蓄電池公交車電液并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與能量管理*

劉桓龍，陳冠鵬，王家為

(1. 西南交通大學(xué)，先進(jìn)驅(qū)動(dòng)節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心，成都 610031；2. 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

前言

隨著科技水平的不斷提升，汽車保有量逐年增加，能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻[1]。為避免燃油消耗引起的環(huán)境污染，提高能源利用率，發(fā)展新能源動(dòng)力技術(shù)成為研究重點(diǎn)，以電動(dòng)和混動(dòng)汽車為代表的新能源車輛應(yīng)運(yùn)而生。然而，受制于動(dòng)力電池技術(shù)等問(wèn)題，純電動(dòng)汽車在城市工況下的運(yùn)行效率不高，續(xù)駛里程及蓄電池壽命較短，嚴(yán)重限制其推廣和普及[2]。

液壓系統(tǒng)具有功率密度大、無(wú)級(jí)調(diào)速簡(jiǎn)單、能量回收迅速等優(yōu)點(diǎn)，在重型車輛和市政工程車輛等應(yīng)用廣泛[3]?；谝簤涸偕?無(wú)摩擦制動(dòng)維持下坡速度穩(wěn)定同時(shí)回收制動(dòng)能量的系統(tǒng)工作模式，可有效提升重型車輛的行駛安全性[4]。根據(jù)車輛實(shí)時(shí)行駛狀態(tài)，加速時(shí)通過(guò)釋放回收至高壓蓄能器的制動(dòng)能量，可提高動(dòng)力系統(tǒng)綜合能量利用效率[5－6]。

對(duì)電動(dòng)車輛而言，蓄電池的工作狀態(tài)是制約整車?yán)m(xù)駛里程和使用壽命的重要因素[7－8]。由于車輛在起步和加速時(shí)電機(jī)處于大轉(zhuǎn)矩輸出狀態(tài)[9]，通過(guò)將單一動(dòng)力源車輛改為復(fù)合動(dòng)力源[10]，以系統(tǒng)能量消耗最小等作為控制目標(biāo)，制定相應(yīng)的管理策略，控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，可有效改善這一現(xiàn)狀，提升蓄電池壽命及續(xù)航里程。對(duì)復(fù)合動(dòng)力源車輛而言，如何使各動(dòng)力源協(xié)同高效運(yùn)行是提升系統(tǒng)性能的主要因素，因此需要對(duì)切換系統(tǒng)工作模式、調(diào)節(jié)電機(jī)工作狀態(tài)和相應(yīng)能量管理策略進(jìn)行深入研究[11－12]。

目前多數(shù)研究成果主要圍繞油液混合動(dòng)力構(gòu)型，研究車輛燃油經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性能改善情況。因電液混合動(dòng)力與油液混合動(dòng)力存在諸多差異，有必要對(duì)電液混動(dòng)系統(tǒng)特性進(jìn)行研究。城市公交車起停頻繁，低速和高速時(shí)動(dòng)力元件工作狀態(tài)不同，在運(yùn)行工況、操控性等方面與工程車輛存在差異。鮮有文獻(xiàn)基于切換動(dòng)力模式調(diào)節(jié)電機(jī)工作點(diǎn)分布對(duì)減少能耗和改善蓄電池工作環(huán)境進(jìn)行研究，針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)低速驅(qū)動(dòng)效率低等現(xiàn)象進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)。

本文中以某蓄電池公交車為原型，提出了新型雙軸電液并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。根據(jù)車速及駕駛員意圖等行駛場(chǎng)景的變化，在能量管理策略的控制下切換不同工作模式，使動(dòng)力系統(tǒng)盡可能工作于高效區(qū)域，減小車輛起步及加速過(guò)程引起的轉(zhuǎn)矩沖擊，保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)續(xù)駛里程。

1 電液混合動(dòng)力系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

雙軸電液并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)原理

考慮到蓄電池公交車在城市道路工況下運(yùn)行時(shí)的頻繁起停及低速重載特性，起步和加速時(shí)的峰值轉(zhuǎn)矩需求較大，且電機(jī)較多工作于低效區(qū)域，能量利用效率低。基于液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣且純電動(dòng)力系統(tǒng)加速性能好、高速驅(qū)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在原車底盤(pán)改動(dòng)最小化前提下，在前軸加入液壓動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成雙軸電液并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，根據(jù)車輛實(shí)時(shí)行駛場(chǎng)景變化切換不同工作模式，調(diào)節(jié)電機(jī)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)高效運(yùn)行，提高系統(tǒng)綜合能量利用效率。

1.2 系統(tǒng)工作模式

所設(shè)計(jì)的電液混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于不同行駛場(chǎng)景下的工作模式如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式

為防止車輛起步時(shí)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩輸出對(duì)蓄電池的不利影響，起步時(shí)關(guān)閉電機(jī)，液壓動(dòng)力系統(tǒng)提供全部動(dòng)力，根據(jù)蓄能器壓力與加速信號(hào)確定液壓泵/馬達(dá)排量，功率流如圖2(a)所示。達(dá)到指定車速后空載起動(dòng)電機(jī)，可避免蓄電池強(qiáng)電流放電。

正常行駛時(shí)，系統(tǒng)工作于純電模式，電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率較高。加速時(shí)，為避免電機(jī)轉(zhuǎn)矩沖擊，由加速信號(hào)與蓄能器壓力確定液壓泵/馬達(dá)排量，與電機(jī)共同提供行駛所需動(dòng)力，功率流如圖2(b)所示。

基于液壓系統(tǒng)功率密度高、能量回收迅速等優(yōu)點(diǎn)，制動(dòng)時(shí)液壓泵/馬達(dá)工作于泵工況回收能量，根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度及蓄能器壓力等確定液壓泵/馬達(dá)排量，動(dòng)態(tài)提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減少機(jī)械制動(dòng)裝置發(fā)熱和磨損，保障行車安全[13]，功率流如圖2(c)所示。

車輛需求轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，電機(jī)工作點(diǎn)效率低，為保證液壓系統(tǒng)的動(dòng)力輸出連續(xù)性，控制液壓泵/馬達(dá)在車軸驅(qū)動(dòng)下向高壓蓄能器平行充液，調(diào)節(jié)電機(jī)工作點(diǎn)效率的同時(shí)將富余電能轉(zhuǎn)化為液壓能，提高系統(tǒng)能量利用率，功率流如圖2(d)所示。

2 系統(tǒng)模型

2.1 車輛動(dòng)力學(xué)

本文中以成都市區(qū)運(yùn)行的某蓄電池公交車為對(duì)象展開(kāi)研究，其整車參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電動(dòng)公交車整車參數(shù)

車輛在平直道路和坡道上行駛時(shí)須克服來(lái)自道路的多重阻力，計(jì)算公式如下:

滾動(dòng)阻力Ff計(jì)算如下:

式中:Cr為車輛滾動(dòng)阻力系數(shù)；m為公交車滿載質(zhì)量；α為坡度。

空氣阻力Fw滿足:

式中:Cd為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；v為車速。

坡道阻力Fi計(jì)算如下:

慣性阻力Fj滿足:

式中δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，取值1.2。

車輛行駛時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩滿足:

式中R為車輪半徑。

2.2 液壓元件參數(shù)匹配

所設(shè)計(jì)的電液混合動(dòng)力系統(tǒng)要求液壓動(dòng)力系統(tǒng)能獨(dú)立提供車輛行駛所需全部動(dòng)力?？紤]公交車底盤(pán)空間限制，液壓系統(tǒng)所占體積不宜過(guò)大，選取液壓動(dòng)力系統(tǒng)減速器減速比i為9.5，液壓系統(tǒng)最高工作壓力為35 MPa。

液壓泵/馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩滿足:

式中:Tm為液壓泵/馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩；Δp為壓力差；Vm為排量；ηmt為液壓泵/馬達(dá)機(jī)械效率，取值0.85。

高壓蓄能器作為液壓儲(chǔ)能元件，其關(guān)鍵參數(shù)的選取直接影響電液混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)特性。最高工作壓力、最低工作壓力和充氣壓力可由下述經(jīng)驗(yàn)公式確定:

根據(jù)Boyle－Mariotte 定律，對(duì)于理想氣體而言，蓄能器應(yīng)滿足下列方程:

式中:p0、p1、p2分別為充氣壓力、最低壓力、最高壓力；Vi為其對(duì)應(yīng)體積；n為氣體多變指數(shù)，取值1.4。

蓄能器在制動(dòng)時(shí)可回收的最大能量Ereg滿足:

蓄能器容量應(yīng)滿足回收典型循環(huán)工況或巡航車速下平均制動(dòng)能量Eavg的需求[14]，即

液壓系統(tǒng)最低工作壓力應(yīng)可提供車輛制動(dòng)強(qiáng)度為0.1 時(shí)所需全部制動(dòng)力，即

根據(jù)上述分析，液壓系統(tǒng)主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 液壓系統(tǒng)參數(shù)

2.3 蓄電池及電機(jī)數(shù)學(xué)模型

大電流放電是影響蓄電池壽命的主要因素[7]，蓄電池作為電動(dòng)車輛整車動(dòng)力源，其放電電壓、電流和功率PB的關(guān)系[3]為

式中:U為蓄電池端電壓；I為放電電流；ηB為蓄電池放電效率。

電機(jī)輸出功率PE為

式中:T為電機(jī)轉(zhuǎn)矩；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，ηe為電機(jī)效率。

因此，蓄電池放電電流I為

車輛在起步和加速時(shí)頻繁發(fā)生轉(zhuǎn)矩沖擊現(xiàn)象，從而使蓄電池處于大電流放電狀態(tài)，且蓄電池容量與放電電流正相關(guān)。由式(15)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，減小轉(zhuǎn)矩沖擊或改善電機(jī)工作點(diǎn)效率可減小蓄電池電流，提高能量利用率，延長(zhǎng)壽命和續(xù)航。

3 仿真模型與結(jié)果分析

3.1 仿真模型

基于動(dòng)力系統(tǒng)原理和表1 與表2 的整車及動(dòng)力元件參數(shù)，在 AMESim 與 Simulink－stateflow 軟件內(nèi)搭建動(dòng)力系統(tǒng)和控制模型，對(duì)不同工作模式的系統(tǒng)特性進(jìn)行分析，模型結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 仿真模型

3.2 基于規(guī)則的動(dòng)態(tài)優(yōu)化能量管理策略

能量管理策略是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)性能的重要因素，目前應(yīng)用于混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略主要以基于規(guī)則、全局優(yōu)化和瞬時(shí)優(yōu)化為主，其中基于規(guī)則的控制策略應(yīng)用最為廣泛。結(jié)合stateflow 軟件在設(shè)定規(guī)則下控制系統(tǒng)工作模式切換方面的優(yōu)勢(shì)，為有效提升電液混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理特性，本文中制定了基于規(guī)則的動(dòng)態(tài)優(yōu)化能量管理策略，以元件參數(shù)及駕駛員意圖等作為模式切換及轉(zhuǎn)矩分配依據(jù)，控制組件協(xié)同工作，如圖4 所示。

車輛運(yùn)行時(shí)，通過(guò)采集當(dāng)前車速v、駕駛員發(fā)出的加速信號(hào)ACC 及制動(dòng)信號(hào)BR和高壓蓄能器壓力p等系統(tǒng)參數(shù)，可判斷車輛目前所處運(yùn)行狀態(tài)(起步、加速、勻速、制動(dòng))。驅(qū)動(dòng)工況下，主控制器通過(guò)加速信號(hào)ACC 判斷電機(jī)是否位于高效區(qū)域。若電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩過(guò)大，峰值轉(zhuǎn)矩引起的蓄電池大電流放電會(huì)危害其使用壽命，此時(shí)保持電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩盡可能不增加，由當(dāng)前蓄能器壓力及需求轉(zhuǎn)矩確定液壓泵/馬達(dá)的工作排量，電機(jī)和液壓泵/馬達(dá)共同提供動(dòng)力；若電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較小，則其工作點(diǎn)效率較低，能量利用情況差，此時(shí)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)入平行充液模式，改善電機(jī)工作點(diǎn)分布情況。

圖4 基于規(guī)則的動(dòng)態(tài)優(yōu)化能量策略

當(dāng)車輛以速度v勻速行駛且系統(tǒng)處于平行充液模式時(shí)，假設(shè)當(dāng)前車輛需求轉(zhuǎn)矩為T(mén)1，高壓蓄能器初始?jí)毫閜，當(dāng)前壓力為p′，進(jìn)入平行充液模式后，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T滿足:

電機(jī)轉(zhuǎn)速滿足:

式中ie為純電動(dòng)力系統(tǒng)減速比。

因此，蓄電池當(dāng)前輸出功率滿足:

液壓泵/馬達(dá)工作在泵工況時(shí)，其轉(zhuǎn)速nm滿足:

式中im為液壓動(dòng)力系統(tǒng)減速比。

平行充液模式下液壓泵/馬達(dá)出口流量Q滿足:

式中ηmv為液壓泵/馬達(dá)容積效率。

充液體積ΔV滿足:

式中t為平行充液模式的持續(xù)時(shí)間。

平行充液結(jié)束后，高壓蓄能器的壓力p″滿足:

高壓蓄能器增加的能量E為

蓄電池消耗的能量Ee為

由上述內(nèi)容可知，系統(tǒng)進(jìn)入平行充液模式時(shí)，通過(guò)采集車輛當(dāng)前車速及液壓動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)，可將式(24)和式(25)化簡(jiǎn)為關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)。考慮到液壓管路的泄漏損失及機(jī)械傳動(dòng)效率等因素的影響，蓄能器增加的能量略小于蓄電池消耗的能量。通過(guò)使二者盡可能相等，可確定當(dāng)前行駛場(chǎng)景下平行充液模式的最佳持續(xù)時(shí)間，使蓄電池消耗的能量盡可能轉(zhuǎn)化為蓄能器增加的能量，保證控制策略處于動(dòng)態(tài)優(yōu)化狀態(tài)，提升動(dòng)力系統(tǒng)的綜合性能。

制動(dòng)工況下，系統(tǒng)根據(jù)駕駛員意圖、制動(dòng)強(qiáng)度及高壓蓄能器壓力等參數(shù)實(shí)時(shí)判斷對(duì)應(yīng)于當(dāng)前行駛場(chǎng)景下的最佳制動(dòng)模式。當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度較小時(shí)，系統(tǒng)處于液壓再生制動(dòng)模式，液壓泵/馬達(dá)工作于泵工況提供全部制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；當(dāng)制動(dòng)需求轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，在保證制動(dòng)安全前提下優(yōu)先進(jìn)入液壓再生制動(dòng)模式，機(jī)械制動(dòng)裝置輔助輸出剩余部分，盡可能多回收制動(dòng)能量，提高能量利用率。

3.3 CCBC 工況仿真結(jié)果分析

CCBC(Chinese city bus cycle)為中國(guó)典型城市公交車循環(huán)行駛工況，該工況基本包括了公交車在實(shí)際行駛場(chǎng)景下的各種工作環(huán)境，基于該工況的車輛動(dòng)力及經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估更具有參考價(jià)值。本文中研究對(duì)象正是市區(qū)公共道路運(yùn)行的蓄電池公交車，因此設(shè)定整車及控制模型在CCBC 循環(huán)工況下進(jìn)行仿真，工況速度參數(shù)如圖5 所示。

圖5 CCBC 循環(huán)行駛工況

為便于觀察系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，選取前300 s 的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，總距離為942 m，車速及液壓元件參數(shù)變化曲線如圖6 所示。

圖6 液壓主元件參數(shù)變化

由圖6(a)可知，電液混合動(dòng)力模式下車速滿足要求，動(dòng)力性能良好，高壓蓄能器可在加速時(shí)有效進(jìn)行放液輔助并在制動(dòng)時(shí)回收制動(dòng)能量。電機(jī)位于低效率工作區(qū)間時(shí)，電液混合動(dòng)力系統(tǒng)可通過(guò)液壓?jiǎn)为?dú)提供動(dòng)力和平行充液兩種工作模式對(duì)電機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，符合管理策略的控制需求。由圖6(b)可知:液壓泵/馬達(dá)可在加速時(shí)輔助輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩沖擊；在減速制動(dòng)時(shí)根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度變化動(dòng)態(tài)提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減輕機(jī)械制動(dòng)裝置磨損，保障行車安全。

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與工作點(diǎn)效率如圖7 所示。

圖7 仿真結(jié)果

由圖可知，電液混合驅(qū)動(dòng)時(shí)起步所需動(dòng)力全部由液壓系統(tǒng)提供，車輛起步后快速空載起動(dòng)電機(jī)，避免起步轉(zhuǎn)矩沖擊對(duì)蓄電池的不利影響。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)較為平緩，峰值轉(zhuǎn)矩較純電模式減小約33.8%，有效改善蓄電池工作狀態(tài)。在基于策略控制的動(dòng)力模式切換下，電機(jī)工作點(diǎn)相比純電模式更多分布于高效區(qū)，能量利用率較高。

蓄電池SOC 變化情況如圖8 所示。

圖8 SOC 變化情況

由圖可知，電液混合驅(qū)動(dòng)模式電量消耗明顯低于純電驅(qū)動(dòng)?；谏鲜龇抡娼Y(jié)果可知，當(dāng)蓄電池電量完全消耗后，電液混合動(dòng)力系統(tǒng)總續(xù)航約261.7 km，純電動(dòng)力系統(tǒng)總續(xù)航約200.4 km，車輛總續(xù)航增加約30.6%?？紤]到現(xiàn)有蓄電池公交車單次充電難以滿足全天載客行駛需求，改為電液混合動(dòng)力系統(tǒng)可有效減少工作充電次數(shù)，降低運(yùn)營(yíng)成本。

3.4 實(shí)際調(diào)研行駛工況仿真結(jié)果分析

在車輛設(shè)計(jì)周期內(nèi)，主要基于軟件仿真等手段對(duì)所設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)的綜合使用性能進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)。通過(guò)建立相應(yīng)的整車模型并使其在指定循環(huán)行駛工況下運(yùn)行，可觀測(cè)各動(dòng)力參數(shù)變化趨勢(shì)及車輛續(xù)航、油耗等指標(biāo)，因此行駛工況的選取對(duì)車輛參數(shù)設(shè)計(jì)及性能評(píng)估的影響極大。

本文中對(duì)所選蓄電池公交車實(shí)地行駛狀況進(jìn)行調(diào)研以提高仿真結(jié)果的參考價(jià)值，考慮公共交通車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能遇到的各種場(chǎng)景，選取調(diào)研路線包含住宅區(qū)、學(xué)校、景區(qū)、超市、醫(yī)院和公共交通換乘點(diǎn)等典型場(chǎng)所，如圖9(a)所示。

基于圖9(a)所示行駛路線，通過(guò)速度檢測(cè)設(shè)備記錄車輛行駛過(guò)程的實(shí)時(shí)車速，對(duì)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并擬合，繪制該類公交車實(shí)際循環(huán)工況曲線(見(jiàn)圖9(b))，工況參數(shù)如圖9(c)所示。

基于公交車實(shí)際行駛環(huán)境調(diào)研行駛工況下的仿真結(jié)果如圖10 所示。

圖9 城市公交車實(shí)際循環(huán)工況調(diào)研

圖10 實(shí)際工況下仿真結(jié)果

由圖可知，在實(shí)際調(diào)研工況下，電液混合驅(qū)動(dòng)時(shí)，車輛起步所需動(dòng)力全部由液壓泵/馬達(dá)提供，電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩相比純電驅(qū)動(dòng)減小約33.0%，車輛續(xù)駛里程增加約20.0%。液壓泵/馬達(dá)根據(jù)加速或制動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度輔助輸出驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通過(guò)平行充液及液壓?jiǎn)为?dú)驅(qū)動(dòng)兩種模式調(diào)節(jié)電機(jī)工作點(diǎn)分布，可顯著提高系統(tǒng)的綜合能量利用效率。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建立仿真模型及能量管理控制策略的正確性及有效性，搭建了相應(yīng)的電液混合動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。電機(jī)與液壓泵及液壓泵/馬達(dá)與加載系統(tǒng)之間均設(shè)有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀，用于檢測(cè)和實(shí)時(shí)顯示電機(jī)及負(fù)載轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制。試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)組成如圖11 所示。

圖11 電液混合動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)

電機(jī)經(jīng)液壓泵帶動(dòng)液壓泵/馬達(dá)旋轉(zhuǎn)從而驅(qū)動(dòng)加載系統(tǒng)，加載系統(tǒng)液壓泵在其驅(qū)動(dòng)下輸出高壓油經(jīng)比例溢流閥溢流至低壓回路模擬車輛負(fù)載。通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵的排量及進(jìn)出口壓力使電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩值相等，高壓蓄能器輔助時(shí)，直接放液驅(qū)動(dòng)液壓泵/馬達(dá)并觀察電機(jī)參數(shù)變化情況即可，此過(guò)程模擬電液混合驅(qū)動(dòng)。對(duì)純電驅(qū)動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，電機(jī)同樣驅(qū)動(dòng)液壓泵帶動(dòng)液壓泵/馬達(dá)旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)加載系統(tǒng)，通過(guò)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀讀取電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)液壓泵的排量及進(jìn)出口壓力可以使電機(jī)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，滿足試驗(yàn)需求。

試驗(yàn)時(shí)，增大負(fù)載轉(zhuǎn)矩以模擬車輛起步等大轉(zhuǎn)矩需求，此時(shí)保持電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變，液壓泵/馬達(dá)輸出剩余轉(zhuǎn)矩；減小負(fù)載轉(zhuǎn)矩以模擬電機(jī)低效工作狀態(tài)，此時(shí)控制電機(jī)在輸出所需負(fù)載轉(zhuǎn)矩的同時(shí)向高壓蓄能器充液，調(diào)節(jié)工作點(diǎn)效率。轉(zhuǎn)矩變化曲線如圖12 所示。

由圖可知，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時(shí)，通過(guò)高壓蓄能器放液驅(qū)動(dòng)液壓泵/馬達(dá)提供輔助轉(zhuǎn)矩可以維持電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定。因此當(dāng)車輛需求轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，通過(guò)液壓系統(tǒng)提供輔助動(dòng)力可以減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩沖擊，保護(hù)蓄電池。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小時(shí)，控制電機(jī)在提供負(fù)載轉(zhuǎn)矩的同時(shí)向高壓蓄能器充液，可調(diào)節(jié)其工作點(diǎn)效率。因此當(dāng)電機(jī)處于低效工作區(qū)間時(shí)，通過(guò)平行充液或液壓系統(tǒng)單獨(dú)工作兩種模式，可有效調(diào)節(jié)電機(jī)工作點(diǎn)效率，提高能量利用率。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，基于策略控制的電機(jī)工作點(diǎn)效率調(diào)節(jié)是影響續(xù)駛里程和蓄電池壽命的重要因素。

圖12 電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

電機(jī)功率變化曲線如圖13 所示。

由圖13 可知:當(dāng)負(fù)載功率增加時(shí)，通過(guò)高壓蓄能器放液驅(qū)動(dòng)液壓泵/馬達(dá)提供輔助轉(zhuǎn)矩可避免電機(jī)功率突然增大；當(dāng)負(fù)載功率減小時(shí)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的同時(shí)向高壓蓄能器充液可提升電機(jī)的輸出功率，將電機(jī)由低效工況調(diào)節(jié)至高效工況。因此需求轉(zhuǎn)矩變化時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)分配電機(jī)與液壓泵/馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩值，可避免電機(jī)轉(zhuǎn)矩沖擊引起的蓄電池大電流放電，同時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)工作狀態(tài)，延長(zhǎng)電池壽命與續(xù)航，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和控制策略的有效性。

圖13 電機(jī)功率曲線

電機(jī)與液壓泵/馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩變化如圖14 所示。

圖14 電機(jī)與液壓泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)矩曲線

由圖可知，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時(shí)，液壓泵/馬達(dá)由高壓蓄能器驅(qū)動(dòng)進(jìn)行輔助，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可維持在穩(wěn)定狀態(tài)。車輛加速等需求轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，液壓泵/馬達(dá)可有效輸出輔助轉(zhuǎn)矩，在滿足動(dòng)力需求的同時(shí)避免電機(jī)轉(zhuǎn)矩沖擊，保護(hù)蓄電池。

5 結(jié)論

(1)為改善車輛起步或加速時(shí)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩對(duì)蓄電池的不利影響，本文中以蓄電池公交車為對(duì)象，構(gòu)建雙軸電液并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)車速及駕駛員意圖等行駛場(chǎng)景參數(shù)切換不同動(dòng)力模式，調(diào)節(jié)電機(jī)工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)綜合能量利用率。

(2)建立動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行理論分析并匹配元件主參數(shù)。在AMESim/Simulink－stateflow中搭建整車及控制模型，基于CCBC 與實(shí)地調(diào)研工況進(jìn)行聯(lián)合仿真。結(jié)果表明:電液混合動(dòng)力系統(tǒng)可有效避免轉(zhuǎn)矩沖擊，保護(hù)蓄電池；CCBC 工況下峰值轉(zhuǎn)矩減小33.8%，續(xù)駛里程增加30.6%；實(shí)際調(diào)研工況下峰值轉(zhuǎn)矩減小33.0%，續(xù)駛里程增加20.0%。

(3)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)電液混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及仿真模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及策略控制下調(diào)節(jié)電機(jī)工作狀態(tài)可改善電機(jī)工作點(diǎn)分布的可行性、正確性及有效性。系統(tǒng)可按預(yù)設(shè)控制策略協(xié)同工作，滿足動(dòng)力需求，為后續(xù)混合動(dòng)力實(shí)車配置及推廣提供技術(shù)思路。