前置式并联液压混合动力车辆控制系统研究

2023-08-17董晗金鑫李明达冀秉魁姚雪萍蔡晓龙徐广斌

机床与液压 2023年14期

董晗，金鑫，李明达，冀秉魁，姚雪萍，蔡晓龙，徐广斌

(长春工程学院汽车工程学院，吉林长春 130012)

0 前言

液压混合动力技术作为汽车节能技术之一，具有功率密度大、储能元件能量转化效率高、节能效果明显、生产制造成本较低等优点，近年来被越来越多的人和科研院所关注。国内许多高校和企业都对液压混合动力技术进行了深入研究。其中，高校研究所等科研机构主要采用实验台架的方式验证相应的数学推导和理论模型；而徐工集团、山河智能等工程机械生产企业则通过将液压混合动力技术应用在工程机械的行走和工作装置中，以实际工程应用来验证节能效果[1-2]。

液压混合动力车辆根据结构的不同可划分为3种：串联、并联以及由串并联组合的混联。目前在城市公交、工程机械等重型车辆上较多采用的是并联式结构。本文作者以前置式并联液压混合动力车辆为研究对象，分析、制定了车辆的控制策略和流程，基于MATLAB/Simulink和dSPACE控制器，建立车辆控制系统，进行仿真分析，并在实验车上对相应的控制系统和车辆各类性能进行测试[3]。

1 前置式并联液压混合动力车辆工作原理及组成

液压混合动力技术利用二次元件液压泵/马达四象限的工作特性，通过调整过零点方向和斜盘摆角，实现机械能与液压能之间相互转换。并联式液压混合动力车辆包括2种动力源：传统内燃机与液压混合动力。当车辆制动减速时，二次元件以液压泵状态工作，将来自驱动桥的机械动能转化为流体压力势能存储在液压蓄能器中；当车辆起步加速时，二次元件转换为液压马达状态工作，通过转矩耦合器实现对发动机动力和液压混合动力的汇聚，将动力传至驱动桥，进而驱动车辆前进[4-5]。

传统并联式结构是将转矩耦合器置于变速器之后，根据二者位置关系，可称之为后置结构。而文中研究的结构特点是在发动机和变速器之间增加转矩耦合器，因此称为前置式并联结构，如图1所示。

图1 前置式并联液压混合动力车辆结构

前置式并联结构的优点是二次元件转速的变化区间与发动机转速变化范围相近，使二次元件更多地在效率较高的区域运行，从而减少了因低效运行产生的不必要能耗；前置式并联结构可通过改变变速器速比进而提高二次元件的输出转矩，特别是对于重型车辆来说，可有效改善车辆的动力性能和制动性能。但前置式结构也存在一定问题，液压混合动力系统与其作用在车轮上的转矩，会因挡位不同而有一定差异。同时，在换挡过程中，液压混合动力系统的介入由二次元件前的离合器控制，其接合或分离的瞬间所产生的转矩波动对车辆的运行会有一定影响。因此，必须在控制策略中考虑换挡的问题[6]。

2 车辆的工作模式和控制策略

2.1 液压混合动力系统要实现的功能和目标

对于在重型车辆上应用的液压混合动力系统而言，需要实现以下功能和目标[7]：

(1)在正常道路下行驶的性能要求；

(2)在有坡度的路段辅助车辆爬坡行驶；

(3)在制动过程中辅助摩擦制动器提供制动力矩，使车辆减速；

(4)车辆在行驶过程中对换挡的平顺性要求。

针对上述功能和目标，结合车辆日常驾驶习惯，液压混合动力系统应具有3种工作模式：

(1)混合动力模式。该模式为主要工作模式，正常路况下，车辆在制动减速、起动加速过程中实现对能量的回收和再利用，降低油耗的同时提高车辆的制动和动力性能。

(2)主动充能模式。在车辆怠速或车辆爬坡前的行驶过程中，主动对尚未充满的蓄能器进行充能。其中，在车辆怠速时，车辆无需挂挡，二次元件以液压泵状态运行，离合器接合，使发动机产生的动力通过转矩耦合器、液压泵对蓄能器进行主动充能；在车辆带挡前进时，根据当前挡位和控制系统对二次元件的排量、蓄能器压力进行判定，在车辆正常行驶的前提下，由发动机冗余动力对蓄能器进行主动充能。

(3)辅助制动模式。当车辆油门踏板没有动作且车速不断增加时，认为车辆处于下坡行驶过程。控制器对蓄能器储能状态进行判断，若此时蓄能器尚未充满能量，则液压混合动力系统提供一定制动转矩，将车辆部分动能存储在蓄能器中。

2.2 混合动力模式

为了保证车辆行驶的平顺性，尽可能减少混合动力系统对车辆正常制动的影响，混合动力采取基于对应踏板角度和车辆挡位的恒定转矩控制策略，即：车辆在当前车速和对应挡位下，制动踏板或油门踏板处于某个固定角度，由控制器处理可得到当前状态下二次元件的转矩需求，结合蓄能器储能压力，可得到与之对应的二次元件排量，通过控制排量，从而使二次元件的转矩维持在一个稳定区间[8]。

在驱动过程中，变速器挡位取决于发动机转速和车辆实际车速，三者之间的关系如下：

(1)

式中：v为车辆速度；ig为变速箱传动比；n为发动机转速；r为车轮半径；i0为驱动桥速比。

某重型车辆合理的挡位与对应车速关系如表1所示。

表1 车速-挡位-传动比对应关系

在车辆正常加速过程中，车速与变速器挡位有相对固定的对应关系[9]。对于不同的挡位，发动机与混合动力系统提供转矩的分配比例也有所不同；在车辆一般制动过程中，轮边的制动力相对固定，并不随挡位的不同而有较大差异。而文中研究的前置式并联结构，由于混合动力系统在制动时会提供一定的制动力矩，在不同挡位下，因传动比有较大差异，所以制动力也随之不同。若使加速踏板、制动踏板分别与驱动转矩、制动转矩呈线性对应关系，则变速器在低挡位、高挡位下分别对应的二次元件排量系数会明显不同，当排量系数较低时，二次元件的能量转化效率大大减小。为了减小挡位对二次元件效率的影响，引入排量衰减系数：

(2)

由此，二次元件实际提供的转矩可表示为

Tmax-real=s1×Tmax

(3)

式中：Tmax为二次元件可提供的最大转矩。

在驱动过程中，二次元件以液压马达状态运行。蓄能器放能结束时可能会产生驱动力骤降。为防止此情况，引入驱动缓冲衰减系数：

(4)

式中：p为当前蓄能器压力；p1为蓄能器有效压力；p2为蓄能器缓冲压力。

若当前蓄能器压力小于p1，判定为二次元件提供有效转矩时间过短，为防止由此产生的冲击，故当前条件下不开启混合动力模式；为避免蓄能器放能后驱动转矩骤降而影响整车运行，设定蓄能器压力小于p2时通过调整二次元件排量来逐步减小液压混合动力的驱动转矩。

则液压马达实际需求排量为

VP/M-P-req=s2Vmax

(5)

在制动过程中，二次元件反转变为液压泵。当泵转速较低时，会产生一定自泄，其工作效率随之降低，影响对制动能量的回收。在此对二次元件转速进行标定：当泵的实际转速小于标定转速时，通过调节泵排量，逐步减小混合动力系统的制动，并逐步撤出混合动力系统制动。基于此过程，引入制动缓冲衰减系数：

(6)

式中：n为二次元件转速；n1为二次元件最低有效转速；n2为制动缓冲转速。

为了保证车辆在不同挡位和不同油门踏板或制动踏板百分比下，车辆对应的驱动转矩或制动转矩维持在一个相对稳定的范围，采用恒转矩控制策略，即：为了尽可能减小混合动力系统对车辆驱动或制动过程的影响，根据传统车辆在驱动或制动过程中的运行特点，在此采用恒转矩的控制策略：车辆在不同的挡位和不同的油门、制动踏板百分比状态，相应的驱动、制动转矩能够在一个相对稳定的区间范围内变化。对于控制系统而言，主要是通过计算需求转矩、判断当前蓄能器储能情况来确定二次元件工作状态及相应的排量。具体计算公式可表示为

(7)

式中：VP/M-req为二次元件的需求排量；TP/M-req为二次元件的需求转矩。

在混合动力模式中，除了充分发挥混合动力系统节能的特点外，还需充分考虑车辆行驶平顺性，因此在控制系统中引入缓冲策略。

首先，根据当前挡位状态判断车辆是否处于前进状态，然后确定二次元件的排量。

(1)若车辆运行状态为起动加速，应先判断蓄能器当前储能情况。若蓄能器压力小于缓冲压力，应计算二次元件在当前车辆挡位下可以输出的最大转矩，根据驱动缓冲系数计算出相应二次元件排量；若蓄能器压力大于缓冲压力，应结合蓄能器压力和当前车辆挡位下二次元件可以输出的最大转矩，以混合动力系统恒转矩输出为目标，实现对车辆恒转矩驱动控制。

(2)若车辆制动减速，先对液压泵当前运行状态进行判定。若处于较低转速区间或制动踏板百分比较小的轻微制动时，不对制动能量进行回收；若液压泵转速小于缓冲转速时，根据制动缓冲衰减系数、液压泵转矩及蓄能器压力计算出液压泵的需求排量；若液压泵转速大于缓冲转速，则根据液压泵转矩、蓄能器储能情况计算出液压泵的需求排量。通过改变二次元件电磁阀的控制电流，实现对其需求排量的控制[10]。

一般车辆的节能效果主要通过测量、计算车辆实际油耗获得。而对于理论和仿真分析而言，可以计算出其在某段时间内的有效做功，进而评估车辆的节油效果[11]。发动机在某段时间内集中做功可表示为

(8)

式中：ne为发动机转速；Te为在发动机当前转速下对应的转矩。

根据公式(8)，可近似计算出车辆的节油率：

(9)

式中：EHHV为液压混合动力车辆中发动机的做功；Ee为未配备混合动力系统的原车的发动机做功；η为柴油发动机燃油效率。

而对于实验样车来说，其节能效果可通过对比原车油耗与混合动力系统介入车辆运行后的油耗来获得一个相对准确的节油率[12]。在此引入车辆实际节油率：

(10)

式中：Ccon为原车油耗；CHHV为在液压混合动力系统辅助下的车辆油耗。

3 控制系统设计与仿真

3.1 控制系统的设计

为了更好地对液压混合动力车辆节能效果进行评价，在对液压混合动力系统控制策略进行研究的基础上，以控制流程为依据，利用MATLAB中的Simulink控制仿真软件进行建模并搭建相应的采集测试系统。同时，采用dSPACE的MicroAutoBox控制器的相应接口与Simulink相互连接，实现信号的驱动与采集。

整车控制模型框架如图2所示。模型分为三部分，从左到右依次为：信号采集部分、控制逻辑部分、信号输出部分。

图2 整车控制模型框架

信号采集部分主要负责及时采集当前蓄能器压力、二次元件工况和转速、传动轴转速、制动阀前后压力、油门百分比、车辆挡位等模拟信号和数字信号，此外还要通过发动机CAN读取发动机转速转矩等信号。

信号输出部分主要将采集到的信号经控制逻辑部分计算处理后生成相应的信号指令，发送至相应的元器件。

逻辑控制部分主要是对采集到的信号进行模式选择和状态选择，经参数比较计算后输出到信号输出部分，其具体模型如图3所示。

图3 控制逻辑模型

通过此建立的工况条件和处理规则，判断系统何时在能量回收、能量释放、主动充能、辅助制动等主要模式之间进行转换。车辆挡位计算、二次元件排量和转矩计算、油门和制动踏板百分比计算及相应信号的处理模型如图4所示。

图4 各子模块的计算和信号处理模型

在此模型中，首先通过耦合器转速、旋转方向以及传动轴的转速对车辆运行挡位识别，结合油门或制动踏板百分比，计算出当前车辆的需求转矩，结合蓄能器压力值，可以得到对应的控制需求排量，最终再反馈至二次元件，输出相应转矩。

根据输入的油门踏板电压和油门踏板最大、最小电压的计算，可得到油门踏板百分比。

在实验车上，通过电压大小控制车辆节气门开度进而判断车辆油门踏板百分比。而制动踏板本身没有角位移传感器，实验车采用气压制动，因此可以利用制动系统中压力的变化来判断制动百分比的大小[13]。因此在控制策略中制动踏板百分β比可定义为

(11)

式中：pfront为制动阀制动前压力；pback为制动阀制动后压力。

阀后气压与阀前气压的比值和开度呈近似线性比例关系，所以可以采用二者比值作为制动踏板百分比的评价标准。为了验证该评价标准的可行性，在实验过程中通过多次踩下、松开制动踏板，采集制动阀前后压力并计算二者的比值，实验采集的压力曲线如图5所示。可以看出：在多次踩下、松开制动踏板过程中，虽然阀前和阀后压力的最大值都在下降，但阀后压力和阀前压力的比值基本保持不变，因此可以用制动阀前后压力之比作为制动强度的计算依据。

图5 实车制动性能测试

3.2 硬件的设计

整个车辆控制系统的流程为：采集相应信号，经放大后进入控制器；然后由控制器内的模型进行运算并输出；最后将输出放大并输出至相应的电磁阀上。整个控制系统如图6所示，其中MicroAutoBox控制器与传感器、执行器连接时，要进行相应的信号调整和功率放大，实验车上采用自制的信号调理板进行0～24 V与0～5 V之间的转换。

图6 控制系统框图

3.3 仿真分析

在混合动力模式的控制策略中，蓄能器的压力和二次元件的排量会随车辆运行状态而发生相应变化。在此，选择UDDS工况进行仿真，可以得到排量系数、转矩、压力等仿真曲线，如图7所示。可以看出：二次元件能够迅速地在液压泵和马达2种工况之间切换；同时可以为车辆有效地提供制动和驱动转矩；蓄能器可以满足车辆行驶需要，及时、有效地回收或释放能量。

图7 UDDS工况下液压混合动力车辆的仿真曲线

通过对液压混合动力车辆和未配备液压混合动力的原车分别进行发动机做功仿真，得到的对比曲线如图8所示。可以看出：液压混合动力车辆发动机做功明显降低。在UDDS工况下，原车由发动机独立驱动行驶下发动机做功230 943 kJ，混合动力系统与发动机联合驱动做功216 082 kJ。根据公式(9)、按35%的柴油燃烧效率计算，液压混合动力车辆的节油率为18.39%。

图8 UDDS工况下2种系统发动机做功曲线

在车辆控制策略中，考虑到混合动力系统介入车辆运行的平顺性，设置缓冲压力、缓冲转速等，根据控制策略分别对车辆驱动过程和制动过程的缓冲效果进行仿真，其中驱动过程缓冲效果仿真如图9所示。可知：车辆在8 s的加速过程中，蓄能器释放能量，驱动液压马达的同时压力逐减至缓冲压力，排量逐渐衰减；当蓄能器压力降至最低工作压力时，二次元件排量降至0，此时二次元件对应的输出驱动转矩也为0。通过转矩曲线可知，在系统设定驱动缓冲衰减系数后，二次元件的输出转矩逐渐减小，发动机的输出驱动转矩逐渐增加；而未设定驱动缓冲衰减系数时的输出驱动转矩会有明显的突变，在车辆行驶过程中表现为较为明显的冲击，对车辆行驶稳定性产生一定影响。

图9 车辆驱动过程中缓冲效果的转矩仿真曲线

制动过程缓冲效果仿真如图10所示。

图10 车辆制动过程中缓冲效果的转矩仿真曲线

由图10可知：采用制动缓冲衰减系数后，二次元件提供的制动转矩不再以阶梯式突降，而是逐渐降低，此时传统摩擦制动器产生的制动转矩可以逐渐增大，二者在制动过程中可以有效互补，保证车辆行驶的平顺性，而未设定制动缓冲衰减系数时则有较为明显的突变。

4 实验分析

为了验证上述理论分析的准确性，对某厂生产的重型车辆的传动系统进行改装，针对节油、缓冲、制动等方面进行实验。实验车主要参数如表2所示。

表2 实验车主要参数

4.1 节油效果实验

根据实验场地条件，选择一段平坦的路面作为实验段，具体的实验工况及说明如图11所示。通过对混合动力车辆和原车(使二次元件之前的离合器始终处于分离状态，不介入车辆运行)分别进行实验得到车速、油耗、行驶距离及蓄能器压力变化曲线，如图12所示。

图11 节油效果实验工况及说明

图12 车速(a)、油耗(b)、行驶距离(c)及蓄能器压力(d)变化曲线

从图12可以看出：液压混合动力系统在车辆起步加速和减速阶段可以有效地释放并充分回收制动能。通过两车对比，液混系统可以使车辆在更短时间内从静止加速至指定车速，并且在加速过程中更稳定。为了尽可能减小驾驶员操作带来的误差，在实验过程中，同一驾驶员驾驶实验车在该实验路段连续进行多次实验，通过对所测数据的统计和整理，根据公式(10)，计算得到的平均节油率为16%。将实验结果与仿真进行对比分析，二者之间存在差距的原因有以下几方面：(1)实验车由静止开始加速，当速度达到约26 km/h时，蓄能器压力降至系统设定的最低释放压力，蓄能器储存的能量全部释放，完全依靠发动机提供动力，因此混合动力释放能量驱动行驶区间与整个测试区间相比，占比较小。(2)在该测试工况下制动区间偏少，仅有一个明显的制动区间，其余阶段为匀速或匀加速行驶过程。(3)仿真分析中的节油率是按照柴油35%的燃烧效率计算得到的，根据文献[14]，柴油燃烧效率一般在30%～40%之间，取不同的燃烧效率得到的节油率会存在一定差异。

4.2 缓冲效果实验

在实验过程中，实验车分别在原车和混合动力系统下由静止加速至30 km/h，通过陀螺仪测量车辆速度和加速度，实验结果如图13所示。

图13 缓冲效果实验过程中速度(a)和加速度 (b)曲线

在加速过程中车辆进行了2次换挡，从图13可以看出：混合动力车辆的加速度高于原车，因混合动力系统介入车辆运行所产生的加速度差值最大为0.057 m/s2，可以使车辆在更短的时间内达到目标速度，对车辆平顺性未造成明显冲击，符合仿真结果。

4.3 制动性能实验

在控制策略中，针对车辆长距离下坡行驶中提供辅助制动力的工况，设计了相应制动控制模式，并根据蓄能器压力和制动踏板操作，采用恒转矩控制策略对二次元件进行相应的控制。由于测试工况条件所限，无法在长距离下坡路面进行实验，所以通过对比实验车在单独由液压混合动力系统提供制动和仅依靠地面摩擦(即空挡滑行)2种工况下的车辆行驶状态来验证混合动力系统的辅助制动效果。首先将车辆加速至30 km/h，此时蓄能器能量已完全释放，然后依次按上述方法使车辆减至目标车速，对比2种工况的时间，如图14所示。可知：由于液压混合动力系统为车辆提供了一定辅助制动转矩，相比于仅依靠地面摩擦制动的空挡滑行过程，混合动力系统可以在更短时间内使车速降低。实验车在空挡滑行下进行多次实验，通过多次测量得到的车辆减速度均值为0.07 m/s2。在相同测试路段，液压混合动力车辆介入运行，经多次实验，车辆减速度均值为0.24 m/s2。由此可以看出，在长距离下坡行程中，液压混合动力系统可以充分发挥制动效果。

同时，从图14中也可以看出：在引入制动缓冲系数后，混合动力车辆减速过程的速度曲线与空挡滑行相比更趋于线性，驾乘感受到的顿挫感更小。

综合上述实验结果可知：在车辆加减速过程中，液压混合动力系统可以充分回收、储存和利用车辆制动能；在车辆控制策略中引入的一系列缓冲系数对车辆行驶平顺性作用明显，在一定程度上可有效减轻混合动力系统介入或分离车辆运行所带来的冲击；液压混合动力系统在长下坡工况时辅助制动效果较为显著，可在更短的时间内使车辆降低至目标速度。