混聯(lián)式混合動力汽車電液復(fù)合控制系統(tǒng)研究

桂林，李強軍

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473009；2.河南大學(xué)，河南 開封 475001)

0 引言

隨著全世界對環(huán)境能源等方面的極度重視和關(guān)注，眾多國家都加入對能源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的研究中，尤其是我國對能源、環(huán)境的關(guān)注，使研究工作得到巨大的支撐?；旌蟿恿ζ嚰慈剂?汽油，柴油)與電能的混合，電動機作為燃油發(fā)動機的輔助動力驅(qū)動汽車?；旌蟿恿儆谝环N優(yōu)勢互補的技術(shù)，不僅為汽車在正常行駛中產(chǎn)生強大而平穩(wěn)的動力，而且在起步、加速時降低油耗、節(jié)約能源、減小排放。

為了適應(yīng)國家對能源、環(huán)境的大力支持，同時獲得綜合性能優(yōu)良的混合動力汽車，國內(nèi)外眾多學(xué)者對混合動力汽車控制方法進行了研究分析。孫寶文[1]以插電式混合動力汽車為研究對象，對混合動力汽車電驅(qū)動系統(tǒng)高壓總線過壓問題，采用最優(yōu)Bang-Bang控制策略來抑制高壓總線上的峰值電壓，有效地抑制高壓總線過壓的問題，從而保證混合動力汽車的行駛安全；張怡然等[2]以混合動力汽車為研究對象，運用多目標參數(shù)解耦優(yōu)化方法對混合動力汽車能量管理策略與動力總成參數(shù)高度耦合特性進行研究；張權(quán)讓[3]以四驅(qū)插電式混合動力汽車電液復(fù)合制動系統(tǒng)為研究對象，為保證制動過程中的電機制動力和液壓制動力的協(xié)調(diào)控制，設(shè)計了一套合理、有效的電液復(fù)合制動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)配套的控制策略，實現(xiàn)了電機制動力和液壓制動力的壓力協(xié)調(diào)，確保車輛制動安全可靠和制動平順性；鄧濤等[4]基于灰色預(yù)測的方法對混合動力系統(tǒng)ECMS能量管理策略進行分析，研究了等效燃油消耗最小策略ECMS如何提高電池使用壽命；何小路等[5]對現(xiàn)有混合動力車輛控制策略進行總結(jié)和歸納，研究了再生制動優(yōu)化、模糊邏輯優(yōu)化、動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和動態(tài)協(xié)調(diào)等優(yōu)化策略的現(xiàn)狀，為未來混合動力車輛控制策略研究指明了發(fā)展方向；鹿靜[6]基于ADVISOR的純電動汽車電-液復(fù)合制動協(xié)調(diào)控制策略研究；許笑月[7]基于ADVISOR建立電液混合動力汽車永磁同步電機的空間矢量模型以及液壓制動系統(tǒng)模型，對再生制動的電-液復(fù)合制動協(xié)調(diào)控制策略進行仿真分析；薛劉朋等[8]建立混合動力汽車電氣層拓撲結(jié)構(gòu)模型，分析電氣系統(tǒng)干擾的來源和類別，確定控制目標，采用基于干擾觀測器控制(disturbance observer based control,DOBC)和有限時間干擾觀測器控制(finite time disturbance observer based control,FTDOBC)的方法對燃料電池與超級電容器混合動力汽車能量存儲系統(tǒng)的電氣層進行研究；劉永剛等[9]基于工況識別以燃油消耗最小為控制目標，采用模擬退火粒子群算法對各類工況下能量管理策略中的關(guān)鍵參數(shù)進行離線優(yōu)化，對混合動力汽車能量管理策略進行優(yōu)化控制；ZHANG H T等[10]對新型集成式電液制動系統(tǒng)液壓控制單元進行設(shè)計，同時研究和分析了液壓單元的控制特性；韓云武等[11]以混合動力汽車為研究對象，對混合動力汽車在下坡輔助控制過程中的電液制動控制方法進行了研究和分析。眾多學(xué)者對混合動力汽車動力系統(tǒng)、能量系統(tǒng)及單一系統(tǒng)等方面的控制方法及控制形式進行研究和分析，為混合動力汽車動力系統(tǒng)及其他系統(tǒng)的精確控制、動力性和經(jīng)濟性提高等方面提供了有意義的借鑒，但是對混合動力汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)等多系統(tǒng)的電液復(fù)合控制等方面的研究較少。基于此，本研究以某型混聯(lián)式混合動力汽車為研究對象，對混聯(lián)式混合動力汽車中的動力轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)及懸掛系統(tǒng)中的電液控制系統(tǒng)進行研究，為混聯(lián)式混合動力汽車整車精確控制及電液系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行提供重要的參考。

1 混聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)組成

本文研究的混聯(lián)式混合動力汽車采用后輪驅(qū)動形式，整車動力系統(tǒng)主要由蓄電池、變壓器、發(fā)電機、發(fā)動機、電動機、動力傳動系統(tǒng)、差速器、車輪等組成。其主要動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 混聯(lián)式混合動力汽車動力系統(tǒng)組成

由圖1可知，混聯(lián)式混合動力主要靠電機、發(fā)動機為輔助，電動機和發(fā)動機都能單獨驅(qū)動汽車。由于系統(tǒng)中配置有獨立發(fā)電機，因而系統(tǒng)輸出的最大動力等于發(fā)動機、電動機以及充當電動機(部分情況)的發(fā)電機的輸出動力之和。混聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但動力性能和燃油經(jīng)濟型都相當出色。

混聯(lián)式與并聯(lián)式的區(qū)別與并聯(lián)式混合動力一樣，這種模式也有兩套驅(qū)動系統(tǒng)，但不同的是，混聯(lián)式有兩個電機。一個電動機僅用于直接驅(qū)動車輪，還有一個電機具有雙重角色：當需要極限性能的時候，充當電動機直接驅(qū)動車輪，整車功率就是發(fā)動機、兩個電機的功率之和；當電力不足的時候，就充當發(fā)電機，給電池充電。

2 混聯(lián)式混合動力汽車電液復(fù)合控制建模

電液復(fù)合控制是綜合性的技術(shù)，既有液壓系統(tǒng)出力大、體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快的特點，又具有電子技術(shù)的信號檢測、放大、傳輸及處理和控制靈活性方面的優(yōu)勢，使得電液復(fù)合控制具有控制精度高、響應(yīng)迅速、動態(tài)性能好、跟蹤誤差較小等優(yōu)良特點，在新能源汽車等新興領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在本研究的混聯(lián)式混合動力汽車中主要有動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)3個主要系統(tǒng)需要電液復(fù)合控制。基于專業(yè)電液復(fù)合控制仿真軟件AMESim聯(lián)合MATLAB對動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)電液復(fù)合控制進行仿真分析。

2.1 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電液復(fù)合控制建模

參照混聯(lián)式混合動力動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性，建立動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電液復(fù)合控制仿真模型如圖2所示。

圖2 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電液復(fù)合控制仿真模型

2.2 制動系統(tǒng)電液復(fù)合控制建模

參照混聯(lián)式混合動力動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性，建立制動系統(tǒng)電液復(fù)合控制仿真模型如圖3所示。

圖3 制動系統(tǒng)電液復(fù)合控制仿真模型

2.3 懸掛系統(tǒng)電液復(fù)合控制建模

參照混聯(lián)式混合動力動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性，建立懸掛系統(tǒng)電液復(fù)合控制仿真模型如圖4所示。

圖4 懸掛系統(tǒng)電液復(fù)合控制仿真模型

3 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上文建立的仿真模型，混聯(lián)式混合動力汽車主要關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 混聯(lián)式混合動力汽車主要關(guān)鍵參數(shù)

續(xù)表1

結(jié)合表1中混聯(lián)式混合動力汽車主要關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)定速度為0～144 km/h，設(shè)定工況為加速-減速-加速行駛。對上文中仿真模型進行數(shù)值計算，得到動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)電液復(fù)合控制仿真結(jié)果如下文所述。

3.1 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電液復(fù)合控制仿真

仿真計算得到動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液壓油壓力及動力轉(zhuǎn)向力矩分布分別如圖5、圖6所示。

圖5 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)壓力

圖6 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中動力轉(zhuǎn)向力矩分布

由圖5可知，混聯(lián)式混合動力汽車在設(shè)定速度和設(shè)定工況下，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)壓力呈現(xiàn)先增加后在3.0 MPa上下波動的情況，且在振動頻率為20 Hz時，液壓系統(tǒng)壓力達到最大峰值。為了避免液壓系統(tǒng)壓力波動較大，設(shè)計過程中盡量避免上述共振頻率。

由圖6可知，混聯(lián)式混合動力汽車在設(shè)定速度和設(shè)定工況下，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中動力轉(zhuǎn)向器輸出力矩也呈現(xiàn)先增加后在4 000 Nm上下波動的情況。

3.2 制動系統(tǒng)電液復(fù)合控制仿真

仿真計算得到混聯(lián)式混合動力汽車在加速-減速-加速過程中制動系統(tǒng)車速及制動力分布如圖7、圖8所示。

圖7 制動系統(tǒng)車速分布

圖8 制動力分布

由圖7可知，混聯(lián)式混合動力汽車在設(shè)定速度和設(shè)定工況下，在減速制動過程中實際控制下車速與理論車速存在一定的差異，且在制動初始階段差異較大，然后逐漸減小直至無差異。

由圖8可知，混聯(lián)式混合動力汽車在設(shè)定速度和設(shè)定工況下，在減速制動過程中實際控制下制動力小于理論制動力，也存在一定的差異，且在制動初始階段差異較大，然后逐漸減小直至無差異。

3.3 懸掛系統(tǒng)電液復(fù)合控制仿真

仿真計算得到懸掛系統(tǒng)中無、有半主動控制懸掛力-速度曲線分別如圖9、圖10所示。

圖9 無半主動控制懸掛力-速度曲線

圖10 有半主動控制懸掛力-速度曲線

由圖9、圖10可知，混聯(lián)式混合動力汽車在設(shè)定速度和設(shè)定工況下，在不同控制方式、不同速度下懸掛力不同，但懸掛力隨速度變化的趨勢基本一致。對比圖9和圖10可知，有半主動控制下在同一速度下懸掛力前后差值小于無半主動控制，說明在混聯(lián)式混合動力汽車懸掛系統(tǒng)中電液復(fù)合控制系統(tǒng)中增加半主動控制時控制效果更優(yōu)。

4 試驗驗證

基于上文仿真分析，選擇混聯(lián)式混合動力汽車中最易獲得試驗數(shù)據(jù)的制動系統(tǒng)進行試驗。依托某專業(yè)第三方檢測機構(gòu)，對混聯(lián)式混合動力汽車進行道路試驗，混聯(lián)式混合動力汽車制動試驗場景如圖11所示。

圖11 混聯(lián)式混合動力汽車制動試驗場景

根據(jù)圖11所示的混聯(lián)式混合動力汽車制動試驗場景，進行加速-減速-加速速度為0～144 km/h行駛工況，制動試驗與對應(yīng)仿真計算對比結(jié)果如表2所示。

表2 混聯(lián)式混合動力汽車制動試驗與對應(yīng)

由表2可知，混聯(lián)式混合動力汽車制動力理論計算值為3.015 kN，實際控制條件下制動力均值為2.568 kN，試驗測量制動力為2.459 kN，實際控制條件下制動力相對于試驗測量制動力相對誤差4.23%，相對誤差較小，驗證了仿真分析的正確性。由于理論計算模型中未考慮車輛在實際運行中環(huán)境、天氣溫度和濕度、車輪氣壓、路面情況等因素，從而導(dǎo)致理論計算值偏大。

5 結(jié)語

1)仿真結(jié)果表明：混聯(lián)式混合動力汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電液復(fù)合控制條件下液壓油及轉(zhuǎn)向力矩存在一定的波動；制動系統(tǒng)中電液復(fù)合控制下車速及制動力也存在一定的波動；懸掛系統(tǒng)中引入半主動控制電液復(fù)合控制效果更優(yōu)。

2)軟件仿真可以較準確地對混聯(lián)式混合動力汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)電液復(fù)合控制趨勢進行預(yù)測，但是與實際測量值還是存在差異，需要根據(jù)后續(xù)試驗參數(shù)不斷調(diào)整、修正，以得到最優(yōu)控制方式。

3)以混聯(lián)式混合動力汽車為主要目標的新能源汽車及以電液復(fù)合控制條件下的智能化控制在未來是眾多研究者著重關(guān)注和深入研究的方向。