李將彬, 吳學雷, 李洪彪

(北京航天發(fā)射技術研究所，北京 100076)

為了擴大導彈的打擊范圍，導彈重量和尺寸不斷增加.當發(fā)射平臺采用純機械驅動時，車輛載荷的增加使得動力傳動系統(tǒng)的設計和布置相對困難[1].而且未來戰(zhàn)爭要求大型發(fā)射平臺具有快速反應能力、高速機動能力，要求發(fā)射平臺能在廠房內靜默行駛、發(fā)動機發(fā)生故障時短距離行駛、在極端工況下有足夠的驅動力.常規(guī)導彈發(fā)射平臺受制于發(fā)動機功率及變速箱等傳動總成能力的限制，機動性能提升有限，也難以同時滿足上述需求.

目前，混合動力技術已經在乘用車和商業(yè)車上得到應用.美國等西方國家對軍用混合動力技術開展了多年的研究工作，隨著技術的進步和軍用需求的迫切，可以預見不遠的未來最終將實現(xiàn)混合動力軍用車輛的裝備[2].與傳統(tǒng)車輛相比，混合動力車輛增加了驅動電機，提高了總功率和扭矩；提高了燃油經濟性，有利于提升部隊后勤保障能力[2]；一些特殊情況下可以采用純電動工作模式，實現(xiàn)靜默行駛，可以降低噪音和熱輻射，具有隱蔽行駛的功能.這都符合未來發(fā)射平臺的發(fā)展要求.

文中的目的是總結國內外車輛機電復合驅動技術的研究成果，為用于導彈武器系統(tǒng)的機電復合驅動多軸特種車輛發(fā)展方向提出建議.

1 混合動力車輛的分類

混合動力車輛有多種分類方法，如按連接部件的位置分類、按混合比的大小分類及按驅動系統(tǒng)的復雜程度分類[3].根據動力傳遞路線，可以將混合動力汽車劃分為：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和復合式4種類型[4].

(1)串聯(lián)式混合動力車輛

串聯(lián)式混合動力車輛的發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電.發(fā)電機發(fā)出的電能供給驅動電動機或存儲于動力電池中，如圖1所示.該驅動系統(tǒng)結構布置自由度大，控制難度小，但傳動效率較低.

圖1 串聯(lián)式混合動力車輛

(2)并聯(lián)式混合動力車輛

并聯(lián)式混合動力車輛的發(fā)動機和電動機通過動力耦合裝置與傳動軸連接，車輛既可以由發(fā)動機經傳動系統(tǒng)機械驅動，又可以由驅動電機經傳動系統(tǒng)驅動，如圖2所示.該驅動系統(tǒng)傳動效率較高，但結構復雜，布置受到一定限制.

圖2 并聯(lián)式混合動力車輛

(3)混聯(lián)式混合動力車輛

混聯(lián)式混合動力車輛是在并聯(lián)式混合動力車輛的基礎上，增加了由發(fā)動機經發(fā)電機發(fā)電給電機，再由電機驅動車輛的傳遞路線，是串聯(lián)式與并聯(lián)式的結合，如圖3所示.該驅動系統(tǒng)的其工作模式更多，結構和控制最復雜，要求布置更緊湊.

圖3 混聯(lián)式混合動力車輛

(4)復合式混合動力車輛

復合式混合動力車輛的前(后)軸由發(fā)動機單獨驅動，后(前)軸由驅動電機單獨驅動，兩種動力系統(tǒng)不需要特定的動力耦合裝置，而是通過路面實現(xiàn)動力耦合，所以該構型也被稱為TTR HEV(through-the-road hybrid electric vehicle).驅動構型如圖4所示.該驅動系統(tǒng)可由傳統(tǒng)汽車底盤改裝而來，制造成本較低，結構簡單，布置方便.

圖4 復合式混合動力車輛

機電復合驅動的發(fā)動機和電機分別向不同的驅動橋提供驅動力，是常規(guī)驅動技術與混合動力技術相結合的產物，兼具常規(guī)車輛的動力性、通過性、操縱性和混合動力車輛的經濟性[5].

2 機電復合驅動技術研究現(xiàn)狀

目前，國內外科研機構已經研發(fā)出機電復合驅動混合動力原型車.20世紀90年代末，法國雷諾汽車公司推出“Next”插電式機電復合驅動混合動力汽車；馬來西亞理工大學的團隊將傳統(tǒng)汽車改裝為帶輪轂電機的機電復合驅動汽車[6-7]；北京理工大學對8×8型多軸輪式機電復合驅動車輛展開了研究[4][8-9]，該車的柴油發(fā)動機額定功率為330 kW，在極限機動的工況下，動力電池可以5C放電率提供300 kW的功率，其驅動系統(tǒng)如圖5所示；湖南大學與長豐集團聯(lián)合研制了CFA6470HEV機電復合驅動越野車[10]；合肥工業(yè)大學的團隊著重研究了插電式機電復合驅動轎車[11].針對機電復合驅動混合動力技術的主要研究方向有能量分配控制、模式切換過程的協(xié)調控制和牽引力控制等.

圖5 8×8機電復合驅動系統(tǒng)示意圖

2.1 能量分配控制技術

2.1.1 國外研究現(xiàn)狀

馬來西亞的S. A. Zulkifli等[6-7]以加速踏板位置、車速和發(fā)動機效率為門限，設計了邏輯門限能量分配控制策略.伊朗的N. Fallahi等[12]對比了邏輯門限控制策略和模糊邏輯控制策略，發(fā)現(xiàn)車輛在模糊邏輯控制策略下有更好的燃油經濟性和排放性能，同時動力電池SOC能維持在理想范圍內；H. Moghbeli等[13]提出了采用雙模糊控制器的能量管理策略，其中一個控制器以(SOC-SOC_min)/(SOC_max-SOC_min)為輸入，另一個控制器以SOC和其導數(shù)為輸入，可有效避免電池SOC的急劇下降.美國的J. B. Holtz 等[14]提出了基于路面載荷的功率分配方法：緩慢變化的負載由發(fā)動機提供，急速變化的負載由電機提供；意大利的C. Pisanti等[15]采用以SOC為狀態(tài)變量，功率分配系數(shù)為控制量，最小燃油消耗為代價函數(shù)的動態(tài)規(guī)劃方法優(yōu)化了整車能量分配策略.

2.1.2 國內研究現(xiàn)狀

上海交通大學的馬東兵等[16]設計了邏輯門限能量管理策略，保證發(fā)動機工作在高效區(qū)域.但靜態(tài)邏輯門限控制策略無法保證車輛燃油經濟性最優(yōu).張軍等[17]提出一種可變邏輯門限控制策略，以發(fā)動機和驅動電機的輸出特性、電池的SOC為主要依據計算動態(tài)功率門限值.華南理工大學的黃向東[18]等提出一種工作模式規(guī)則控制和優(yōu)化控制相結合的復合型控制策略，對主要的工作模式采用基于系統(tǒng)效率最優(yōu)的瞬時優(yōu)化方法求解.浙江大學的江冬冬等[19]建立機電復合驅動車輛效率分析模型，對比傳統(tǒng)規(guī)則策略與動態(tài)規(guī)劃控制策略的仿真結果，獲得新規(guī)則控制策略；并采用學習向量量化神經網絡識別實際運行工況，提高新規(guī)則控制策略在不同工況下的適應性.湖南大學的余群明[20]]采用模糊邏輯方法設計能量分配控制策略，根據需求轉矩、電池電量、電機轉速、傳東系速比和車速決定發(fā)動機扭矩、驅動電機扭矩、啟動電機扭矩大?。稽S偉博士[10]將優(yōu)化計算方法得到的功率分配結果作為制定模糊控制規(guī)則的指導依據，提出了基于瞬時優(yōu)化的模糊邏輯控制策略.廣州汽車集團的夏珩等[21]基于發(fā)動機效率、ISG 電機效率、后軸驅動電機效率，以系統(tǒng)總效率最優(yōu)為目標函數(shù)實現(xiàn)多動力源的功率分配.

2.1.3 研究現(xiàn)狀分析

針對機電復合驅動車輛的能量分配控制策略的研究，主要方法有兩種：(1)基于規(guī)則的邏輯門限控制策略及其優(yōu)化，包括適應動態(tài)工況的可變邏輯門限控制策略、基于規(guī)則與效率最優(yōu)控制策略相結合和基于規(guī)則與動態(tài)規(guī)劃控制策略相結合，優(yōu)化后的控制策略對動態(tài)工況有一定的適應性；(2)模糊邏輯控制策略及其優(yōu)化，對模糊邏輯控制策略進行了深入研究、并將其與瞬時優(yōu)化控制策略相結合進行優(yōu)化.此外對智能控制算法，如神經網絡算法，也進行了初步研究.在理論研究上國內與國外并無明顯差距.

2.2 模式切換協(xié)調控制技術

2.2.1 國外研究現(xiàn)狀

機電復合驅動混合動力車輛的模式切換動態(tài)協(xié)調控制與并聯(lián)式混合動力車輛的控制內容和原理相似，針對這方面的研究，Roy等[22]設計了發(fā)動機轉矩觀測器，實時計算發(fā)動機的動態(tài)轉矩，通過電動機輸出相應的補償轉矩來抵消發(fā)動機的轉矩遲滯；Korowais等[23]將工作模式劃分為不同的子域，并設計了相應的狀態(tài)控制器，分析了混雜系統(tǒng)下的模式切換協(xié)調控制問題.V. T. Minh和A. Rashid等[24]采用模型預測的控制方法，以離合器完全接合后的速度和轉矩值為目標值，控制離合器接合過程，使輸出速度和轉矩逐步轉變?yōu)槟繕酥担籖. Beck等[25]重點關注了離合器接合過程及系統(tǒng)平順性問題，將離合器轉矩作為已知擾動量，設計了模型預測控制器處理切換過程；Kim等[26]考慮發(fā)動機轉矩誤差干擾和離合器轉矩干擾，設計了含擾動項的觀測器，采用電機轉矩補償，從而降低模式切換沖擊.

2.2.2 國內研究現(xiàn)狀

清華大學的童毅等[27]分析了動態(tài)協(xié)調控制問題的產生原因及研究的必要性，提出“發(fā)動機轉矩開環(huán)+發(fā)動機動態(tài)轉矩估計+電動機轉矩補償”的控制算法；湖南大學的黃偉[10]提出了動態(tài)協(xié)調控制品質的評價指標，總結出模式切換時傳動系統(tǒng)的工作過程和控制要點；張軍等[28]提出一種新的電機轉矩算法來實現(xiàn)純電動模式與發(fā)動機工作模式的平順切換，算法根據發(fā)動機輸出轉矩計算出電機等效輸出轉矩；同濟大學的趙治國等[29]研究了從純電動驅動模式到混合驅動模式的切換過程，以混雜系統(tǒng)切換為理論依據，設計出無擾動模式切換控制策略.合肥工業(yè)大學的錢立軍等[11]提出一種“發(fā)動機調速+離合器模糊PID控制+發(fā)動機動態(tài)轉矩查表+雙電機轉矩補償控制”轉矩協(xié)調控制方法；北京交通大學的趙敏敏[30]全面研究了動態(tài)協(xié)調控制策略，包括離合器動態(tài)控制的同步調速、快速結合及逐步加載；變速箱動態(tài)過程的卸載摘擋、同步調速和加載掛檔等.

2.2.3 研究現(xiàn)狀分析

針對機電復合驅動車輛的模式切換協(xié)調控制策略的研究，一些學者分析了動態(tài)協(xié)調控制品質的評價指標，采用了發(fā)動機轉矩查表、估計和電機轉矩補償?shù)目刂品椒?大都單獨研究了純電動模式與混合驅動模式或純電動模式與純發(fā)動機模式間的切換.國外還采用模型預測的方法對離合器的接合過程進行控制，而國內很少有文獻考慮離合器的接合過程.

2.3 穩(wěn)定性控制技術

2.3.1 國外研究現(xiàn)狀

日立汽車公司[31]根據發(fā)動機及驅動電機轉矩狀態(tài)，分析計算出驅動輪與路面間的利用附著系數(shù)，得到目標驅動和制動轉矩，然后協(xié)調發(fā)動機、電機及制動器的控制器，實現(xiàn)驅動防滑控制；德國 E. Galvagno 等[32]通過時域和頻域響應分析研究了機電復合驅動汽車的駕駛性能和傳動系統(tǒng)的動力傳遞特性，提出能平衡模型復雜度和控制效果的有效模型，描述了前后軸轉矩分配對車輛駕駛性能的影響；美國的Amanda Hyde等[33]通過分析傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性和輪胎的摩擦特性，提出可以通過合理地選擇工作模式使車輛在低附著路面下實現(xiàn)車輪防滑驅動控制；伊朗的P. Naderi[34]以橫擺角速度偏差和橫擺角速度變化率為參考值，采用模糊邏輯方法計算兩后輪的驅動轉矩差，從而得到輪轂電機的輸出目標轉矩；美國的R. Osborn等[35]引入前后軸轉矩分配系數(shù)和左右車輪轉矩分配系數(shù)，與橫擺角速度、側向加速度一起作為變量，計算各車輪需求轉矩；Ossama Mokhiamar 等[36]提出以輪胎側向力及縱向力最優(yōu)分布為目標，通過優(yōu)化加權系數(shù)來改善整車操控性與穩(wěn)定性.

2.3.2 國內研究現(xiàn)狀

上海交通大學的朱建新[37]提出了在四驅模式下根據前后軸轉速差確定轉矩分配比的方法；華南理工大學的黃向東[18]通過對比當前路面與標準道路的滑轉率和縱向附著系數(shù)曲線，采用模糊邏輯控制方法，估計當前路面下的最優(yōu)滑轉率，以此調節(jié)電機輸出扭矩的大??；同濟大學的趙治國[38]綜合比例、模糊和比例積分控制的優(yōu)點，開發(fā)了P-Fuzzy-PI多模態(tài)分段驅動防滑控制算法；重慶大學的謝鳴[39]根據驅動輪角加速度、驅動轉矩及滑轉率之間的關系確定最佳角加速度α，并以此作為控制目標，制定加速踏板開度修正控制策略、前后驅動軸轉矩分配控制策略及前、后限滑差速轉矩控制策略；徐凌凡等[40]依據兩側力矩大小相同方向相反的原則，通過動態(tài)比例調節(jié)前后軸的力矩分配，基于仿真分析了不同比例系數(shù)下的控制效果；吉林大學的陳國迎[41]在整車控制分配器的設計中，考慮了各等式約束與不等式約束，并引入加權輪胎利用率平方和最小為優(yōu)化目標；北京理工大學的許明銳[4]以實際橫擺角速度及質心側偏角與理想值間的偏差作為輸入，建立了基于 PID 控制的橫擺力矩決策模塊，以輪胎附著利用率最優(yōu)為優(yōu)化目標，建立了目標橫擺力矩到各車輪縱向力的分配方法.

2.3.3 研究現(xiàn)狀分析

國外從控制方法、動力傳遞特性、模型等方面對此機電復合驅動車輛穩(wěn)定性控制技術進行研究，理論基礎相對完善.國內在這方面的研究較少，與國外差距較大.

3 機電復合驅動關鍵技術

從機電復合驅動技術的研究現(xiàn)狀來看，整車能量控制技術和車輛穩(wěn)定性控制技術是目前的研究熱點，也是機電復合驅動車輛發(fā)展的關鍵技術.此外，驅動電機是作為車輛的重要動力部件，也是值得重視的研究點.

3.1 整車能量控制技術

整車能量控制策略包括能量分配控制策略和模式切換過程中的協(xié)調控制策略.能量分配控制策略的目標就是在保證動力性的基礎上，使發(fā)動機、發(fā)電機等部件盡可能工作在高效區(qū)域.同時，機電復合驅動車輛不同工作模式間的切換常伴隨不同動力源輸出轉矩和轉速的大幅變化，發(fā)動機響應速度較慢，會導致一段時間內動力不足.切換過程中離合器接合過快會造成車輛沖擊，接合過慢會造成離合器磨損、動力中斷或不足.模式切換過程中協(xié)調控制策略的好壞決定了整車動力性和乘員舒適性的優(yōu)劣.

目前，能量分配控制策略主要采用了邏輯門限控制策略與模糊邏輯控制策略.單一的控制策略都有其局限性，如邏輯門限控制策略的門限值不能隨工況動態(tài)變化，控制效果較差；全局優(yōu)化控制策略必須已知循環(huán)工況，計算復雜，不適合實時控制.如果將兩種或多種控制策略相結合，會有較好的控制效果.目前已有多位學者采用這種方法對控制策略進行了優(yōu)化，取得不錯的效果，能量分配控制策略的組合化是能量分配控制的發(fā)展趨勢之一.同時，隨著智能算法的不斷發(fā)展，基于人工智能的能量管理策略將有光明的前景，智能控制能很好地處理非線性問題，其強大的自學習能力可以適應車輛不斷變化的行駛工況，控制更加精確，能量分配控制策略的智能化也是未來研究的主要方向.

目前，動態(tài)協(xié)調控制中的發(fā)動機轉矩大都由轉矩查表估計得到，精度和動態(tài)適應性差.為了使電機補償轉矩更加準確，必須精確測得發(fā)動機瞬時轉矩，并合理控制離合器的接合，從而控制離合器的傳遞轉矩，得到發(fā)動機傳遞給車輪的實際驅動轉矩.發(fā)動機轉矩識別和離合器的精確化控制是協(xié)調控制的研究重點.

3.2 車輛穩(wěn)定性控制技術

車輛穩(wěn)定性控制技術包括車輛防滑控制和橫擺力矩控制.車輛在濕滑、冰雪路面上行駛，經常會出現(xiàn)輪胎滑轉的現(xiàn)象.一方面會加快輪胎的磨損，另一方面會降低輪胎的側向附著力，導致車輛側滑、甩尾，甚至造成事故.車輛轉彎時，若不滿足目標橫擺力矩會導致過多或不足轉向，不能按照駕駛員意圖完成轉向，過多轉向甚至會造成車輛失控.機電復合驅動車輛軸間獨立驅動的特性可合理控制各軸或各輪驅動力、制動力，防止車輪滑轉，提高車輛轉向過程的穩(wěn)定性、安全性.

對于機電復合驅動混合動力車輛，考慮到驅動電機轉矩響應速度快、控制精確，且制動/驅動切換容易，可不再利用防抱死制動系統(tǒng)來實施驅動防滑功能.車輪打滑或車輛不穩(wěn)定時將優(yōu)先利用驅動電機進行驅動力控制，發(fā)動機轉矩調節(jié)響應速度較慢，可用來輔助驅動力控制，必要時再利用傳統(tǒng)制動機構.目前的研究方法主要是調節(jié)驅動電機與發(fā)動機的輸出轉矩，隨著研究的深入，如何在滑轉和失穩(wěn)時合理分配驅動電機、發(fā)動機和制動機構間的驅動力/制動力將受到研究人員的重視.

3.3 驅動電機及其控制技術

驅動電機是機電復合驅動混合動力車輛的關鍵部件之一.從工作要求來看，驅動電機要有較寬的調速范圍及恒轉矩范圍，以及較高的過載系數(shù)，能在較寬的工作區(qū)域內高效運行；其次，驅動電機工作過程中會有轉矩模式和轉速模式，電機控制應當精確、穩(wěn)定且響應迅速；另外，驅動電機還要有較高的功率密度，且成本不能過高，散熱、耐溫和耐潮性能要強，能在較惡劣的環(huán)境下長期工作.

傳統(tǒng)車輛為保證換擋平順，需要通過離合器分離、接合和同步器同步接合套與接合齒圈轉速來減小換擋沖擊.機電復合驅動混合動力車輛的電驅橋可以取消離合器和同步器，利用電機快速精確的轉矩與轉速響應，與換擋機構協(xié)調控制，實現(xiàn)平順換擋.這種換擋控制可改善車輛動力中斷過長與換擋沖擊較大的不足，同時可降低系統(tǒng)成本與重量，提高傳遞效率.在無離合器、無同步器的換擋系統(tǒng)中，對電機的轉速調節(jié)能力提出更高的要求，是未來的研究重點.

相比于電機+驅動橋的結構布置，輪轂電機直接驅動車輪的布置有一系列優(yōu)勢：傳遞效率高，控制靈活，可降低整車質量，能有效地節(jié)省底盤空間，從而增加乘客空間.這種布置對電機提出更高的要求：體積更小，扭矩更大，更高的能量回收效率.輪轂電機是驅動電機重要的研究方向之一.

4 結 論

機電復合驅動混合動力技術是近年逐漸發(fā)展起來的，國內外學者將研究重點放在串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動力車輛上，所以機電復合驅動技術的研究成果相對較少.國外學者更多地關注車輛穩(wěn)定性控制，國內學者則更多的對能量控制策略展開研究，但都處于起步階段，發(fā)展空間很大.

隨著人工智能、車聯(lián)網、大數(shù)據技術的發(fā)展，混合動力車輛將能通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)、智能駕駛系統(tǒng)和智能交通系統(tǒng)，融合現(xiàn)代通信與網絡技術，獲取下一路段的路況信息，采用智能控制方法預測未來一段路線上的駕駛功率需求，為車輛控制提供判斷基礎，充分發(fā)揮機電復合驅動車輛的優(yōu)勢[42].隨著微電網技術的發(fā)展和V2G(vehicle to grid)概念的提出，插電式機電復合驅動混合動力技術將是發(fā)展的新方向，車輛與電網智能互聯(lián)，有效地儲存和循環(huán)電能[43].

從國家戰(zhàn)略發(fā)展的角度來看，政府制定實施了一系列新能源汽車發(fā)展政策，車企將在未來的某個節(jié)點停售燃油車.而據公安交管局統(tǒng)計，截止2017年3月底，我國機動車保有量突破3億輛，其中，汽車達2億輛，傳統(tǒng)燃油車的基數(shù)大，直接摒棄是不現(xiàn)實的，將傳統(tǒng)燃油車改裝為機電復合驅動混合動力車輛是有效可行的方式.

機電復合混合動力車輛的機械橋與電驅橋獨立驅動，僅需在傳統(tǒng)車輛的結構基礎上加裝驅動電機及控制器，成本較低，有很好的應用前景[4].尤其是對卡車而言，其底盤空間大，可操作性更強.兩套動力驅動系統(tǒng)可以保證車輛在一套系統(tǒng)失效的情況下帶故行駛，提高了行駛可靠性.該構型能有效地解決現(xiàn)役發(fā)射平臺動力性提升、超大型發(fā)射平臺發(fā)動機功率不足等問題.