某電控液驅(qū)混合動(dòng)力車(chē)輛多驅(qū)動(dòng)模式試驗(yàn)研究

田靜，何曉暉，李峰，朱曉基*

（1.陸軍試驗(yàn)訓(xùn)練基地第四試驗(yàn)訓(xùn)練區(qū)作戰(zhàn)支援試驗(yàn)大隊(duì)，北京 100071；2.陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院機(jī)電教研中心，江蘇 南京 210007）

引言

混合動(dòng)力汽車(chē)以節(jié)能和環(huán)保為核心，是當(dāng)前汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的研究熱點(diǎn)，對(duì)混合動(dòng)力技術(shù)的研究推動(dòng)了車(chē)輛工程的發(fā)展[1-4]。電控液驅(qū)車(chē)輛是其驅(qū)動(dòng)方式與傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)不同，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)時(shí)的策略也區(qū)別于機(jī)械傳動(dòng)的車(chē)輛。劉春光[5]等人對(duì)混合動(dòng)力車(chē)輛機(jī)組的速度控制策略進(jìn)行了研究，提出了準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)方法進(jìn)行控制。張濤[6]等人對(duì)混合動(dòng)力車(chē)輛的能量回收系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過(guò)仿真與試驗(yàn)，研究了蓄能器參數(shù)設(shè)置在能量回收中的影響。陳有權(quán)[7]等人通過(guò)AMESim建立的仿真模型針對(duì)囊式液壓蓄能器的主要參數(shù)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了研究，為液壓混合動(dòng)力車(chē)輛的節(jié)能研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

針對(duì)混合動(dòng)力的車(chē)輛研究集中于制動(dòng)與能量管理策略，而驅(qū)動(dòng)方式也是一種十分重要的工況。電控液驅(qū)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)時(shí)由于液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以分為蓄能器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)和混合驅(qū)動(dòng)方式，不同驅(qū)動(dòng)方式的結(jié)合使用對(duì)于能量的回收利用和車(chē)輛的性能發(fā)揮有十分重要的影響。因此本文結(jié)合電控液驅(qū)車(chē)輛的特點(diǎn)來(lái)研究不同驅(qū)動(dòng)方式下的車(chē)輛參數(shù)變化情況，這對(duì)于整車(chē)的控制策略研究具有十分重要的意義。

1 電控液驅(qū)車(chē)輛的介紹

電控液驅(qū)混合動(dòng)力車(chē)輛是在液壓混合動(dòng)力技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)的輪邊式電控液驅(qū)混合動(dòng)力車(chē)輛，其目的在于車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性和越野性能，同時(shí)依靠混合動(dòng)力的有效提高車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。本文中的電控液驅(qū)混合動(dòng)力車(chē)輛的總體方案原理如圖1所示。

圖1 電控液驅(qū)混合動(dòng)力車(chē)輛總體方案原理圖

電控液驅(qū)混合動(dòng)力車(chē)輛中的液壓泵通過(guò)聯(lián)軸器與作為主動(dòng)力源的發(fā)動(dòng)機(jī)相連，液壓泵的輸出端通過(guò)液壓管路與輪邊液壓馬達(dá)相連，每個(gè)液壓馬達(dá)能夠單獨(dú)驅(qū)動(dòng)一個(gè)車(chē)輪，輪邊液壓馬達(dá)帶有鼓式制動(dòng)器，液壓泵與作為輔助動(dòng)力源的液壓蓄能器并聯(lián)，通過(guò)液壓閥和相關(guān)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)排量與壓力等。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)時(shí)工作于泵工況，在回收制動(dòng)能量時(shí)以馬達(dá)工況工作，通過(guò)電控單元控制輸出信號(hào)和監(jiān)控整個(gè)車(chē)輛的物理信號(hào)狀態(tài)及行駛狀況等功能。

2 試驗(yàn)臺(tái)架的搭建

根據(jù)電控液驅(qū)混合動(dòng)力車(chē)輛液壓回路的結(jié)構(gòu)圖，搭建1/4車(chē)輛模型，試驗(yàn)臺(tái)架的局部液壓回路如圖2所示。通過(guò)搭建的1/4車(chē)輛的液壓試驗(yàn)臺(tái)架，可以對(duì)液壓系統(tǒng)的控制進(jìn)行相應(yīng)的研究，通過(guò)試驗(yàn)軟件可以設(shè)置試驗(yàn)的項(xiàng)目，包括蓄能器沖壓試驗(yàn)、蓄能器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)、電機(jī)與蓄能器共同驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)、制動(dòng)能量回收試驗(yàn)和自設(shè)試驗(yàn)等，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)可以研究不同驅(qū)動(dòng)方式下的車(chē)輛的穩(wěn)定性參數(shù)變化情況，包括液壓系統(tǒng)的壓力、轉(zhuǎn)矩、液壓泵與液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速的關(guān)系研究等試驗(yàn)研究，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)的研究對(duì)整車(chē)的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。試驗(yàn)臺(tái)架的整體實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)架液壓回路圖

圖3 臺(tái)架整體實(shí)物圖

試驗(yàn)臺(tái)架中以電機(jī)為動(dòng)力源帶動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓泵通過(guò)液壓系統(tǒng)帶動(dòng)液壓馬達(dá)，液壓系統(tǒng)中的各個(gè)部件之間滿(mǎn)足相應(yīng)的參數(shù)匹配。其中，磁粉制動(dòng)器通過(guò)模擬1/4汽車(chē)行駛過(guò)程中受到的轉(zhuǎn)矩、阻力；慣性飛輪模擬1/4汽車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性；蓄能器是電控液驅(qū)車(chē)中的輔助元件，具有儲(chǔ)存能量、回收制動(dòng)能量和驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的作用[8]。試驗(yàn)臺(tái)架的內(nèi)部的實(shí)物圖與控制界面如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物與控制界面圖

試驗(yàn)臺(tái)架通過(guò)綜合控制系統(tǒng)軟件界面可以對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括液壓回路中的壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速、液壓泵的轉(zhuǎn)速、液壓泵與液壓馬達(dá)的排量，還可以根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪x擇相關(guān)的試驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行液壓系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)研究。

3 試驗(yàn)研究

3.1 電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)

通過(guò)電機(jī)為動(dòng)力源帶動(dòng)液壓泵進(jìn)行單獨(dú)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中液壓泵與液壓馬達(dá)的排量不變，負(fù)載大小不變，液壓回路中無(wú)蓄能器連接。試驗(yàn)設(shè)置在一定液壓泵轉(zhuǎn)速下驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速，并保持一段時(shí)間后使液壓馬達(dá)自然停止。通過(guò)設(shè)置不同的電機(jī)的轉(zhuǎn)速（450～780rpm），研究不同液壓泵的轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，通過(guò)圖5的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速圖可以看出，在不同的液壓泵轉(zhuǎn)速輸入下，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)速度保持一致，且在達(dá)到最大速度后能夠穩(wěn)定的維持。

圖5 不同轉(zhuǎn)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化圖

圖6 液壓泵轉(zhuǎn)速變化圖

圖7 液壓泵轉(zhuǎn)矩變化圖

圖8 液壓泵與液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)圖線(xiàn)

由圖6中液壓泵的轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)來(lái)看，液壓泵的轉(zhuǎn)速變化迅速而穩(wěn)定，不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速下的液壓泵的轉(zhuǎn)速提升速率是相同的，液壓泵轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，能夠較好地維持在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近，對(duì)于液壓泵的控制具有重要意義。通過(guò)液壓泵的轉(zhuǎn)矩圖7可以看出，液壓泵的轉(zhuǎn)矩主要影響液壓馬達(dá)的加速度大小，且液壓泵的轉(zhuǎn)矩迅速變化到一定值后保持穩(wěn)定輸出。

將液壓泵與液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到液壓泵與液壓馬達(dá)之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系變化如圖8所示，由圖可以看出，液壓泵與液壓馬達(dá)在排量一定時(shí)，其轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)能夠保持良好的線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性控制有重要的作用。

3.2 蓄能器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)

通過(guò)軟件設(shè)置對(duì)蓄能器進(jìn)行充能，然后采用蓄能器為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，得到不同蓄能器充能效果下驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的變化如圖9所示，由圖可以看出蓄能器作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)時(shí)，不同的充能效果下對(duì)液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)速度的影響，由曲線(xiàn)中液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的斜率可以推斷，蓄能器驅(qū)動(dòng)時(shí)的液壓馬達(dá)加速度是一致的，說(shuō)明蓄能器對(duì)液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)加速度是穩(wěn)定的，不受充能多少的影響，蓄能器的充能含量只影響驅(qū)動(dòng)時(shí)液壓馬達(dá)達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速。將圖9中的液壓蓄能器驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化與電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)的液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行對(duì)比，可以得出蓄能器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)液壓馬達(dá)從0加速到120rpm時(shí)所需時(shí)間為2.35s，而電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)液壓馬達(dá)從0加速到120rpm時(shí)所需時(shí)間為3.74s，蓄能器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)液壓馬達(dá)獲得的加速度更大，加速性能更好，這為車(chē)輛的加速控制策略的確定提供了重要依據(jù)。

圖9 不同蓄能器充能狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變化圖

3.3 蓄能器電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)研究

蓄能器的連接使得液壓回路中的穩(wěn)定性有一定程度的提高，能夠緩和液壓沖擊，存儲(chǔ)能量，但因?yàn)樾钅芷鞯膬?chǔ)存與釋放能量隨著液壓系統(tǒng)的參數(shù)變化呈現(xiàn)不確定性，因此通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架研究車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)蓄能器在液壓回路中對(duì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的影響具有十分重要的意義，試驗(yàn)設(shè)置液壓回路驅(qū)動(dòng)時(shí)有蓄能器連接，設(shè)置液壓泵的轉(zhuǎn)速分別為 350rpm，450rpm，550rpm，650rpm和750rpm，得到液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變化如圖10所示。

從圖10可以看出，混合驅(qū)動(dòng)模式下的液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速峰值較穩(wěn)定時(shí)的速度要大，但由于液壓蓄能器的容量限制，轉(zhuǎn)速峰值維持時(shí)間較短。蓄能器在液壓回路驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)存儲(chǔ)多余的能量，在液壓管路中的壓力降低時(shí)釋放能量，使得液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速高于穩(wěn)定時(shí)的轉(zhuǎn)速，增大的轉(zhuǎn)速由蓄能器所存儲(chǔ)的能量多少?zèng)Q定。在混合驅(qū)動(dòng)模式下的液壓馬達(dá)從 0加速到120rpm時(shí)所需時(shí)間為 3.31s，優(yōu)于電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式，較蓄能器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式下所需時(shí)間更多。在電控液驅(qū)混合動(dòng)力車(chē)輛中的蓄能器控制是十分重要的，對(duì)車(chē)輛的轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性控制具有一定的影響，結(jié)合蓄能器的能量與駕駛員意圖建立合理的控制策略具有重要意義。

圖10 蓄能器與液壓泵共同驅(qū)動(dòng)下的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化圖

4 結(jié)論

本文基于電控液驅(qū)車(chē)輛，研究了不同驅(qū)動(dòng)方式下的車(chē)輛行駛穩(wěn)定性，建立了1/4電控液驅(qū)混合動(dòng)力車(chē)輛試驗(yàn)臺(tái)架，進(jìn)行了試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的方式下，液壓馬達(dá)與電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)穩(wěn)定，在條件一定的情況下，液壓泵的轉(zhuǎn)速在450～ 800rpm時(shí)與液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與成良好的線(xiàn)性關(guān)系。

（2）在蓄能器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的模式下，儲(chǔ)存能量的多少并不影響液壓馬達(dá)的加速性能，只影響液壓馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速；蓄能器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式下，液壓馬達(dá)獲得的加速度較發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)的加速度要高。

（3）混合驅(qū)動(dòng)模式下的液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速峰值比達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)的數(shù)值更大，但由于液壓蓄能器的容量限制，轉(zhuǎn)速峰值維持時(shí)間較短。

（4）三種驅(qū)動(dòng)模式下降液壓馬達(dá)從0加速到120rpm時(shí)所需時(shí)間最少的為蓄能器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。