劉桓龍，陳冠鵬，王家為

(1. 西南交通大學，先進驅(qū)動節(jié)能技術教育部工程研究中心，成都 610031；2. 西南交通大學機械工程學院，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，能源問題日益嚴峻[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)展新能源動力技術成為研究重點，以電動和混動汽車為代表的新能源車輛應運而生。然而，受制于動力電池技術等問題，純電動汽車在城市工況下的運行效率不高，續(xù)駛里程及蓄電池壽命較短，嚴重限制其推廣和普及[2]。

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

對電動車輛而言，蓄電池的工作狀態(tài)是制約整車續(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電機處于大轉(zhuǎn)矩輸出狀態(tài)[9]，通過將單一動力源車輛改為復合動力源[10]，以系統(tǒng)能量消耗最小等作為控制目標，制定相應的管理策略，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。對復合動力源車輛而言，如何使各動力源協(xié)同高效運行是提升系統(tǒng)性能的主要因素，因此需要對切換系統(tǒng)工作模式、調(diào)節(jié)電機工作狀態(tài)和相應能量管理策略進行深入研究[11－12]。

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

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)混合動力系統(tǒng)。根據(jù)車速及駕駛員意圖等行駛場景的變化，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程引起的轉(zhuǎn)矩沖擊，保護蓄電池，延長續(xù)駛里程。

1 電液混合動力系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

雙軸電液并聯(lián)混合動力系統(tǒng)構成如圖1 所示。

圖1 混合動力系統(tǒng)原理

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

1.2 系統(tǒng)工作模式

所設計的電液混合動力系統(tǒng)對應于不同行駛場景下的工作模式如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)驅(qū)動模式

為防止車輛起步時電機峰值轉(zhuǎn)矩輸出對蓄電池的不利影響，起步時關閉電機，液壓動力系統(tǒng)提供全部動力，根據(jù)蓄能器壓力與加速信號確定液壓泵/馬達排量，功率流如圖2(a)所示。達到指定車速后空載起動電機，可避免蓄電池強電流放電。

正常行駛時，系統(tǒng)工作于純電模式，電機驅(qū)動效率較高。加速時，為避免電機轉(zhuǎn)矩沖擊，由加速信號與蓄能器壓力確定液壓泵/馬達排量，與電機共同提供行駛所需動力，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，制動時液壓泵/馬達工作于泵工況回收能量，根據(jù)制動強度及蓄能器壓力等確定液壓泵/馬達排量，動態(tài)提供制動轉(zhuǎn)矩，減少機械制動裝置發(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，電機工作點效率低，為保證液壓系統(tǒng)的動力輸出連續(xù)性，控制液壓泵/馬達在車軸驅(qū)動下向高壓蓄能器平行充液，調(diào)節(jié)電機工作點效率的同時將富余電能轉(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 車輛動力學

本文中以成都市區(qū)運行的某蓄電池公交車為對象展開研究，其整車參數(shù)見表1。

表1 電動公交車整車參數(shù)

車輛在平直道路和坡道上行駛時須克服來自道路的多重阻力，計算公式如下:

滾動阻力Ff計算如下:

式中:Cr為車輛滾動阻力系數(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為風阻系數(shù)；A為迎風面積；v為車速。

坡道阻力Fi計算如下:

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。

車輛行駛時的負載轉(zhuǎn)矩滿足:

式中R為車輪半徑。

2.2 液壓元件參數(shù)匹配

所設計的電液混合動力系統(tǒng)要求液壓動力系統(tǒng)能獨立提供車輛行駛所需全部動力?？紤]公交車底盤空間限制，液壓系統(tǒng)所占體積不宜過大，選取液壓動力系統(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/馬達輸出轉(zhuǎn)矩滿足:

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

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

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

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

蓄能器在制動時可回收的最大能量Ereg滿足:

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

液壓系統(tǒng)最低工作壓力應可提供車輛制動強度為0.1 時所需全部制動力，即

根據(jù)上述分析，液壓系統(tǒng)主要參數(shù)見表2。

表2 液壓系統(tǒng)參數(shù)

2.3 蓄電池及電機數(shù)學模型

大電流放電是影響蓄電池壽命的主要因素[7]，蓄電池作為電動車輛整車動力源，其放電電壓、電流和功率PB的關系[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。

電機輸出功率PE為

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

因此，蓄電池放電電流I為

車輛在起步和加速時頻繁發(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。由式(15)可知，當轉(zhuǎn)速一定時，減小轉(zhuǎn)矩沖擊或改善電機工作點效率可減小蓄電池電流，提高能量利用率，延長壽命和續(xù)航。

3 仿真模型與結(jié)果分析

3.1 仿真模型

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

圖3 仿真模型

3.2 基于規(guī)則的動態(tài)優(yōu)化能量管理策略

能量管理策略是實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)性能的重要因素，目前應用于混合動力系統(tǒng)的能量管理策略主要以基于規(guī)則、全局優(yōu)化和瞬時優(yōu)化為主，其中基于規(guī)則的控制策略應用最為廣泛。結(jié)合stateflow 軟件在設定規(guī)則下控制系統(tǒng)工作模式切換方面的優(yōu)勢，為有效提升電液混合動力系統(tǒng)的能量管理特性，本文中制定了基于規(guī)則的動態(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。

車輛運行時，通過采集當前車速v、駕駛員發(fā)出的加速信號ACC 及制動信號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行狀態(tài)(起步、加速、勻速、制動)。驅(qū)動工況下，主控制器通過加速信號ACC 判斷電機是否位于高效區(qū)域。若電機輸出轉(zhuǎn)矩過大，峰值轉(zhuǎn)矩引起的蓄電池大電流放電會危害其使用壽命，此時保持電機輸出轉(zhuǎn)矩盡可能不增加，由當前蓄能器壓力及需求轉(zhuǎn)矩確定液壓泵/馬達的工作排量，電機和液壓泵/馬達共同提供動力；若電機輸出轉(zhuǎn)矩較小，則其工作點效率較低，能量利用情況差，此時混合動力系統(tǒng)進入平行充液模式，改善電機工作點分布情況。

圖4 基于規(guī)則的動態(tài)優(yōu)化能量策略

當車輛以速度v勻速行駛且系統(tǒng)處于平行充液模式時，假設當前車輛需求轉(zhuǎn)矩為T1，高壓蓄能器初始壓力為p，當前壓力為p′，進入平行充液模式后，電機輸出轉(zhuǎn)矩T滿足:

電機轉(zhuǎn)速滿足:

式中ie為純電動力系統(tǒng)減速比。

因此，蓄電池當前輸出功率滿足:

液壓泵/馬達工作在泵工況時，其轉(zhuǎn)速nm滿足:

式中im為液壓動力系統(tǒng)減速比。

平行充液模式下液壓泵/馬達出口流量Q滿足:

式中ηmv為液壓泵/馬達容積效率。

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)進入平行充液模式時，通過采集車輛當前車速及液壓動力系統(tǒng)關鍵元件參數(shù)，可將式(24)和式(25)化簡為關于時間t的函數(shù)?？紤]到液壓管路的泄漏損失及機械傳動效率等因素的影響，蓄能器增加的能量略小于蓄電池消耗的能量。通過使二者盡可能相等，可確定當前行駛場景下平行充液模式的最佳持續(xù)時間，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態(tài)優(yōu)化狀態(tài)，提升動力系統(tǒng)的綜合性能。

制動工況下，系統(tǒng)根據(jù)駕駛員意圖、制動強度及高壓蓄能器壓力等參數(shù)實時判斷對應于當前行駛場景下的最佳制動模式。當制動強度較小時，系統(tǒng)處于液壓再生制動模式，液壓泵/馬達工作于泵工況提供全部制動轉(zhuǎn)矩；當制動需求轉(zhuǎn)矩較大時，在保證制動安全前提下優(yōu)先進入液壓再生制動模式，機械制動裝置輔助輸出剩余部分，盡可能多回收制動能量，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際行駛場景下的各種工作環(huán)境，基于該工況的車輛動力及經(jīng)濟性能評估更具有參考價值。本文中研究對象正是市區(qū)公共道路運行的蓄電池公交車，因此設定整車及控制模型在CCBC 循環(huán)工況下進行仿真，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)關鍵元件參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，選取前300 s 的仿真結(jié)果進行分析，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，電液混合動力模式下車速滿足要求，動力性能良好，高壓蓄能器可在加速時有效進行放液輔助并在制動時回收制動能量。電機位于低效率工作區(qū)間時，電液混合動力系統(tǒng)可通過液壓單獨提供動力和平行充液兩種工作模式對電機工作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，符合管理策略的控制需求。由圖6(b)可知:液壓泵/馬達可在加速時輔助輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，減小電機的轉(zhuǎn)矩沖擊；在減速制動時根據(jù)制動強度變化動態(tài)提供制動轉(zhuǎn)矩，減輕機械制動裝置磨損，保障行車安全。

電機輸出轉(zhuǎn)矩與工作點效率如圖7 所示。

圖7 仿真結(jié)果

由圖可知，電液混合驅(qū)動時起步所需動力全部由液壓系統(tǒng)提供，車輛起步后快速空載起動電機，避免起步轉(zhuǎn)矩沖擊對蓄電池的不利影響。電機輸出轉(zhuǎn)矩變化趨勢較為平緩，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力模式切換下，電機工作點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)動模式電量消耗明顯低于純電驅(qū)動?；谏鲜龇抡娼Y(jié)果可知，當蓄電池電量完全消耗后，電液混合動力系統(tǒng)總續(xù)航約261.7 km，純電動力系統(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，改為電液混合動力系統(tǒng)可有效減少工作充電次數(shù)，降低運營成本。

3.4 實際調(diào)研行駛工況仿真結(jié)果分析

在車輛設計周期內(nèi)，主要基于軟件仿真等手段對所設計動力系統(tǒng)的綜合使用性能進行評估預測。通過建立相應的整車模型并使其在指定循環(huán)行駛工況下運行，可觀測各動力參數(shù)變化趨勢及車輛續(xù)航、油耗等指標，因此行駛工況的選取對車輛參數(shù)設計及性能評估的影響極大。

本文中對所選蓄電池公交車實地行駛狀況進行調(diào)研以提高仿真結(jié)果的參考價值，考慮公共交通車輛實際運行時可能遇到的各種場景，選取調(diào)研路線包含住宅區(qū)、學校、景區(qū)、超市、醫(yī)院和公共交通換乘點等典型場所，如圖9(a)所示。

基于圖9(a)所示行駛路線，通過速度檢測設備記錄車輛行駛過程的實時車速，對速度數(shù)據(jù)進行分析并擬合，繪制該類公交車實際循環(huán)工況曲線(見圖9(b))，工況參數(shù)如圖9(c)所示。

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

圖9 城市公交車實際循環(huán)工況調(diào)研

圖10 實際工況下仿真結(jié)果

由圖可知，在實際調(diào)研工況下，電液混合驅(qū)動時，車輛起步所需動力全部由液壓泵/馬達提供，電機峰值轉(zhuǎn)矩相比純電驅(qū)動減小約33.0%，車輛續(xù)駛里程增加約20.0%。液壓泵/馬達根據(jù)加速或制動信號強度輔助輸出驅(qū)動或制動轉(zhuǎn)矩，通過平行充液及液壓單獨驅(qū)動兩種模式調(diào)節(jié)電機工作點分布，可顯著提高系統(tǒng)的綜合能量利用效率。

4 試驗驗證

為驗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，搭建了相應的電液混合動力系統(tǒng)試驗平臺。電機與液壓泵及液壓泵/馬達與加載系統(tǒng)之間均設有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀，用于檢測和實時顯示電機及負載轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的動態(tài)調(diào)節(jié)控制。試驗臺主體結(jié)構組成如圖11 所示。

圖11 電液混合動力試驗臺

電機經(jīng)液壓泵帶動液壓泵/馬達旋轉(zhuǎn)從而驅(qū)動加載系統(tǒng)，加載系統(tǒng)液壓泵在其驅(qū)動下輸出高壓油經(jīng)比例溢流閥溢流至低壓回路模擬車輛負載。通過調(diào)節(jié)液壓泵的排量及進出口壓力使電機單獨驅(qū)動時的輸出轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩值相等，高壓蓄能器輔助時，直接放液驅(qū)動液壓泵/馬達并觀察電機參數(shù)變化情況即可，此過程模擬電液混合驅(qū)動。對純電驅(qū)動進行驗證時，電機同樣驅(qū)動液壓泵帶動液壓泵/馬達旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動加載系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀讀取電機當前轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)液壓泵的排量及進出口壓力可以使電機轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相等，滿足試驗需求。

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

由圖可知，當負載轉(zhuǎn)矩增加時，通過高壓蓄能器放液驅(qū)動液壓泵/馬達提供輔助轉(zhuǎn)矩可以維持電機輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定。因此當車輛需求轉(zhuǎn)矩較大時，通過液壓系統(tǒng)提供輔助動力可以減少電機轉(zhuǎn)矩沖擊，保護蓄電池。當負載轉(zhuǎn)矩減小時，控制電機在提供負載轉(zhuǎn)矩的同時向高壓蓄能器充液，可調(diào)節(jié)其工作點效率。因此當電機處于低效工作區(qū)間時，通過平行充液或液壓系統(tǒng)單獨工作兩種模式，可有效調(diào)節(jié)電機工作點效率，提高能量利用率。根據(jù)試驗結(jié)果可知，基于策略控制的電機工作點效率調(diào)節(jié)是影響續(xù)駛里程和蓄電池壽命的重要因素。

圖12 電機轉(zhuǎn)矩曲線

電機功率變化曲線如圖13 所示。

由圖13 可知:當負載功率增加時，通過高壓蓄能器放液驅(qū)動液壓泵/馬達提供輔助轉(zhuǎn)矩可避免電機功率突然增大；當負載功率減小時，控制電機驅(qū)動車輛的同時向高壓蓄能器充液可提升電機的輸出功率，將電機由低效工況調(diào)節(jié)至高效工況。因此需求轉(zhuǎn)矩變化時通過動態(tài)分配電機與液壓泵/馬達輸出轉(zhuǎn)矩值，可避免電機轉(zhuǎn)矩沖擊引起的蓄電池大電流放電，同時調(diào)節(jié)電機工作狀態(tài)，延長電池壽命與續(xù)航，驗證了系統(tǒng)設計思路和控制策略的有效性。

圖13 電機功率曲線

電機與液壓泵/馬達輸出轉(zhuǎn)矩變化如圖14 所示。

圖14 電機與液壓泵/馬達轉(zhuǎn)矩曲線

由圖可知，當負載轉(zhuǎn)矩增加時，液壓泵/馬達由高壓蓄能器驅(qū)動進行輔助，電機輸出轉(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，液壓泵/馬達可有效輸出輔助轉(zhuǎn)矩，在滿足動力需求的同時避免電機轉(zhuǎn)矩沖擊，保護蓄電池。

5 結(jié)論

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

(2)建立動力系統(tǒng)的數(shù)學模型，進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 與實地調(diào)研工況進行聯(lián)合仿真。結(jié)果表明:電液混合動力系統(tǒng)可有效避免轉(zhuǎn)矩沖擊，保護蓄電池；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)搭建試驗平臺，對電液混合動力系統(tǒng)的設計思路及仿真模型的正確性進行驗證，試驗結(jié)果表明系統(tǒng)設計思路及策略控制下調(diào)節(jié)電機工作狀態(tài)可改善電機工作點分布的可行性、正確性及有效性。系統(tǒng)可按預設控制策略協(xié)同工作，滿足動力需求，為后續(xù)混合動力實車配置及推廣提供技術思路。