過程的緩沖效果進行仿真，其中驅動過程緩沖效果仿真如圖9所示。可知：車輛在8 s的加速過程中，蓄能器釋放能量，驅動液壓馬達的同時壓力逐減至緩沖壓力，排量逐漸衰減；當蓄能器壓力降至最低工作壓力時，二次元件排量降至0，此時二次元件對應的輸出驅動轉矩也為0。通過轉矩曲線可知，在系統設定驅動緩沖衰減系數后，二次元件的輸出轉矩逐漸減小，發動機的輸出驅動轉矩逐漸增加；而未設定驅動緩沖衰減系數時的輸出驅動轉矩會有明顯的突變，在車輛行駛過程中表現為較為明顯的沖擊，對車輛行駛穩定性產生一定影響。

圖9 車輛驅動過程中緩沖效果的轉矩仿真曲線

制動過程緩沖效果仿真如圖10所示。

圖10 車輛制動過程中緩沖效果的轉矩仿真曲線

由圖10可知：采用制動緩沖衰減系數后，二次元件提供的制動轉矩不再以階梯式突降，而是逐漸降低，此時傳統摩擦制動器產生的制動轉矩可以逐漸增大，二者在制動過程中可以有效互補，保證車輛行駛的平順性，而未設定制動緩沖衰減系數時則有較為明顯的突變。

4 實驗分析

為了驗證上述理論分析的準確性，對某廠生產的重型車輛的傳動系統進行改裝，針對節油、緩沖、制動等方面進行實驗。實驗車主要參數如表2所示。

表2 實驗車主要參數

4.1 節油效果實驗

根據實驗場地條件，選擇一段平坦的路面作為實驗段，具體的實驗工況及說明如圖11所示。通過對混合動力車輛和原車(使二次元件之前的離合器始終處于分離狀態，不介入車輛運行)分別進行實驗得到車速、油耗、行駛距離及蓄能器壓力變化曲線，如圖12所示。

圖11 節油效果實驗工況及說明

圖12 車速(a)、油耗(b)、行駛距離(c)及蓄能器 壓力(d)變化曲線

從圖12可以看出：液壓混合動力系統在車輛起步加速和減速階段可以有效地釋放并充分回收制動能。通過兩車對比，液混系統可以使車輛在更短時間內從靜止加速至指定車速，并且在加速過程中更穩定。為了盡可能減小駕駛員操作帶來的誤差，在實驗過程中，同一駕駛員駕駛實驗車在該實驗路段連續進行多次實驗，通過對所測數據的統計和整理，根據公式(10)，計算得到的平均節油率為16%。將實驗結果與仿真進行對比分析，二者之間存在差距的原因有以下幾方面：(1)實驗車由靜止開始加速，當速度達到約26 km/h時，蓄能器壓力降至系統設定的最低釋放壓力，蓄能器儲存的能量全部釋放，完全依靠發動機提供動力，因此混合動力釋放能量驅動行駛區間與整個測試區間相比，占比較小。(2)在該測試工況下制動區間偏少，僅有一個明顯的制動區間，其余階段為勻速或勻加速行駛過程。(3)仿真分析中的節油率是按照柴油35%的燃燒效率計算得到的，根據文獻[14]，柴油燃燒效率一般在30%～40%之間，取不同的燃燒效率得到的節油率會存在一定差異。

4.2 緩沖效果實驗

在實驗過程中，實驗車分別在原車和混合動力系統下由靜止加速至30 km/h，通過陀螺儀測量車輛速度和加速度，實驗結果如圖13所示。

圖13 緩沖效果實驗過程中速度(a)和加速度 (b)曲線

在加速過程中車輛進行了2次換擋，從圖13可以看出：混合動力車輛的加速度高于原車，因混合動力系統介入車輛運行所產生的加速度差值最大為0.057 m/s2，可以使車輛在更短的時間內達到目標速度，對車輛平順性未造成明顯沖擊，符合仿真結果。

4.3 制動性能實驗

在控制策略中，針對車輛長距離下坡行駛中提供輔助制動力的工況，設計了相應制動控制模式，并根據蓄能器壓力和制動踏板操作，采用恒轉矩控制策略對二次元件進行相應的控制。由于測試工況條件所限，無法在長距離下坡路面進行實驗，所以通過對比實驗車在單獨由液壓混合動力系統提供制動和僅依靠地面摩擦(即空擋滑行)2種工況下的車輛行駛狀態來驗證混合動力系統的輔助制動效果。首先將車輛加速至30 km/h，此時蓄能器能量已完全釋放，然后依次按上述方法使車輛減至目標車速，對比2種工況的時間，如圖14所示。可知：由于液壓混合動力系統為車輛提供了一定輔助制動轉矩，相比于僅依靠地面摩擦制動的空擋滑行過程，混合動力系統可以在更短時間內使車速降低。實驗車在空擋滑行下進行多次實驗，通過多次測量得到的車輛減速度均值為0.07 m/s2。在相同測試路段，液壓混合動力車輛介入運行，經多次實驗，車輛減速度均值為0.24 m/s2。由此可以看出，在長距離下坡行程中，液壓混合動力系統可以充分發揮制動效果。

同時，從圖14中也可以看出：在引入制動緩沖系數后，混合動力車輛減速過程的速度曲線與空擋滑行相比更趨于線性，駕乘感受到的頓挫感更小。

綜合上述實驗結果可知：在車輛加減速過程中，液壓混合動力系統可以充分回收、儲存和利用車輛制動能；在車輛控制策略中引入的一系列緩沖系數對車輛行駛平順性作用明顯，在一定程度上可有效減輕混合動力系統介入或分離車輛運行所帶來的沖擊；液壓混合動力系統在長下坡工況時輔助制動效果較為顯著，可在更短的時間內使車輛降低至目標速度。

5 結束語

(1)在重型車輛上應用前置式并聯液壓混合動力系統的結構，節油效果明顯。

(2)在控制策略中引入緩沖系數，在MATLAB/Simulink中建立相應的控制策略和控制模型，有效降低二次元件與內燃機動力銜接所產生的沖擊。

(3)通過進行節油、緩沖、制動等實驗，對車輛控制策略模型及其結論進行了驗證。實驗結果表明：車輛平均節油率16%，在該控制策略下可以使車輛在更短的時間內達到目標速度，并且不會對車輛制動平順性產生明顯沖擊；液壓混合動力系統可以充分發揮輔助制動的效果。