某电控液驱混合动力车辆多驱动模式试验研究

2021-06-04田静何晓晖李峰朱晓基

汽车实用技术 2021年10期

田静，何晓晖，李峰，朱晓基*

（1.陆军试验训练基地第四试验训练区作战支援试验大队，北京 100071；2.陆军工程大学野战工程学院机电教研中心，江苏南京 210007）

引言

混合动力汽车以节能和环保为核心，是当前汽车行业发展的研究热点，对混合动力技术的研究推动了车辆工程的发展[1-4]。电控液驱车辆是其驱动方式与传统机械传动车辆的驱动不同，通过液压驱动方式驱动，其驱动时的策略也区别于机械传动的车辆。刘春光[5]等人对混合动力车辆机组的速度控制策略进行了研究，提出了准滑动模态方法进行控制。张涛[6]等人对混合动力车辆的能量回收系统进行了研究，通过仿真与试验，研究了蓄能器参数设置在能量回收中的影响。陈有权[7]等人通过AMESim建立的仿真模型针对囊式液压蓄能器的主要参数对混合动力系统性能的影响进行了研究，为液压混合动力车辆的节能研究打下了坚实的基础。

针对混合动力的车辆研究集中于制动与能量管理策略，而驱动方式也是一种十分重要的工况。电控液驱车辆驱动时由于液压系统的特点，可以分为蓄能器单独驱动、发动机单独驱动和混合驱动方式，不同驱动方式的结合使用对于能量的回收利用和车辆的性能发挥有十分重要的影响。因此本文结合电控液驱车辆的特点来研究不同驱动方式下的车辆参数变化情况，这对于整车的控制策略研究具有十分重要的意义。

1 电控液驱车辆的介绍

电控液驱混合动力车辆是在液压混合动力技术的基础上研发的轮边式电控液驱混合动力车辆，其目的在于车辆的机动性和越野性能，同时依靠混合动力的有效提高车辆的燃油经济性。本文中的电控液驱混合动力车辆的总体方案原理如图1所示。

图1 电控液驱混合动力车辆总体方案原理图

电控液驱混合动力车辆中的液压泵通过联轴器与作为主动力源的发动机相连，液压泵的输出端通过液压管路与轮边液压马达相连，每个液压马达能够单独驱动一个车轮，轮边液压马达带有鼓式制动器，液压泵与作为辅助动力源的液压蓄能器并联，通过液压阀和相关控制系统调节排量与压力等。液压马达驱动车辆运动时工作于泵工况，在回收制动能量时以马达工况工作，通过电控单元控制输出信号和监控整个车辆的物理信号状态及行驶状况等功能。

2 试验台架的搭建

根据电控液驱混合动力车辆液压回路的结构图，搭建1/4车辆模型，试验台架的局部液压回路如图2所示。通过搭建的1/4车辆的液压试验台架，可以对液压系统的控制进行相应的研究，通过试验软件可以设置试验的项目，包括蓄能器冲压试验、蓄能器单独驱动试验、电机与蓄能器共同驱动试验、制动能量回收试验和自设试验等，通过台架试验可以研究不同驱动方式下的车辆的稳定性参数变化情况，包括液压系统的压力、转矩、液压泵与液压马达的转速的关系研究等试验研究，通过台架试验的研究对整车的设计具有重要的指导意义。试验台架的整体实物图如图3所示。

图2 试验台架液压回路图

图3 台架整体实物图

试验台架中以电机为动力源带动液压泵转动，液压泵通过液压系统带动液压马达，液压系统中的各个部件之间满足相应的参数匹配。其中，磁粉制动器通过模拟1/4汽车行驶过程中受到的转矩、阻力；惯性飞轮模拟1/4汽车的转动惯性；蓄能器是电控液驱车中的辅助元件，具有储存能量、回收制动能量和驱动液压马达的作用[8]。试验台架的内部的实物图与控制界面如图4所示。

图4 试验台架实物与控制界面图

试验台架通过综合控制系统软件界面可以对相关参数进行设置，包括液压回路中的压力、电机转速、液压泵的转速、液压泵与液压马达的排量，还可以根据试验目的选择相关的试验内容，进行液压系统的相关试验研究。

3 试验研究

3.1 电机单独驱动

通过电机为动力源带动液压泵进行单独驱动试验，试验过程中液压泵与液压马达的排量不变，负载大小不变，液压回路中无蓄能器连接。试验设置在一定液压泵转速下驱动液压马达达到一定的转速，并保持一段时间后使液压马达自然停止。通过设置不同的电机的转速（450～780rpm），研究不同液压泵的转速下对应的液压马达转速的变化规律，通过图5的液压马达转速图可以看出，在不同的液压泵转速输入下，液压马达的转速的增长速度保持一致，且在达到最大速度后能够稳定的维持。

图5 不同转速电机驱动下的液压马达转速变化图

图6 液压泵转速变化图

图7 液压泵转矩变化图

图8 液压泵与液压马达的转速对应图线

由图6中液压泵的转速变化曲线来看，液压泵的转速变化迅速而稳定，不同目标转速下的液压泵的转速提升速率是相同的，液压泵转速达到目标转速后，能够较好地维持在目标转速附近，对于液压泵的控制具有重要意义。通过液压泵的转矩图7可以看出，液压泵的转矩主要影响液压马达的加速度大小，且液压泵的转矩迅速变化到一定值后保持稳定输出。

将液压泵与液压马达的转速变化进行数据拟合，得到液压泵与液压马达之间的转速关系变化如图8所示，由图可以看出，液压泵与液压马达在排量一定时，其转速对应能够保持良好的线性关系，对液压马达转速的稳定性控制有重要的作用。

3.2 蓄能器单独驱动

通过软件设置对蓄能器进行充能，然后采用蓄能器为动力源，驱动液压马达转动，得到不同蓄能器充能效果下驱动液压马达转速的变化如图9所示，由图可以看出蓄能器作为动力源驱动时，不同的充能效果下对液压马达的驱动速度的影响，由曲线中液压马达转速的斜率可以推断，蓄能器驱动时的液压马达加速度是一致的，说明蓄能器对液压马达的驱动加速度是稳定的，不受充能多少的影响，蓄能器的充能含量只影响驱动时液压马达达到的最高转速。将图9中的液压蓄能器驱动液压马达转速变化与电机单独驱动时的液压马达的转速变化进行对比，可以得出蓄能器单独驱动时液压马达从0加速到120rpm时所需时间为2.35s，而电机单独驱动时液压马达从0加速到120rpm时所需时间为3.74s，蓄能器单独驱动时液压马达获得的加速度更大，加速性能更好，这为车辆的加速控制策略的确定提供了重要依据。

图9 不同蓄能器充能状态下驱动液压马达的转速变化图

3.3 蓄能器电机混合驱动试验研究

蓄能器的连接使得液压回路中的稳定性有一定程度的提高，能够缓和液压冲击，存储能量，但因为蓄能器的储存与释放能量随着液压系统的参数变化呈现不确定性，因此通过试验台架研究车辆启动时蓄能器在液压回路中对液压马达转速的影响具有十分重要的意义，试验设置液压回路驱动时有蓄能器连接，设置液压泵的转速分别为 350rpm，450rpm，550rpm，650rpm和750rpm，得到液压马达的转速变化如图10所示。

从图10可以看出，混合驱动模式下的液压马达的转速峰值较稳定时的速度要大，但由于液压蓄能器的容量限制，转速峰值维持时间较短。蓄能器在液压回路驱动时会存储多余的能量，在液压管路中的压力降低时释放能量，使得液压马达的转速高于稳定时的转速，增大的转速由蓄能器所存储的能量多少决定。在混合驱动模式下的液压马达从 0加速到120rpm时所需时间为 3.31s，优于电机单独驱动模式，较蓄能器单独驱动模式下所需时间更多。在电控液驱混合动力车辆中的蓄能器控制是十分重要的，对车辆的转速的稳定性控制具有一定的影响，结合蓄能器的能量与驾驶员意图建立合理的控制策略具有重要意义。