桂林，李強(qiáng)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?dòng)力汽車即燃料(汽油，柴油)與電能的混合，電動(dòng)機(jī)作為燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車。混合動(dòng)力屬于一種優(yōu)勢互補(bǔ)的技術(shù)，不僅為汽車在正常行駛中產(chǎn)生強(qiáng)大而平穩(wěn)的動(dòng)力，而且在起步、加速時(shí)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(shí)獲得綜合性能優(yōu)良的混合動(dòng)力汽車，國內(nèi)外眾多學(xué)者對混合動(dòng)力汽車控制方法進(jìn)行了研究分析。孫寶文[1]以插電式混合動(dòng)力汽車為研究對象，對混合動(dòng)力汽車電驅(qū)動(dòng)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(dòng)力汽車的行駛安全；張怡然等[2]以混合動(dòng)力汽車為研究對象，運(yùn)用多目標(biāo)參數(shù)解耦優(yōu)化方法對混合動(dòng)力汽車能量管理策略與動(dòng)力總成參數(shù)高度耦合特性進(jìn)行研究；張權(quán)讓[3]以四驅(qū)插電式混合動(dòng)力汽車電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)為研究對象，為保證制動(dòng)過程中的電機(jī)制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力的協(xié)調(diào)控制，設(shè)計(jì)了一套合理、有效的電液復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)配套的控制策略，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)制動(dòng)力和液壓制動(dòng)力的壓力協(xié)調(diào)，確保車輛制動(dòng)安全可靠和制動(dòng)平順性；鄧濤等[4]基于灰色預(yù)測的方法對混合動(dòng)力系統(tǒng)ECMS能量管理策略進(jìn)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(dòng)力車輛控制策略進(jìn)行總結(jié)和歸納，研究了再生制動(dòng)優(yōu)化、模糊邏輯優(yōu)化、動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)等優(yōu)化策略的現(xiàn)狀，為未來混合動(dòng)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(dòng)汽車電-液復(fù)合制動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略研究；許笑月[7]基于ADVISOR建立電液混合動(dòng)力汽車永磁同步電機(jī)的空間矢量模型以及液壓制動(dòng)系統(tǒng)模型，對再生制動(dòng)的電-液復(fù)合制動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行仿真分析；薛劉朋等[8]建立混合動(dòng)力汽車電氣層拓?fù)浣Y(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(biāo)，采用基于干擾觀測器控制(disturbance observer based control,DOBC)和有限時(shí)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(dòng)力汽車能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的電氣層進(jìn)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(biāo)，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(jìn)行離線優(yōu)化，對混合動(dòng)力汽車能量管理策略進(jìn)行優(yōu)化控制；ZHANG H T等[10]對新型集成式電液制動(dòng)系統(tǒng)液壓控制單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)研究和分析了液壓單元的控制特性；韓云武等[11]以混合動(dòng)力汽車為研究對象，對混合動(dòng)力汽車在下坡輔助控制過程中的電液制動(dòng)控制方法進(jìn)行了研究和分析。眾多學(xué)者對混合動(dòng)力汽車動(dòng)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(jìn)行研究和分析，為混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)及其他系統(tǒng)的精確控制、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性提高等方面提供了有意義的借鑒，但是對混合動(dòng)力汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)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?；诖耍狙芯恳阅承突炻?lián)式混合動(dòng)力汽車為研究對象，對混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中的動(dòng)力轉(zhuǎn)向、制動(dòng)系統(tǒng)及懸掛系統(tǒng)中的電液控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，為混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車整車精確控制及電液系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供重要的參考。

1 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)組成

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

圖1 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)組成

由圖1可知，混聯(lián)式混合動(dòng)力主要靠電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)為輔助，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)都能單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車。由于系統(tǒng)中配置有獨(dú)立發(fā)電機(jī)，因而系統(tǒng)輸出的最大動(dòng)力等于發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及充當(dāng)電動(dòng)機(jī)(部分情況)的發(fā)電機(jī)的輸出動(dòng)力之和?；炻?lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)型都相當(dāng)出色。

混聯(lián)式與并聯(lián)式的區(qū)別與并聯(lián)式混合動(dòng)力一樣，這種模式也有兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但不同的是，混聯(lián)式有兩個(gè)電機(jī)。一個(gè)電動(dòng)機(jī)僅用于直接驅(qū)動(dòng)車輪，還有一個(gè)電機(jī)具有雙重角色：當(dāng)需要極限性能的時(shí)候，充當(dāng)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，整車功率就是發(fā)動(dòng)機(jī)、兩個(gè)電機(jī)的功率之和；當(dāng)電力不足的時(shí)候，就充當(dāng)發(fā)電機(jī)，給電池充電。

2 混聯(lián)式混合動(dòng)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(diǎn)，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(dòng)態(tài)性能好、跟蹤誤差較小等優(yōu)良特點(diǎn)，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(dòng)力汽車中主要有動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)3個(gè)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)電液復(fù)合控制進(jìn)行仿真分析。

2.1 動(dòng)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(dòng)力動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性，建立動(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電液復(fù)合控制仿真模型

2.2 制動(dòng)系統(tǒng)電液復(fù)合控制建模

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

圖3 制動(dòng)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(dòng)力動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電液復(fù)合控制仿真

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

圖5 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)壓力

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

由圖5可知，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車在設(shè)定速度和設(shè)定工況下，動(dòng)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(dòng)的情況，且在振動(dòng)頻率為20 Hz時(shí)，液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到最大峰值。為了避免液壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)較大，設(shè)計(jì)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(dòng)力汽車在設(shè)定速度和設(shè)定工況下，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中動(dòng)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(dòng)的情況。

3.2 制動(dòng)系統(tǒng)電液復(fù)合控制仿真

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

圖7 制動(dòng)系統(tǒng)車速分布

圖8 制動(dòng)力分布

由圖7可知，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車在設(shè)定速度和設(shè)定工況下，在減速制動(dòng)過程中實(shí)際控制下車速與理論車速存在一定的差異，且在制動(dòng)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(dòng)力汽車在設(shè)定速度和設(shè)定工況下，在減速制動(dòng)過程中實(shí)際控制下制動(dòng)力小于理論制動(dòng)力，也存在一定的差異，且在制動(dòng)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(jì)算得到懸掛系統(tǒng)中無、有半主動(dòng)控制懸掛力-速度曲線分別如圖9、圖10所示。

圖9 無半主動(dòng)控制懸掛力-速度曲線

圖10 有半主動(dòng)控制懸掛力-速度曲線

由圖9、圖10可知，混聯(lián)式混合動(dòng)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(dòng)控制下在同一速度下懸掛力前后差值小于無半主動(dòng)控制，說明在混聯(lián)式混合動(dòng)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(dòng)控制時(shí)控制效果更優(yōu)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

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

圖11 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車制動(dòng)試驗(yàn)場景

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

表2 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車制動(dòng)試驗(yàn)與對應(yīng)

由表2可知，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車制動(dòng)力理論計(jì)算值為3.015 kN，實(shí)際控制條件下制動(dòng)力均值為2.568 kN，試驗(yàn)測量制動(dòng)力為2.459 kN，實(shí)際控制條件下制動(dòng)力相對于試驗(yàn)測量制動(dòng)力相對誤差4.23%，相對誤差較小，驗(yàn)證了仿真分析的正確性。由于理論計(jì)算模型中未考慮車輛在實(shí)際運(yùn)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(jì)算值偏大。

5 結(jié)語

1)仿真結(jié)果表明：混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)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(dòng)；制動(dòng)系統(tǒng)中電液復(fù)合控制下車速及制動(dòng)力也存在一定的波動(dòng)；懸掛系統(tǒng)中引入半主動(dòng)控制電液復(fù)合控制效果更優(yōu)。

2)軟件仿真可以較準(zhǔn)確地對混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)電液復(fù)合控制趨勢進(jìn)行預(yù)測，但是與實(shí)際測量值還是存在差異，需要根據(jù)后續(xù)試驗(yàn)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(dòng)力汽車為主要目標(biāo)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。