液壓混合動力控制

1、結(jié)課論文 系 別 機(jī)電與汽車工程學(xué)院 專 業(yè) 載運(yùn)工具運(yùn)用工程 班 級 碩研 課程名稱 現(xiàn)代控制理論 授課教師 學(xué)生姓名 學(xué) 號 時(shí) 間 北京建筑大學(xué)液壓混合動力的能量控制策略簡析摘 要隨著汽車業(yè)的快速發(fā)展，其對環(huán)境的破壞也更加明顯，這要求汽車業(yè)積極發(fā)展節(jié)能環(huán)保型汽車。其中混合動力車輛是目前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的最佳產(chǎn)品。液壓混合動力車輛作為混合動力車輛的一種，因其能高效的回收制動能量，逐漸引起了各國政府及研究機(jī)構(gòu)的高度重視。能量控制策略是混合動力車輛的關(guān)鍵技術(shù)之一，液壓混合動力車輛的能量控制策略規(guī)定了整車需求轉(zhuǎn)矩在發(fā)動機(jī)和液壓泵/馬達(dá)之間的分配，決定了兩者的工作點(diǎn)，在動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能等各方

2、面都有很大的影響，因此研究液壓混合動力車輛能量控制策略對充分發(fā)揮其節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢具有十分重要的意義。關(guān)鍵詞：節(jié)能環(huán)保，混合動力車輛，液壓混合動力，能量控制策略前 言近年來，我國汽車市場持續(xù)快速發(fā)展，并已成為我國經(jīng)濟(jì)中的支柱性產(chǎn)業(yè)。尤其是 2009 年，中汽協(xié)公布我國汽車產(chǎn)銷量雙雙突破 1300 萬大關(guān)，成為世界第一汽車大國，并在 2012 年汽車產(chǎn)量達(dá)到 19276萬輛。到 2010 年，全球汽車保有量已達(dá)到 10 億輛，而我國早已經(jīng)突破 7000 萬輛。但隨之而來的是汽車業(yè)對環(huán)境的破壞也更加明顯，有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，汽車業(yè)消耗了全部汽油的 80%和全部柴油的 30%，全球汽車的二氧化碳排放量占據(jù)

3、人類二氧化碳整體排放量的 17%以上，成為耗能和排污的主要源頭之一。作為人類生活工作中最普遍最重要的交通工具，汽車節(jié)能減排已到了刻不容緩的地步。隨著哥本哈根氣候大會的順利閉幕，低碳環(huán)保再次備受世人關(guān)注，與全球氣候相關(guān)聯(lián)的節(jié)能環(huán)保型汽車無疑將迎來新的發(fā)展契機(jī)。電動車輛是節(jié)能環(huán)保型汽車的代表，有著巨大的發(fā)展前景，但是目前的電池技術(shù)問題阻礙了電動車輛的應(yīng)用?，F(xiàn)在有太陽能等相關(guān)車輛的開發(fā)，并有一些已經(jīng)投入了使用，但無論從經(jīng)濟(jì)上考慮，還是從實(shí)用程度上考慮，都還沒有達(dá)到實(shí)用的階段。而混合動力車輛具有節(jié)約能源、排放污染低、續(xù)駛里程長、不改變基礎(chǔ)設(shè)施等突出優(yōu)點(diǎn)，是目前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的最佳產(chǎn)品。液壓混合動力車輛是混

4、合動力車輛中的一種，主要是利用可逆元件，通過液壓蓄能器對制動能量進(jìn)行回收和釋放。與電動混合動力車輛相比，液壓混合動力車輛不僅可以實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)的大功率制動能量回收和釋放，而且在成本價(jià)格、技術(shù)成熟、工作可靠及便于維護(hù)等方面均占有較大的優(yōu)勢， 這也是近幾年來液壓混合動力車輛重新引起人們注意的原因。1能量儲存技術(shù)綜述混合動力汽車是指在同一輛汽車中同時(shí)采用了能量轉(zhuǎn)換器和發(fā)動機(jī)作為其動力裝置，通過先進(jìn)的控制系統(tǒng)使兩種動力裝置有機(jī)地協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)最佳能量分配，達(dá)到低能耗、低污染和高度自動化的一種新型汽車。與燃油汽車相比，混合動力汽車具有高性能、低能耗和低污染的特點(diǎn)以及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面的綜合優(yōu)勢。在混

5、合動力車輛中，儲能裝置對提高車輛的總效率非常重要。據(jù)文獻(xiàn)介紹，對應(yīng)美國EPA(Environmental Protection Agency)混合燃油循環(huán)，制動能量回收可減少車輛驅(qū)動能量需求的 14%。對公路用重型載貨汽車，在 8%的坡道上維持 100km/h下坡車速時(shí)，通常需要大約600kW的純制動功率；在6%的坡道上維持 80km/h下坡車速時(shí)也需350kW的純制動功率，因此混合動力汽車要求儲能裝置在短時(shí)間內(nèi)能夠回收和釋放大量功率。為使儲能裝置不致太重，要求其應(yīng)具有比較高的功率密度和能量密度。目前可能應(yīng)用的儲能裝置分為如下幾種。1.1飛輪蓄能器飛輪蓄能器是機(jī)械蓄能的一種蓄能形式，以慣性能（

6、動能）的方式，將能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中。飛輪蓄能器突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲能。當(dāng)車輛制動時(shí)，飛輪蓄能系統(tǒng)將車輛的慣性動能轉(zhuǎn)化為飛輪的旋轉(zhuǎn)動能。當(dāng)車輛需要起動或加速時(shí)，飛輪釋放本身旋轉(zhuǎn)動能來驅(qū)動車輛。普通金屬飛輪能量密度較低，但因其價(jià)廉，宜于加工，并因在傳動系統(tǒng)中易于實(shí)現(xiàn)聯(lián)接而得到廣泛應(yīng)用。超級飛輪選用比強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度/密度）較高的碳素纖維材料制造，能量密度高，是鋼制飛輪的 10 倍。為了使飛輪能充分有效的保存能量，常將飛輪運(yùn)行于密閉的真空系統(tǒng)中。飛輪具有 24kW/kg的比功率和 125Wh/kg的比能量，并且?guī)缀趺饩S護(hù)，使之十分適合用作重型卡車混合動力傳動系統(tǒng)的儲能元件。目

7、前，由于超級飛輪價(jià)格昂貴，技術(shù)難度大，容易引起共振以及使用過程中的安全性能等原因，限制了其推廣應(yīng)用。1.2超級電容超級電容由帶鋁電極的多孔活性碳和有機(jī)物電解質(zhì)組成，電能作為負(fù)荷儲存于碳電極的表面。超級電容具有高的比功率（可達(dá) 24kW/kg）、高的循環(huán)效率（可達(dá) 9298%，包括峰值功率工況在內(nèi)）以及全充和全放能力，在混合動力車輛上主要用于車輛起步、加速、制動能量回收等工況。另外，由于超級電容采用物理方式存儲電能而沒有可轉(zhuǎn)變的化學(xué)反應(yīng)，具有優(yōu)越的工作循環(huán)承受能力和壽命。但其最主要的缺點(diǎn)是較低的比能量，目前大約在 710Wh/kg，如果單獨(dú)應(yīng)用超級電容，為滿足整車性能需要的超級電容增多，整車的重

8、量和成本較高。因此，超級電容只適合于對比能量需求低的輕度混合動力汽車，或與電化學(xué)電池組合使用，效果更佳。1.3蓄電池蓄電池又稱電化學(xué)電池，以電化學(xué)能的方式儲存能量。蓄電池在電動車輛上已有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其中頗具應(yīng)用潛力的幾種包括鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。鉛酸電池技術(shù)發(fā)展較為成熟，可靠性高、原料易得且價(jià)格便宜，但鉛酸電池的比能量較低，在過放電和過充電時(shí)，其使用壽命將顯著縮短，深度放電以及環(huán)境溫度變化也對電池性能影響較大。鎳氫電池具有很好的耐過充電特性，良好的使用安全性和充放電效率，以及該電池的反應(yīng)物中無溶解析出物，這些特性適合混合動力汽車。在上市的車型中，鎳氫電池占主體。鋰離子電池能量密

9、度可達(dá)到 100Wh/kg，功率密度可達(dá)到 300W/kg，并且循環(huán)使用壽命長。但其價(jià)格較高，安全性尚需進(jìn)一步提高。低功率密度，充放電頻率小，不能迅速轉(zhuǎn)化吸收大量功率使得蓄電池在大型城市公交車和工程機(jī)械等應(yīng)用方面顯得力不從心。1.4燃料電池燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它不經(jīng)歷熱機(jī)過程，不受熱力循環(huán)限制，故能量轉(zhuǎn)換效率高（理論上可達(dá) 100%，實(shí)際效率已達(dá) 60%80%）。目前應(yīng)用于電動汽車中的燃料電池是一種被稱為質(zhì)子交換膜的氫燃料電池，它以純氫為燃料、以空氣或氧為氧化劑。近年來，對氫燃料電池的研制已取得重大進(jìn)展，并實(shí)現(xiàn)了在車輛上的安裝和實(shí)用

10、化，但氫燃料電池的真正實(shí)用化還面臨氫的制取和存儲困難、使用成本高等難題。1.5液壓蓄能器液壓蓄能器是一種以液壓能的方式來存儲能量的儲能裝置。液壓蓄能器具有高比功率、高循環(huán)效率、長時(shí)間儲能以及全充和全放能力強(qiáng)等特點(diǎn)。由于液壓蓄能器采用物理方式存儲能量，因此具有優(yōu)越的工作循環(huán)承受能力和壽命，但其能量密度較低，適用于頻繁起停的城市公交車和工程機(jī)械的行走裝置。液壓蓄能器可分為皮囊式、復(fù)合式和活塞式液壓蓄能器。皮囊式液壓蓄能器采用鋼制外殼和氣囊將蓄能器分為兩個(gè)部分，一端充入惰性氣體（氮?dú)猓欢顺淙胍后w，利用氣體的可壓縮性對受壓液體的能量進(jìn)行儲存和釋放。氣體壓縮過程中，液壓蓄能器與外界存在著熱損失，因此

11、傳統(tǒng)液壓蓄能器的能量轉(zhuǎn)換效率較低。然而，在惰性氣體部分充入開孔型泡沫，可有效地提高液壓蓄能器的能量轉(zhuǎn)換效率，循環(huán)效率最高可達(dá) 98.2%。采用碳纖維或復(fù)合材料等輕質(zhì)材料，可明顯降低液壓蓄能器的重量，只有傳統(tǒng)液壓蓄能器重量的四分之一，同時(shí)也能明顯地提高液壓蓄能器的強(qiáng)度。1.6儲能元件的比較鉛酸蓄電池、液壓蓄能器、慣性飛輪和超級電容等儲能裝置的性能比較如表1所示。表1 儲能元件性能的比較項(xiàng)目鉛酸電池飛輪儲能超級電容液壓儲能器儲能形態(tài)電化學(xué)能機(jī)械動能電能液壓能功率密度/kW·kg- 10.20.511.9119能量密度/W·h·kg- 1655150102效率80%90

12、%90%90%放能度（DoD）75%95%100%90%壽命/年25202020安全性好不好好一般溫度范圍受限限制很小限制很小受限環(huán)保性差好一般一般維修性中等好中等好儲能持續(xù)時(shí)間幾年幾十分鐘幾天幾個(gè)月技術(shù)成熟程度成熟一般差成熟從表 1可知，液壓蓄能器的功率密度（單位質(zhì)量的儲能元件吸收和釋放的最大功率）最大，蓄電池的功率密度最小。蓄電池和高速飛輪能量密度（單位質(zhì)量的儲能元件所儲存的可用能量值）較大，液壓蓄能器和超級電容的能量密度較小。與其它幾種儲能元件相比，蓄電池的效率、放能度和壽命都是最低的。液壓蓄能器、儲能飛輪不會像蓄電池那樣在廢棄時(shí)對環(huán)境造成化學(xué)污染，在儲能元件中，其環(huán)保性能最好。超級電容

13、的效率、放能度和環(huán)保性能優(yōu)良，但其技術(shù)成熟程度相對較低?？傊?，各種儲能元件各有其優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況來確定使用哪種儲能元件。對于低功率密度和高能量密度要求的場合，鉛酸電池是比較適宜的；對于功率密度有較高要求的場合，液壓蓄能器將成為首選。雖然超級電容的效率和放能度和環(huán)保性能優(yōu)良，但是，其較低的能量密度、價(jià)格和技術(shù)不太成熟限制了其應(yīng)用。1.7液壓儲能技術(shù)的優(yōu)勢（1）功率密度大。能量密度和功率密度是儲能元件最重要的兩個(gè)參數(shù)。不同儲能元件的能量密度和功率密度的對比曲線如下圖所示。由下圖可見，從能量密度來看，燃料電池、蓄電池、飛輪和超級電容優(yōu)于液壓蓄能器，可以長時(shí)間提供能量；從功率密度角度來看，液壓蓄

14、能器優(yōu)于其它能量存儲方式。只有高功率密度系統(tǒng)才能在短時(shí)間跟上車輛制動時(shí)的能量轉(zhuǎn)換和儲存要求，因此，相對于其它能量存儲方式，液壓蓄能器更適用于中重型城市公交車、工程機(jī)械的行走裝置和軍用車輛。美國EPA定義靜液傳動車輛的優(yōu)點(diǎn)為：“靜液傳動混合動力技術(shù)功率密度大，能夠快速、高效地存儲和釋放大量能量，可以回收和利用絕大部分被傳統(tǒng)車輛浪費(fèi)掉的制動動能。這是最大化制動能回收率和提高燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素”。儲能元件能量密度和功率密度（2）儲能裝置重量輕。電動混合動力車輛采用蓄電池或者超級電容等作為能量存儲單元，蓄電池通常采用鎳氫電池（NiMH）和鈉氯化鎳電池（NaNiCl2）；靜液傳動車輛采用液壓蓄能器來存

15、儲能量。下圖為并聯(lián)式混合動力車輛儲能裝置的重量對比?？梢姡嗤瑮l件下，鎳氫電池和鈉氯化鎳電池儲能系統(tǒng)的重量比液壓儲能系統(tǒng)高出近 1 倍，超級電容系統(tǒng)的重量也比液壓儲能系統(tǒng)高出 40%。重量輕的儲能裝置可以更大限度地提高二次調(diào)節(jié)靜液傳動車輛的有效載荷和燃油經(jīng)濟(jì)性。儲能裝置的重量對比（3）循環(huán)效率高。儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率指制動動能從驅(qū)動軸回饋進(jìn)入能量回收系統(tǒng)到回收的能量再次輸出到驅(qū)動軸上的效率。下圖為不同儲能系統(tǒng)的能量循環(huán)效率對比。從下圖中可見，液壓儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率高于蓄電池和超級電容系統(tǒng)。新型復(fù)合材料蓄能器的出現(xiàn)和液壓泵/馬達(dá)技術(shù)的提高，使得液壓儲能系統(tǒng)的能量循環(huán)效率得到了進(jìn)一步的提升，最高的循

16、環(huán)效率可達(dá) 82%。儲能裝置循環(huán)效率對比（4）價(jià)格低廉、安全可靠。相對于其它類型的儲能系統(tǒng)，液壓儲能系統(tǒng)價(jià)格更為低廉，而且技術(shù)成熟，可靠性高。液壓蓄能器殼體強(qiáng)度大，能夠承受多次來自內(nèi)部的極限壓力。使用壽命長，適于多次、快速、大能量流的能量存儲。在不使用車輛的時(shí)候，液壓儲能系統(tǒng)還可以自動卸壓，避免了自燃、爆炸等危險(xiǎn)的發(fā)生。（5）對環(huán)境污染小、便于維護(hù)。蓄電池含有大量的有毒原料，如濃縮酸和重金屬等，無論是生產(chǎn)還是廢舊元件的處理，都會對環(huán)境造成很大的污染。然而，液壓蓄能器的廢舊元件可回收再利用，不會對環(huán)境造成任何污染。液壓儲能系統(tǒng)可工作于惡劣環(huán)境下，受高溫、嚴(yán)寒和潮濕的影響明顯小于電動混合動力系統(tǒng)。

17、液壓蓄能器已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)，技術(shù)成熟，因此液壓儲能系統(tǒng)易于集成，設(shè)備維護(hù)簡單。2液壓混合動力車輛的研究現(xiàn)狀2.1液壓混合動力車輛的國外研究現(xiàn)狀多年以來，美國環(huán)保署(EPA)一直與其合作伙伴致力于液壓驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用和推廣，取得多項(xiàng)專利和研究成果。2004 年，EPA 在全球車輛工程師會議上展示了與其合作機(jī)構(gòu)共同研發(fā)的一款基于液壓混合動力技術(shù)的多功能商務(wù)用車(SUV)，如下圖左所示，并宣稱在較少的單車成本投入后可提高燃油經(jīng)濟(jì)性 55%。2005 年，EPA 與 Eaton 公司聯(lián)合開發(fā)了高度集成化的液驅(qū)動力系統(tǒng)，并將其應(yīng)用在 UPS 的郵遞車上(見下圖右)，使其燃油經(jīng)濟(jì)性提高了 60%70%。E

18、PA 推出的液壓 SUV UPS 公司推出的液壓樣車 此外，日本三菱公司及德國M.A.N公司也將液壓蓄能系統(tǒng)運(yùn)用在城市公共客車上。三菱公司等幾家名牌車輛制造公司生產(chǎn)的CPS公交車輛(見下圖左)，已在東京等三個(gè)城市中運(yùn)營，其尾氣排放和燃油費(fèi)用各降低了 20%以上。2008 年英國 Artemis Intelligent Power 公司研發(fā)出液壓混合動力系統(tǒng)，如下圖右 所示。該系統(tǒng)可將行車中的多余動能通過液壓儲能系統(tǒng)儲存起來，再通過液壓馬達(dá)適時(shí)釋放，Artemis 表示這套系統(tǒng)能使車輛的城市油耗降低一半。2009 年在上海召開的亞洲國際動力與控制技術(shù)展覽會(PTC Asia)上，全球領(lǐng)先的工業(yè)技

19、術(shù)供應(yīng)商博世力士樂展出的 HRB 液壓混合動力系統(tǒng)(見下圖)，能在制動期間將能量儲存在液壓蓄能器中，并在需要時(shí)將這部分能量釋放出來。以垃圾清運(yùn)車為例，在采用并聯(lián) HRB 液壓混合動力系統(tǒng)后，每小時(shí)最多可節(jié)省 2.25 升的燃油，減少近 6kg 的二氧化碳排放量。日本三菱公司的 CPS 公交車 英國公司研發(fā)的液壓混合動力系統(tǒng)并聯(lián) HRB 液壓混合動力系統(tǒng)工作原理圖2.2液壓混合動力車輛的國內(nèi)研究現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)對液壓混合動力車輛做了較多的研究。特別是哈爾濱工業(yè)大學(xué)多年來一直堅(jiān)持不懈地對該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行追蹤和創(chuàng)新。2001 年，趙春濤博士進(jìn)行了車輛串聯(lián)混合動力系統(tǒng)中二次調(diào)節(jié)靜液動力技術(shù)的研究。建立了混

20、合車輛數(shù)學(xué)模型，搭建了車輛二次調(diào)節(jié)靜液動力系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺，提出了幾種剎車時(shí)動能回收的控制策略，并進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究。2003 年，苑士華教授對城市用公交車的制動能回收液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，在四種循環(huán)工況下的仿真結(jié)果表明，其節(jié)油率達(dá)到了 28%。2004 年，北京嘉捷恒信能源技術(shù)有限公司研制出并聯(lián)式靜液動力樣車，并在北京公交線路上試運(yùn)行。2005 年，常思勤教授對電控液驅(qū)公交車進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究。重點(diǎn)研究了輪邊系統(tǒng)防滑的控制方法，仿真結(jié)果表明其防滑和節(jié)能效果明顯。2006 年上海交大神舟開發(fā)的并聯(lián)式靜液動力公交車(見下圖左)相繼在上海試驗(yàn)運(yùn)行，在寧波示范運(yùn)行。樣車的試驗(yàn)研究表明，在城市公交

21、工況下可節(jié)能25%以上，可減少黑煙及其他排放物 35%以上。2008 年創(chuàng)世奇有限公司、北京車輛研究總院和北京齒輪總廠合作對混聯(lián)式靜液動力車輛進(jìn)行了深入的研究，樣車的試驗(yàn)結(jié)果顯示，混聯(lián)式靜液動力車輛可將燃油經(jīng)濟(jì)性提高 20%以上。2010 年由哈爾濱工業(yè)大學(xué)姜繼海教授主持，威海校區(qū)車輛工程學(xué)院劉濤、羅念寧等教師參與研制的并聯(lián)式靜液動力混合動力系統(tǒng)在威海研制成功，如下圖右 所示。整車道路試驗(yàn)表明，該并聯(lián)式靜液動力混合動力車輛可將燃油經(jīng)濟(jì)性提高 20%左右。上海交大神舟開發(fā)的并聯(lián)式靜液動力公交車 哈工大研發(fā)的并聯(lián)式靜液動力混合動力車輛 3液壓混合動力車輛的工作原理液壓混合動力傳動系統(tǒng)是一種基于壓力

22、耦聯(lián)的新型液壓傳動系統(tǒng)，液壓泵/馬達(dá)工作于恒壓網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)節(jié)其排量實(shí)現(xiàn)對輸出功率、扭矩和轉(zhuǎn)速等變量的控制。液壓泵/馬達(dá)可在四個(gè)象限內(nèi)工作，回收與重新利用系統(tǒng)的制動動能和重物勢能，而且能夠無損耗地從恒壓網(wǎng)絡(luò)獲取能量。液壓混合動力傳動車輛的工作原理為：在車輛正常行駛時(shí)，恒壓變量泵在發(fā)動機(jī)的驅(qū)動下，與液壓蓄能器共同為系統(tǒng)提供工作壓力油，在系統(tǒng)壓力油的作用下，液壓泵/馬達(dá)通過變速器和后橋驅(qū)動車輪。在車輛制動或下坡行駛工況中，液壓泵/馬達(dá)工作于液壓泵工況，此時(shí)液壓泵/馬達(dá)被負(fù)載拖動，在慣性能或重力能的作用下，向系統(tǒng)回饋能量，液壓泵/馬達(dá)回饋的能量以高壓液壓油的形式存儲在液壓蓄能器中；在車輛的再次起動和加

23、速過程中，儲存于液壓蓄能器中的能量又以液壓能的形式輸出到工作于馬達(dá)工況的液壓泵/馬達(dá)，通過變速器和后橋驅(qū)動車輛，實(shí)現(xiàn)車輛慣性能或重力能的重新利用。液壓混合動力車輛工作原理液壓混合動力汽車可根據(jù)車輛運(yùn)行工況選擇多種工作模式，實(shí)現(xiàn)動力傳動系統(tǒng)的效率最優(yōu)化，并通過制動能量回饋系統(tǒng)（Regenerative Braking System，簡稱RBS）回收制動能量，提高整車效率。4液壓混合動力車輛的驅(qū)動方式分類及優(yōu)缺點(diǎn)液壓混合動力車輛的驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)動力傳動系的結(jié)構(gòu)不同，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式及輪邊驅(qū)動式四種，其中輪邊驅(qū)動式是串聯(lián)式中特殊的一種。無論其組成形式如何都包括以下主要部件：發(fā)動機(jī)、變量液壓

24、泵/液壓馬達(dá)、液壓蓄能器，其中的變量液壓泵/液壓馬達(dá)是一種雙向可逆部件。4.1串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)串聯(lián)式液壓混合動力車原理圖串聯(lián)式液壓混合動力車主要是由發(fā)動機(jī)、液壓泵、高低壓蓄能器、二次元件泵/馬達(dá)、離合器、變速器和驅(qū)動橋等組成。串聯(lián)液壓混合動力系統(tǒng)具有兩個(gè)動力源：發(fā)動機(jī)和蓄能器，發(fā)動機(jī)帶動泵/馬達(dá)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)車輛的驅(qū)動，必要時(shí)發(fā)動機(jī)也可給蓄能器充液壓油，以備下次加速或爬坡使用。二次元件泵/馬達(dá)是可逆元件，既可作為泵使用（制動工況），也可作為馬達(dá)使用（驅(qū)動工況），并且泵/馬達(dá)可工作在四個(gè)象限，可實(shí)現(xiàn)加速前進(jìn)、減速前進(jìn)、加速后退和減速后退。高壓蓄能器在車輛制動減速時(shí)回收液壓油，將機(jī)械能以液壓能的形式儲存起

25、來，在車輛啟動或加速時(shí)，釋放液壓油以驅(qū)動泵/馬達(dá)，進(jìn)而驅(qū)動車輛行駛。串聯(lián)液壓混合動力系統(tǒng)可由恒壓源加液壓蓄能器組成，也可由普通靜壓傳動系統(tǒng)（閉式回路）加液壓蓄能器組成能量再生系統(tǒng)。在驅(qū)動車輛時(shí)，根據(jù)路況的不同可由發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動（正常行駛）或由發(fā)動機(jī)與蓄能器聯(lián)合驅(qū)動（加速或爬坡），也可由蓄能器單獨(dú)驅(qū)動（啟動或低速），盡量使發(fā)動機(jī)工作在高效區(qū)。在制動減速時(shí)，發(fā)動機(jī)怠速或熄火，二次元件泵/馬達(dá)將以液壓泵的形式工作，將液壓油壓入高壓蓄能器中，根據(jù)具體的情況，可合理安排再生制動和摩擦制動的分配。串聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)中，發(fā)動機(jī)輸出的機(jī)械能首先需要轉(zhuǎn)換為液壓能再經(jīng)過二次元件轉(zhuǎn)換成機(jī)械能才能傳給驅(qū)動橋，所以

26、能量損失比較大。但是發(fā)動機(jī)和傳動軸之間不是直接相連的，所以發(fā)動機(jī)不會直接受到外負(fù)載的影響。串聯(lián)式液壓節(jié)能車尤其適用于頻繁起停的中小型城市公交車、軍用汽車和工程機(jī)械的行走裝置。串聯(lián)式液壓混合動力車的驅(qū)動系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：作為主動力源的發(fā)動機(jī)直接與變量泵馬達(dá)相連，中間不再有變速箱，從而節(jié)約了系統(tǒng)的成本并減小了整車的質(zhì)量，這也是串聯(lián)式液壓混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的最大優(yōu)勢。發(fā)動機(jī)帶動液壓泵，液壓泵產(chǎn)生液壓能通過液壓馬達(dá)驅(qū)動車輛行駛，實(shí)現(xiàn)了車輛的無級變速，改善了車輛的起步和加速性能。發(fā)動機(jī)能夠穩(wěn)定工作在高效區(qū)，其工作效率較高，在節(jié)約燃油的同時(shí)還可以減少尾氣中有害物的排放，因此，可以減少發(fā)動機(jī)的裝機(jī)功率。由于發(fā)

27、動機(jī)沒有直接驅(qū)動負(fù)載，其行駛工況獨(dú)立，發(fā)動機(jī)與液壓泵馬達(dá)兩個(gè)動力源之間不存在功率分配，使驅(qū)動系統(tǒng)的控制得到簡化，利于實(shí)現(xiàn)。在加速時(shí)，由于車輛的整體轉(zhuǎn)動慣量小，車輛的加速阻力小。串聯(lián)式液壓混合動力車輛驅(qū)動系統(tǒng)盡管有上述優(yōu)點(diǎn)但也存在著不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾方面：由于主動力源發(fā)動機(jī)與液壓泵馬達(dá)直接相連，發(fā)動機(jī)的能量需要通過液壓驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行傳遞，而液壓系統(tǒng)的傳遞效率僅為7080，因此在能量轉(zhuǎn)換中伴隨有能量損失是必然的，所以系統(tǒng)的綜合效率較低。由于存在發(fā)動機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)等多個(gè)動力總成，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體結(jié)構(gòu)布置較為困難，不利于對傳統(tǒng)車輛的改裝。4.2并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)并聯(lián)式混合動力車主要是由發(fā)動

28、機(jī)、可逆元件泵/馬達(dá)、高（低）壓蓄能器、變速器、轉(zhuǎn)矩合成裝置、離合器和驅(qū)動橋等組成。并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)的動力源同樣是由發(fā)動機(jī)和高壓蓄能器組成，不同的是車輛在無能量再生系統(tǒng)的情況下，可由發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動車輛，這點(diǎn)跟普通的車輛一樣。但是并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)比普通車多了一套能量再生系統(tǒng)，能量再生系統(tǒng)可單獨(dú)驅(qū)動車輛行駛（啟動或低速），也可聯(lián)合發(fā)動機(jī)一起驅(qū)動（加速或爬坡），同樣能量再生系統(tǒng)可回收車輛的制動能量。并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)有兩條驅(qū)動能量流動線，第一條是發(fā)動機(jī)變速器驅(qū)動橋，第二條是由蓄能器泵/馬達(dá)驅(qū)動橋，這兩條驅(qū)動線可根據(jù)具體的工況聯(lián)合或單獨(dú)工作。兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩耦合器連接，因?yàn)榭紤]到轉(zhuǎn)

29、矩易于控制，所以兩驅(qū)動系統(tǒng)之間采用轉(zhuǎn)矩變量作為控制對象，通過轉(zhuǎn)矩分配來協(xié)調(diào)工作。并聯(lián)式液壓混合動力車原理圖并聯(lián)式系統(tǒng)的相當(dāng)一大部分能量都以機(jī)械傳動的方式高效地傳遞給驅(qū)動軸，只有小部分能量轉(zhuǎn)換為液壓能，所以傳動效率高，并且液壓元件的體積和質(zhì)量較小，結(jié)構(gòu)簡單，噪聲小。并聯(lián)式液壓混合動力車的驅(qū)動系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能直接經(jīng)過傳動系驅(qū)動車輛行駛，中間能量的轉(zhuǎn)換次數(shù)少，能量利用率高。因此與串聯(lián)式系統(tǒng)相比系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性相對較高。系統(tǒng)中，只有發(fā)動機(jī)和液壓泵馬達(dá)兩個(gè)基本動力總成，整車質(zhì)量相對較輕，成本隨之降低。由于系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量的回收，輔助驅(qū)動單元能夠有效地平衡發(fā)動機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)

30、保。由于該組成型式更接近于傳統(tǒng)車輛的傳動系，因此十分有利于對現(xiàn)有的公交車輛進(jìn)行改裝，從而避免了資源的浪費(fèi)。并聯(lián)式液壓混合動力車的驅(qū)動系統(tǒng)具有以下缺點(diǎn)：并聯(lián)式系統(tǒng)最主要的缺點(diǎn)是為了保證發(fā)動機(jī)工作在最佳工作區(qū)域內(nèi)，需要有復(fù)雜的控制系統(tǒng)來對車輛的能量系統(tǒng)進(jìn)行控制與管理，以便調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)與變量泵馬達(dá)兩動力源之間的功率分配。但隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展以及高性能的控制器件的大量面市，設(shè)計(jì)這類控制系統(tǒng)在技術(shù)上已經(jīng)沒有障礙。4.3混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)混聯(lián)式液壓混合動力車原理圖由圖所示，混聯(lián)式系統(tǒng)是由發(fā)動機(jī)、液壓泵、二次元件泵/馬達(dá)、高低壓蓄能器、變速器、離合器、傳動裝置和驅(qū)動橋等組成。綜合串聯(lián)式和并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)

31、可知，混聯(lián)式系統(tǒng)具有串聯(lián)式和并聯(lián)式系統(tǒng)的功能，并且將此兩種類型的系統(tǒng)良好的結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。混聯(lián)式系統(tǒng)具有三條驅(qū)動能量流動線，第一條是發(fā)動機(jī)變速器驅(qū)動橋，第二條是從發(fā)動機(jī)液壓泵（和高壓蓄能器）二次元件泵/馬達(dá)傳動裝置離合器變速器驅(qū)動橋，第三條是高壓蓄能器二次元件泵/馬達(dá)傳動裝置離合器變速器驅(qū)動橋。三條驅(qū)動能量流動線再現(xiàn)了串聯(lián)式和并聯(lián)式系統(tǒng)的工作狀況，可通過控制策略，選擇系統(tǒng)需要的驅(qū)動方式，以達(dá)到優(yōu)化發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放的目的。該系統(tǒng)在啟動時(shí)，可通過高壓蓄能器驅(qū)動泵/馬達(dá)工作以提供驅(qū)動力；加速時(shí)可通過發(fā)動機(jī)+泵/馬達(dá)聯(lián)合驅(qū)動；在外負(fù)載變化頻繁的路況上，可以串聯(lián)方式驅(qū)動，這樣可以減少

32、外負(fù)載對發(fā)動機(jī)的影響，提高發(fā)動機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性；在制動減速時(shí)，可通過能量再生系統(tǒng)將液壓油壓入高壓蓄能器，實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能以液壓能的形式保存起來。通過合理配置驅(qū)動方式，綜合串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，可在大功率工況下獲得高工作效率?；炻?lián)式液壓混合動力系統(tǒng)雖然在理論上能獲得最佳性能，但是由于其過于復(fù)雜，所以在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)，限制了其發(fā)展。4.4輪邊驅(qū)動式驅(qū)動系統(tǒng)輪邊驅(qū)動式式液壓混合動力車原理圖該系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、液壓泵、二次元件泵/馬達(dá)和高低壓蓄能器等組成。該系統(tǒng)原理簡單，實(shí)際上就是四個(gè)二次元件并聯(lián)起來的串聯(lián)系統(tǒng)，每個(gè)二次元件泵/馬達(dá)均具有相等的輸入壓力。這就是串聯(lián)式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)并聯(lián)多個(gè)元件，并且元件彼此

33、之間可以互不影響。輪邊式液壓混合動力車的工作原理：ECU接收驅(qū)動請求并且發(fā)出指令控制發(fā)動機(jī)工作，發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動液壓泵，給液壓系統(tǒng)或液壓蓄能器提供液壓油。每個(gè)二次元件泵/馬達(dá)均直接驅(qū)動車輪，在驅(qū)動車輛行駛時(shí)由液壓泵或高壓蓄能器提供壓力油，驅(qū)動二次元件泵/馬達(dá)以及車輪轉(zhuǎn)動；制動時(shí)將車輛的動能（慣性能）通過二次元件泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)換為液壓能儲存到高壓蓄能器中。該系統(tǒng)具有一個(gè)特殊的優(yōu)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，這樣就大大改善車輛的動力性，同時(shí)也大大簡化了車輛的底盤系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多樣化的工作模式，具有較好的節(jié)油效果和駕駛性能，適用于特殊車輛和飛機(jī)牽引車等。各驅(qū)動方式的優(yōu)缺點(diǎn)對比如下表。串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式液壓混合動

34、力汽車對比分析4.5液壓混合動力車輛的優(yōu)點(diǎn)和研究難點(diǎn)4.5.1液壓混合動力車輛的優(yōu)點(diǎn)液壓混合動力傳動技術(shù)的功率密度大，短時(shí)間內(nèi)完成能量釋放和存儲的能力強(qiáng)，同時(shí)還具有無級變速的精細(xì)速度調(diào)節(jié)、容易實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、操控性強(qiáng)以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。相對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，液壓混合動力傳動車輛的優(yōu)點(diǎn)是：（1）可以回收車輛的制動動能，明顯提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性；（2）發(fā)動機(jī)和液壓蓄能器可以同時(shí)工作，提高了車輛的動力性能；（3）可以實(shí)現(xiàn)無級變速，保證發(fā)動機(jī)工作于最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)，降低油耗；（4）減少制動器的使用次數(shù)和強(qiáng)度，延長其使用壽命，降低其維修、保養(yǎng)費(fèi)用；（5）選用較小功率的發(fā)動機(jī)即可滿足車輛的正常行駛要求，減少有害

35、氣體排放量，減少對環(huán)境的污染；（6）改善車輛行駛平穩(wěn)性，提高乘坐舒適性。相對于混合動力電動汽車，液壓混合動力傳動車輛的優(yōu)點(diǎn)是：（1）在同等條件下，液壓蓄能器能為車輛提供更大的輔助動力；（2）液壓蓄能器充放能量速度要比蓄電池快得多，在相同條件下，液壓蓄能器回收的能量多，車輛動力性能強(qiáng)，而且價(jià)格便宜；（3）液壓泵/馬達(dá)輸出扭矩大，控制精度高，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，所需安裝空間?。唬?）液壓蓄能器使用壽命長，而且廢舊儲能元件不會對環(huán)境造成污染；（5）液壓能量再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用壽命長。英國的 Ricardo Automotive 公司對同等條件的并聯(lián)式靜液傳動車輛和并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的電

36、動車輛以及串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的電動車輛進(jìn)行了節(jié)油性能研究，節(jié)能效果如圖：不同類型混合動力汽車相對常規(guī)汽車節(jié)油效果對比研究結(jié)果顯示，三種車輛比常規(guī)車輛在多種循環(huán)工況下的平均節(jié)能效果分別為 39%，31%和 34%。車輛制動過程中，只有高功率密度系統(tǒng)才能在短時(shí)間跟上車輛制動時(shí)的能量轉(zhuǎn)換和儲存要求。蓄電池功率密度低，充放電頻率小，不能迅速轉(zhuǎn)化吸收大量功率，傳統(tǒng)摩擦制動系統(tǒng)必須協(xié)調(diào)工作，因此再生制動可回收的能量較少，見下圖 (a)；液壓蓄能器功率密度大，能夠迅速吸收并釋放混合動力汽車制動能回收對比大量功率，適于頻繁地回收和釋放能量，因此再生制動回收的能量大，見上圖 (b)。但是液壓蓄能器的能量密度小，在吸收發(fā)

37、動機(jī)多余功率方面和長時(shí)間提供能量方面遜色于電動汽車。靜液傳動技術(shù)更適用于城市公交車、軍用車輛和工程機(jī)械的行走裝置。在頻繁起停的工況下，其節(jié)能效果更好。4.5.2液壓混合動力傳動車輛存在的問題及研究難點(diǎn)國內(nèi)外針對液壓混合動力傳動車輛的研究表明，液壓混合動力車輛發(fā)展存在的主要問題：（1）由于使用高壓蓄能器存儲能量，存在潛在危險(xiǎn)，因此液壓蓄能器技術(shù)和防泄漏技術(shù)將是未來的研究重點(diǎn)之一；（2）液壓蓄能器和液壓元件重量大，在節(jié)能的同時(shí)也增加了車輛的整體重量，這對重型車輛影響較小，但對于非重型車輛來說，液壓輔助元件的重量將占車輛重量的5%10%，因此需要研發(fā)合成材料來降低元件的重量；（3）液壓混合動力傳動車

38、輛關(guān)鍵元件的匹配對車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和整體性能有著直接的影響。因此需要通過對車輛的實(shí)際工程約束條件、整車性能設(shè)計(jì)指標(biāo)及其與動力系統(tǒng)部件的相互影響進(jìn)行分析，優(yōu)化關(guān)鍵元件的匹配關(guān)系來提高車輛的整體性能和燃油經(jīng)濟(jì)性；（4）液壓混合動力傳動車輛的能量控制策略問題。行駛工況和控制策略直接影響車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性；控制策略決定了能量的回收和多動力源能量的分配，控制算法影響到驅(qū)動和制動系統(tǒng)的控制性能；（5）由于液壓蓄能器中的能量釋放速度很快，因此控制系統(tǒng)必須確保液壓能的釋放不影響車輛的駕駛性能和舒適性；（6）傳統(tǒng)液壓蓄能器的能量利用率較低，因此，需要設(shè)計(jì)高效的液壓存儲系統(tǒng)，提高能源的回收與重新利用效率。5液壓混合

39、動力車輛能量控制策略研究混合動力車輛的關(guān)鍵技術(shù)是能量控制策略，這點(diǎn)在電動混合動力車輛和液壓混合動力車輛上都是通用的。研究混合動力車輛的重點(diǎn)應(yīng)放在能量控制策略上，如何優(yōu)化能量控制策略是實(shí)現(xiàn)混合動力車輛低油耗、低排放目標(biāo)的關(guān)鍵所在，這是整個(gè)車輛的研究核心。早期的能量控制策略由于技術(shù)的限制大多是基于速度的控制。由于其簡單，易于理解，技術(shù)門檻較低，因而在初期得到了較為廣泛的研究和應(yīng)用。但沒有充分利用混合動力車輛的優(yōu)勢，通常整車的燃油經(jīng)濟(jì)性不是最優(yōu)，而且還沒有考慮排放，所以現(xiàn)在的控制策略基本上屬于基于轉(zhuǎn)矩或功率的控制。近年來，由于混合動力車輛的快速發(fā)展，不斷有新的控制策略被提出，使得混合動力車輛能量控制

40、策略的種類變得紛繁復(fù)雜，但總體上可以歸納成為邏輯門限控制策略、模糊邏輯控制策略、自適應(yīng)控制策略和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略，下面分別對這幾種控制策略作簡要的介紹。(1) 邏輯門限值控制策略。邏輯門限控制策略也被稱為簡單的基于規(guī)則的控制策略，其基本思想是優(yōu)先保證發(fā)動機(jī)在較高效率區(qū)間內(nèi)工作，在該區(qū)間以外(當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速較小時(shí))利用液壓泵/馬達(dá)替代發(fā)動機(jī)工作，而液壓泵/馬達(dá)的能量來源是作為儲能裝置的液壓蓄能器?；谝?guī)則的控制策略是一種簡單易行、應(yīng)用廣泛的混合動力車輛控制策略，也是目前主要應(yīng)用到混合動力車輛實(shí)車控制中的控制策略。(2) 模糊邏輯控制策略。從本質(zhì)上說，模糊邏輯控制策略也是一種基于規(guī)則的控制策略

41、。兩種控制策略的控制目標(biāo)大致相同，主要區(qū)別是各種門限值的表示方式，邏輯門限值控制策略是基于布爾邏輯，用精確值描述控制規(guī)則，后者是基于模糊邏輯，用模糊值描述控制規(guī)則，門限值的模糊化更能反映各種控制模式之間存在過渡區(qū)這一客觀事實(shí)。由于模糊控制方法本身具有良好的控制品質(zhì)，其在混合動力車輛領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到人們的重視。(3) 自適應(yīng)控制策略。對于混合動力車輛來講，動態(tài)自適應(yīng)控制，就是根據(jù)發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放運(yùn)行要求，利用最優(yōu)控制原理，考慮發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和各排放物的特點(diǎn)，建立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，并使目標(biāo)函數(shù)值最小來實(shí)現(xiàn)燃油消耗和各排放物都較小的目標(biāo)。動態(tài)自適應(yīng)控制要實(shí)時(shí)采集大量的發(fā)動機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并計(jì)算發(fā)動機(jī)的最佳油耗點(diǎn)和最優(yōu)排放點(diǎn)，并在運(yùn)行中實(shí)時(shí)跟蹤兩點(diǎn)數(shù)值的變化。優(yōu)化過程復(fù)雜，計(jì)算量大，這對實(shí)時(shí)性要求高的車輛控制系統(tǒng)不利，并使控制系統(tǒng)的軟件和硬件都過于復(fù)雜。這些阻礙了自適應(yīng)控制策略應(yīng)用到實(shí)車控制中的發(fā)展。(4) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略。一些文獻(xiàn)基于混合動力車輛控制的非線性特征，提出將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于這一領(lǐng)域的方法，但是，鑒于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)固有的外推情況下的不確定性，這種控制在混合動力車輛上的實(shí)際效果尚有待檢驗(yàn)。由前面闡述的驅(qū)動方式可知，并聯(lián)式在目前的市場比較適用。從以上分析可以看出，自適應(yīng)控制策略和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略應(yīng)用到并聯(lián)式液壓混合動力車輛還