载电液驱车辆动力参数匹配与控制策略分析

文章编号： 1006-9798（2024）03-0058-10； DOI： 10.13306/j.1006-9798.2024.03.009

摘要： 为了降低电机峰值扭矩，提高车辆在频繁启停时的动态性能，建立一种具备多模式切换和制动能量回收功能的载电液驱车辆模型。根据车辆的基本工作原理和模式，完成了动力传动系统的参数匹配，设计了一种基于规则的动态优化能量管理策略，实现能量分配控制和工作模式的实时切换。利用AMESim和Simulink软件对该模型进行建模，并在认证的FTP75和WLTC循环工况下进行联合仿真。仿真结果显示，与同等配置的纯电动汽车相比，载电液驱车辆在FTP75工况下的电池消耗率降低了6.2%。

关键词： 电动汽车； 液压传动； 性能改善； 联合仿真

中图分类号： U469.7文献标识码： A

在双碳目标和节能环保的双重压力下，推广纯电动汽车已成为必然。但纯电动汽车动力传动技术仍需解决里程焦虑和适应性差的问题[1-3]。混合动力汽车在提高系统动力性和经济性方面发挥了重要作用[4-5]。研究表明，液压系统的应用可以有效降低车辆能耗。串联液压混合动力系统通过优化液压部件尺寸，提高了37%的燃油效率[6-7]。Ji在北京市的驾驶条件下研究了配备功率分流无级变速器的串并联液压混合动力汽车，结果显示其燃油消耗减少了16 .4%[8]。Liu针对机电液动力耦合电动车，设计了一种基于高压蓄能器和BRV行驶状态参数的控制策略，大大降低了电机的峰值功率，使电池能耗降低了17.32%[9]。用液压再生制动代替摩擦制动，并将回收的液压能耦合在泵入口处辅助加速，使得蓄电池轨道车辆的能量回收效率达到50%以上[10]。Jia研究了一种具有多种驱动模式和能量再生制动模式的新型电液动力耦合车辆，建立了以蓄电池荷电状态最大和速度误差最小为目标的优化模型，并使用最优拉丁超立方设计选择设计变量[11]。通过田口法优化电液比和转速阈值能提升车辆加速性能和能量回收效率[12]。在能量管理策略方面，杨健提出了一种电液动力耦合传动技术，并设计了基于模糊逻辑控制的最优能量管理策略，使电能消耗率在NEDC和UDDS循环中分别降低了14%和21%[13-14]。Hong针对电液混合动力汽车，结合基于规则与深度强化学习的控制策略，优化电液功率分配比，使电能消耗率在NEDC循环中降低了15.9%，在WLTC循环中降低了18.3%[15]。双深度Q神经网络（DDQN）能量管理策略，实现了车辆工作模式之间的最佳切换，并降低了电能消耗率[16]。尽管对混合动力汽车进行了大量研究，目前还没有同时考虑电池寿命和电机峰值扭矩的高度复杂电液混合动力汽车动力系统的研究，本文提出了一种载电液驱动车辆模型，进行车辆动力传动系统参数匹配，设计了基于规则的动态优化能量管理策略。联合仿真实验的实验结果验证了电液驱动车辆在能量管理方面的优势。

1载电液驱车辆结构和工作模式

1.1动力传动系统结构

提出的载电液驱车辆动力系统架构如图1所示，主要包括变量柱塞液压泵、高压蓄能器、低压蓄能器、变量柱塞液压泵/马达（马达在泵模式下亦可工作，实现四象限运行），车辆控制单元、功率转换器、动力电池、电机、溢流阀、传动系统、减速器、差速器、车桥、制动器和车载电路部件。

动力电池通过功率转换器与驱动液压泵的电机相连，是混合动力汽车的主要能源，因此，电机与车轮的动力需求解耦，能够屏蔽负载波动带来的电流冲击，使电机在更高效的区域运行。电机为液压泵提供动力，保持系统压力在预定范围内。液压泵/马达输出的机械动力经过传动系统、主减速器和差速器传递到驱动桥，驱动车辆行进。车辆制动时，液压泵/马达将制动能（惯性能）以液压能形式回收到蓄能器中，提升载电液驱车辆的能量回收效率。

液压动力的引入显著降低了电机的峰值功率需求，从而实现了再生制动，提高了整体能效并减少了排放。与传统车辆相比，载电液驱车辆的动力传动系统布局更加灵活。由于驾驶室可以完全密闭，驾驶过程中无需考虑绝缘问题，因此载电液驱车辆特别适合在水下和其他恶劣环境中使用。这种设计不仅在能效和排放方面具有显著优势，而且在多种复杂环境下也能保持卓越的性能和可靠性。

1.2载电液驱车辆基本工作模式

载电液驱车辆具备驻车、启动、行进、爬坡、制动和倒车等6种基本工作模式，且能根据车辆的结构功能和不同工况需求进行了衍生。具体包括液压蓄能器液压启动、液压泵液压启动、复合启动、液压泵给蓄能器充能（液压蓄能器通常能够在70%的能量水平上运行）、液压能再生制动、复合再生制动（在制动需求较高时，同时回收制动能转化为液压能）、机械制动（ABS制动，不涉及液压动力）、蓄能器液压倒车以及液压泵液压倒车等工作模式，覆盖了动力电池、电机、液压蓄能器、液压马达、液压泵与车辆负载之间的动力和能量转换过程，通过相互结合，满足车辆在不同工况下的需求。

1）驻车模式。该模式的工作原理详见图2，载电液驱车辆使用中央制动器和液压马达锁止车辆。当检测到高压蓄能器能量状态不理想时，电机启动液压泵向高压蓄能器充能，液压油从低压蓄能器流向高压蓄能器。否则，所有组件都处于关闭状态。

2）复合启动模式。该模式的工作原理见图3，车辆需要进行高扭矩迅速启动时，仅依靠高压蓄能器提供的能量可能导致能量迅速释放而压力下降，无法满足启动需求。为了维持车辆在高压状态下进行启动，电机和液压泵同时供能。低压油从液压马达和低压蓄能器出口进入液压泵入口，而高压油则从液压泵出口和高压蓄能器出口流入液压马达入口。液压马达输出的机械能通过传动轴、主减速器和差速器传递给驱动桥，从而驱动车轮，实现车辆快速起步加速。

3）行进模式。该模式的工作原理见图4，车辆正常行驶过程中，高压蓄能器储存的能量受限，难以长时间持续提供能量。为确保连续供应液压动力，高压蓄能器和低压蓄能器将被关闭，而动力电池将为驱动电机提供电力。在离合器结合的情况下，电机驱动液压泵将高压油输出至液压马达，推动车辆前进。此时，液压油在液压泵和液压马达之间形成独立环流，从液压马达出口返回液压泵入口，再从液压泵出口返回液压马达入口。

4）复合再生制动模式。该模式的工作原理见图5，在制动强度较大的情况下，车辆的制动能量可以回收并转化为液压能。液压马达在车轴的驱动下以液压泵模式运行，此时斜盘倾角反向，液压油从低压蓄能器流经液压马达进入高压蓄能器，实现了制动能量的再生和储存。

5）储能器液压倒车模式。该模式的工作原理见图6，液压油从高压蓄能器流经液压马达进入低压蓄能器，液压马达输出机械能以驱动车辆倒车，而液压泵和电机则处于停机状态。

2动力系统参数匹配

2.1整车基本参数

以众泰云100的车辆参数为例（表1）对液压动力和电动力进行参数匹配，部分车辆基本参数的可行性已经通过相关文献验证[3]。

2.2液压动力匹配

载电液驱车辆动力系统要求液压动力系统能够提供全部行驶动力。如果液压动力系统的最高工作压力过低，将无法满足车辆的动力需求；相反，过高的压力会增加液压泄漏和安全隐患。基于以往电液混合动力车辆的经验，液压系统的最高工作压力选定为35 MPa。

1）液压马达汽车动力指标主要由最高车速、加速能力和最大爬坡度来表示。根据整车动力指标确定动力源总功率

P1=1ηgmgfvmax3 600+CdAv3max76 140

P2=1ηgmgfcosamaxva3 600+mgsinamaxva3 600+CdAv3a76 140

P3=1ηgmgfvb3 600+CdAv3b76 140+δmvb3 600·dvdt（1）

其中，P1为根据最高车速所确定的动力源总功率，kW；P2 为根据最大爬坡度所确定的动力源总功率，kW；P3为根据加速时间所确定的动力源总功率，kW；g为重力加速度，m/s2；amax为最大爬坡度，16°；vmax为最高车速，120 km/h；va为最大爬坡时的稳定车速，30 km/h；vb取100 km/h，dv/dt取0.7 m/s2。计算得出，P1=24.31 kW，P2=31.87 kW，P3=44.5 kW。

液压马达的最大功率必须满足Pm≥ max（P1，P2，P3），确定液压马达能的功率为

Pm=2πTm·nm60 000（2）

其中，Tm为液压马达输出扭矩，Nm；nm为液压马达转速，r/min。在液压泵/马达内部，斜盘一端与活塞相连。通过改变斜盘的角度可以连续改变活塞的冲程，从而改变排量Vm。

通过了解系统压力和斜盘倾角指令值，液压泵/马达的实际扭矩Tm为

Tm=ΔPm·Vm·βm2π（3）

其中，ΔPm为液压马达出口压力和进口压力之间的压力差，MPa；βm为斜盘倾角信号，取值范围为（-1，1）。液压马达输出主轴与车轴相连，液压马达的最高转速取决于最高车速

nm=60·vmax·ig7.2πR（4）

其中，ig为主减速比；vmax为最高车速，120 km/h；R为车轮半径，m。综合式（2）～（4），在避免液压马达体积过于庞大的前提下，取其最大功率Pm=50 kW，排量Vm=130 mL/r，最高转速nm=5 000 r/min。

2）液压泵与电机连接，为液压系统提供稳定的高压油。液压泵的最大功率须满足Pp=（1.1～1.2）Pm，确定液压泵的最大功率为60 kW。在电机驱动下，液压泵的输出流量为

Qp=Vpnpηp

Qm=Vmnmηm

Qp=Qm（5）

其中，Qp为液压泵输出流量，mL/min；np为液压泵的转速，r/min；Vp为液压泵的排量，mL/r；ηp为液压泵的效率，取0.9；Qm为液压马达输出流量，mL/min。高速情况下，液压泵/马达以最大排量输出，液压泵补充的液压能应满足液压马达消耗的液压能，选取液压泵的排量为180 mL/r，转速为3 500 r/min。

3）液压蓄能器用于回收车辆的制动动能，在满足峰值扭矩需求模式下提供有效的动力辅助，实现保护蓄电池并延长其续驶里程的目标。液压蓄能器的最低工作压力PHa，min应低于液压系统的工作压力Plow，最高工作压力PHa，max不高于液压泵、马达的最高工作压力Pmax。

液压蓄能器工作参数直接决定液压动力系统的功Cx51cPhglsuTAhEk8Ruipg==率迁移能力和能量再生效果，影响载电液驱车辆的动力和经济特性，工作参数应满足

PhVnh=Ph0Vnh0=Ph1Vnh1=Ph2Vnh2=Const（6）

其中，Ph为蓄能器瞬时压力，MPa；Vh为蓄能器瞬时气体体积，m3；Ph0为预充压力，MPa；Vh0为预充气体体积，m3；Ph1为最小工作压力，MPa；Vh1为对应的气体体积，m3；Ph2为最大工作压力，MPa；Vh2为对应的气体体积，m3；n表示气体多变指数，绝热过程时，n=1.4。

由于溢流阀的存在，高压蓄能器的最高工作压力Ph2被选定为35 MPa，最低工作压力和充气压力的取值式（7）确定

Ph1=0.6～1Ph2

Ph0=0.6～0.85Ph1（7）

综合考虑，选取高压蓄能器工作压力为21 MPa～35 MPa。高压蓄能器中存储的能量Eh为

Eh=∫Vh1Vh2PdV=Ph1Vnh2∫V1V21VnhdVh=Ph2Vh2－Ph1Vh1n－1=Ph1Vh1n－1Ph1Ph21n－1－1（8）

Eh同时表示高压蓄能器可回收的最大制动能量。载电液驱车辆在制动时，整车的能量满足平衡方程

EBr=Ek－Ef－Ew（9）

其中，EBr为再生制动所回收的能量，kJ；Ek为车辆动能，kJ；Ef为滚动阻力所消耗的能量，kJ；Ew空气阻力所消耗的能量，kJ；将EBr、Ek、Ef、Ew的详细表达式代入式（9）得

Ph1Vh1n－1Ph1Ph21n－1－1=12mδv2c－mgfS－CdAS21.15v2cηg·ηm·ηp（10）

其中，vc为中小型车辆在市区的一般行驶速度，60 km/h；S为制动位移，km，一般来说，时速60 km/h的情况下，从开始制动到停下的距离大约为14 m，加上反应距离5 m，S取值19 m；ηm为液压马达的效率，0.9。将车辆参数代入式（10），得高压蓄能器在最小工作压力21 MPa时对应的气体体积Vh1约为28 L。综上，高压蓄能器的初始容积须大于28 L，选取高压蓄能器的容积为40 L，液压动力参数见表2。

2.3电动力匹配

1）电机是载电液驱车辆动力系统的主要执行构件之一，电机带动液压泵为蓄能器补充液压能量，使液压马达对外输出动力驱动车辆前进。电机与液压泵之间通过离合器和齿轮传动机构连接，取齿轮传动比为2，电机的最大输出功率与液压泵相对应。取电机峰值功率Pemax为60 kW，额定功率Pe为35 kW。

根据已有设计，综合载电液驱车辆的实际情况，确定驱动电机的额定转速ne为2 500 r/min。为了更好地匹配电动力部分的结构，最高转速nemax取6 000 r/min。电机的峰值扭矩和额定转矩为

Temax=9 550·PemaxneTe=9 550·Pene（11）

计算得电机的峰值扭矩Temax=229.2 Nm，额定扭矩Te=133.7 Nm。

2）动力电池参数影响整车动力，直接决定了车辆的续驶里程。综合考虑选取磷酸铁锂电池作为动力电池，电池组峰值输出功率Pbmax须满足最高车速、设备能量消耗等因素，即

Pbmax=Pemaxηb（12）

电池数量为

Nb=4·Pbmax·Rb·1 000U2bηb（13）

其中，Nb为电池数量；ηb为动力电池组的总效率，取0.8；Ub为磷酸铁锂电池单体额定电压，Ub为3.2 V；Rb为电池内阻，取均值0.002 6 Ω。计算选取Nb=96，保证车辆的动力性和经济性。

电池组所存储的能量必须满足车辆续驶里程所需的能量，采用等速法来确定载电液驱车辆完成续驶里程所需能量为

W1=Pc·tPc=1ηgmgfvd3 600+CdAv3d76 140t=Svc（14）

其中，W1为车辆行驶里程S所需的能量，kWh；Pc为车辆等速行驶所需功率，kW；vd为等速行驶速度，km/h；S为车辆续驶里程，120 km。经计算W1=12.98 kWh，电池组存储的能量为

W2=W1ηb=CBUbNb1 000（15）

其中，W2为电池组存储的能量，kWh。CB为单体电池组容量，Ah；经计算，W2=14.42 kWh，CB=46.94 Ah，选取电池容量为50 Ah。电池系统电压为310 V。为了评估电力系统的工作状态，对电池的荷电状态SOC （state of charge）求导

dSOCdt=dqdt·100Cnom（16）

其中，Cnom为额定容量。电荷状态保持在[0，100%]范围内。电动力参数见表3。

3仿真结构及分析

在对载电液驱车辆的结构、原理和工作模式进行分析和研究的基础上，利用AMESim建立了动态仿真模型，使用Simulink构建了驱动控制策略如图7所示。为提高仿真的可靠性，仿真模型中相关参数的设置严格按照表1～表3。载电液驱车辆驱动控制策略是通过设置合理的速度v和蓄能器压力差ΔP阈值来实现的，当驾驶员发出加速acc或减速br指令时，控制器将根据速度和蓄能器压力差切换不同的工作模式。保证液压马达的输出转矩可以满足车辆在各种复杂工况、环境下行驶所需转矩，降低了电机的峰值功率_{699509156cf5f66bdb74a796132a08122b6424e000ec2f63db78b933a475274f}，提高经济性。

选择FTP75循环和WLTC循环作为仿真过程中的行驶循环，模拟时间分别为1 370 s和1 800 s，初始荷电状态（SOC）设置为90%。导入AMESim进行稳态仿真，与纯电动汽车模型（图8）在相同工况下的仿真结果进行对比。纯电动汽车与载电液驱车辆的主要区别在于前者没有液压系统，而其他部件的参数与载电液驱车辆相同。

FTP75工况循环结果如图9，从图9 a可以看出，载电液驱车辆的实际车速能够跟随控制车速，曲线相似度较高，验证了车辆路径跟随的可行性。行驶过程中，实际车速相较于控制车速曲线存在轻微波动，原因是控制策略中速度阈值的设置所引起的。图9 b显示了载电液驱车辆在不同车速下液压泵/马达的输出扭矩。车辆前进时，液压泵/马达的输出扭矩为正值，此时液压泵/马达工作在马达模式，驱动车辆前进，液压马达输出的扭矩在0～150 Nm之间。反之，当汽车处于减速过程时，液压泵/马达的输出扭矩为负值，此时液压泵/马达工作在液压泵模式，回收汽车制动动能。与图9 d中纯电动汽车电机输出的扭矩相比，液压马达输出的扭矩具有更广泛的范围和更灵活的可调性。特别在制动时，液压马达能够提供更大的输出扭矩，更有效地回收制动动能。高压蓄能器和低压蓄能器的出口压力如图9 c，车辆前进时，高压蓄能器压力下降，低压蓄能器压力上升。当电机开启，高压蓄能器压力上升，低压蓄能器压力下降，高、低压蓄能器的油液压力始终呈相反趋势变化。仿真结果说明，载电液驱车辆充分利用了液压动力，证实了将液压动力应用于车辆的运行工况是可行的。图9 e展示了电池SOC变化曲线。在一个FTP75工况循环后，纯电动汽车和载电液驱汽车的SOC分别为81.78%和82.29%，载电液驱车辆消耗的电量少0.51%，由式（17）计算得电池消耗率相对于纯电动汽车改善了6.2%。

σ=SOC0－SOC1－SOC0－SOC2SOC0－SOC1·100%（17）

其中，σ为电池消耗率，SOC0为初始SOC，SOC1为纯电动汽车最终SOC，SOC2为载电液驱车辆最终SOC。

WLTC工况循环测试结果如图10所示。图10a展示了WLTC循环中载电液驱车辆的车速跟随曲线，速度跟随效果较为理想。图10b和10d分别显示了液压泵/马达和纯电动汽车电机的输出扭矩特性，液压泵/马达的输出扭矩变化频率较高，波动范围较大。图10c展示了高压蓄能器的出口压力，由于WLTC循环包含低速、中速、高速和超高速区间，高压蓄能器在超高速区间的压力变化剧烈，波动较大。在一个WLTC循环后，纯电动汽车和载电液驱汽车的最终SOC分别为68.05%和68.03%，基本持平，如图10e。综合对比WLTC和FTP75工况循环，载电液驱车辆更适合在中低速区间运行时得能量利用率更高。

4结论

本文提出了一种将液压动力系统与电动力系统相结合的载电液驱车辆构型，论述了其基本工作原理和运行模式；通过动力传动系统的参数匹配，设计合理的驱动控制策略，实现了车辆工作模式的动态切换和能量管理。基于认证的FTP75和WLTC工况，利用AMESim和Simulink软件进行了联合仿真，分析了载电液驱车辆的车速跟随性、液压泵/马达输出扭矩、蓄能器压力和电池消耗量等特性参数，验证了整车参数设置和控制策略的合理性。结果表明，相较于同等配置的纯电动汽车，FTP75工况下载电液驱车辆的电池消耗率降低了6.2%，WLTC工况下载电液驱车辆的电池消耗率与纯电动汽车基本持平。

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Analysis of Dynamic Parameter Matching and Control Strategy of Electricallypowered Hydraulic Vehicle

LIN Yanhonga，b， ZHANG Tiezhua，b， ZHANG Hongxina，b， ZHANG Zhena，b， GUAN Qiqianga，b， XU Youqianga，b

（a. College of Mechanical and Electrical Engineering; b. Power Integration and Energy Storage Systems Engineering Technology Center， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：

To reduce motor peak torque and improve electric vehicle dynamic performance during frequent startstop operations， a model of an electricallypowered hydraulic vehicle with multimode switching and regenerative braking was developed. Based on the operating principles and modes， the dynamic parameters were matched， and a rulebased， dynamically optimized energy management control strategy was proposed to achieve energy distribution control and realtime switching of operating modes. The vehicle modeling was conducted using AMESim and Simulink software. A cosimulation was conducted under certified FTP75 and WLTC conditions. The simulation results show that， compared with a pure electric vehicle， the electricallypoweredhydraulic vehicle reduces battery consumption by 6.2% under FTP75 conditions.

Keywords： electric vehicle; hydraulic transmission; performance improvements; cosimulation

收稿日期： 2024-05-21； 修回日期： 2024-07-03

基金项目： 国家自然科学基金资助项目（52075278）

第一作者： 林彦宏（2001-），男，硕士研究生，主要研究方向为车辆新型动力传动技术。

通信作者： 张洪信（1969-），男，博士，教授，主要研究方向为车辆新型动力传动技术。Email： qduzhx@126.com