四輪獨(dú)立液驅(qū)混合動力車輛試驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)

周海成，徐照平，劉 梁

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

1 引言

隨著能源消耗和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，有力推動了節(jié)能環(huán)保型車輛的發(fā)展。新能源技術(shù)和混合動力技術(shù)是節(jié)能環(huán)保型車輛的主要發(fā)展方向[1-2]。在新能源技術(shù)尚未找到安全、穩(wěn)定且低成本的解決方案之前，混合動力技術(shù)作為延緩能源消耗、降低污染排放的重要技術(shù)手段，是近期和中期的解決方案，已成為世界各國的研究重點(diǎn)[3]。

混合動力車輛是指具有兩種或兩種以上的能源動力裝置的車輛，并且它們能共同或者獨(dú)自驅(qū)動車輛行駛[4]?，F(xiàn)有的混合動力車輛主要類型分為：電動混合動力、機(jī)械混合動力以及液驅(qū)混合動力等。其中液驅(qū)混合動力具有高功率密度的特點(diǎn)，尤其適用于具有頻繁起、停特點(diǎn)的城市工況，能高效回收制動能量，從而大幅提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性。在相同驅(qū)動功率下，液壓元件有更小的體積和質(zhì)量，這對實(shí)現(xiàn)整車輕量化和空間布局十分有利。

液驅(qū)混合動力車輛的結(jié)構(gòu)分為：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式[5]。其中串聯(lián)式結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)動機(jī)與行駛工況解耦，可優(yōu)化發(fā)動機(jī)工作區(qū)域，有效降低燃油消耗和有害氣體排放。但對單橋或雙橋車輛來說，效率較低。

美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）多年來持續(xù)對液驅(qū)混合動力技術(shù)進(jìn)行了研究，其發(fā)展趨勢是由輔助驅(qū)動到應(yīng)用于輕型車的全液壓驅(qū)動[6]。

2 四輪獨(dú)立液驅(qū)混合動力車輛結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步提升液驅(qū)混合動力車輛的動力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性能，提出一種四輪獨(dú)立液驅(qū)混合動力車輛，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

該方案基于串聯(lián)式混合動力，進(jìn)一步取消了前后驅(qū)動橋，由輪轂液壓馬達(dá)直接驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。發(fā)動機(jī)因與行駛工況解耦而有很大的自由度可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。液壓蓄能器可高效回收制動能量，顯著提高燃油經(jīng)濟(jì)性。通過變量泵和變量馬達(dá)的排量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)無級變速。四輪輪邊驅(qū)動提升車輛動力性，易于實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向，提高車輛的越野性能。

圖1 四輪獨(dú)立液驅(qū)混合動力車輛結(jié)構(gòu)原理Fig.1 The Structural Principle of Hydraulic Hybrid Vehicle with Four Independent Motors

3 試驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)

對四輪獨(dú)立液驅(qū)混合動力車輛進(jìn)行研究時(shí)，先建立模擬試驗(yàn)臺架，對車輛系統(tǒng)的關(guān)鍵部分進(jìn)行研究論證[7，8]。試驗(yàn)臺架通過試驗(yàn)臺架性能測試后，再進(jìn)行原理樣車的改裝，能縮短研發(fā)周期[9]。因此，建立模擬試驗(yàn)臺架進(jìn)行半實(shí)物仿真對車輛的基礎(chǔ)研究具有重要意義。以某型SUV 為原型車，其主要性能參數(shù)，如表1 所示。

表1 原型車主要性能參數(shù)Tab.1 The Main Technical Parameters of the Prototype Vehicle

3.1 試驗(yàn)臺架原理圖

為簡單起見，假設(shè)四個(gè)輪轂液壓馬達(dá)和四個(gè)車輪是相同的。設(shè)計(jì)了整車四分之一試驗(yàn)臺架，如圖2 所示。試驗(yàn)臺架包括液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等。

圖2 試驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 The Structural Principle of Test Bench

3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要包括變量液壓泵、液壓蓄能器、輪轂液壓馬達(dá)和液壓閥及管路等。

3.2.1 變量液壓泵

變量液壓泵作為發(fā)動機(jī)的唯一負(fù)載，直接決定了發(fā)動機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)。調(diào)節(jié)變量液壓泵的排量就能直接改變發(fā)動機(jī)實(shí)際負(fù)荷。發(fā)動機(jī)的輸出功率，應(yīng)最大程度上被變量液壓泵利用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能。計(jì)算公式：

式中：pe—發(fā)動機(jī)功率；Δp—液壓泵進(jìn)出口壓力差；qp—流量；vp—液壓泵排量；n—發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.2.2 輪轂液壓馬達(dá)

輪轂液壓馬達(dá)最大功率應(yīng)不小于車輛以最大爬坡度或最高車速行駛時(shí)的功率需求，以某一車輪為例：

式中：Pm—輪轂液壓馬達(dá)功率（kW）；Pgrad—車輛在最大爬坡度上行駛時(shí)車輪所需功率（kW）；Pspdmax—車輛以最高車速行駛時(shí)車輪所需功率（kW）。

3.2.3 液壓蓄能器

液壓蓄能器最低工作壓力應(yīng)滿足驅(qū)動附著條件及在水平路面上克服行駛阻力行駛。液壓蓄能器最高工作壓力不得大于液壓元件所允許的最高壓力。

式中：F—車輪在水平路面上行駛阻力（N）；Fφ—車輪在水平路面上最大附著力（N）。

一般以完全回收車輛在巡航速度下的動能來確定液壓蓄能器的容積。液壓蓄能器的充氣壓力應(yīng)稍小于最低工作壓力，可以起到吸收波動和緩沖的作用。

3.3 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)（電機(jī)），慣量盤，磁粉制動器等。

3.3.1 發(fā)動機(jī)

發(fā)動機(jī)是整車最主要的動力源，對車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性有最直接的影響。液壓蓄能器輔助驅(qū)動可大幅減少對發(fā)動機(jī)峰值功率的需求，使發(fā)動機(jī)小排量化。發(fā)動機(jī)最大功率要保證車輛在最高車速下正常行駛。以最高車速120km/h，得發(fā)動機(jī)最大功率112kW，發(fā)動機(jī)最高功率可降低39.1%。在工程中對發(fā)動機(jī)穩(wěn)定控制難度非常大，為簡單起見，使用電機(jī)來模擬發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況，變頻器用來控制電機(jī)。

3.3.2 慣量盤

慣量盤用來模擬整車的質(zhì)量。根據(jù)運(yùn)動能量守恒原理，將所有慣性元件質(zhì)量折算到電機(jī)軸上。

式中：δ—旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)[10]；Mv—車輛整備質(zhì)量；Mc—車輛裝載質(zhì)量；J—折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量（kgm2）；ω—電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速（rad/s）；ig—電機(jī)軸與車輪間的傳動比。

對于本試驗(yàn)臺架，折合到一個(gè)車輪上：J°=0.25*J=112.84kgm2。所需的轉(zhuǎn)動慣量較大，設(shè)計(jì)一種盤形慣量盤：

為安全及加工考慮，必須采取措施減小慣量盤尺寸。在輪轂液壓馬達(dá)輸出軸連接一個(gè)增速器，傳動比大小選定為1：4。此時(shí)：Jz=J°·i2=112.84/16=7.053kgm2。

3.3.3 磁粉制動器

磁粉制動器用來模擬車輛行駛阻力，通過控制器改變轉(zhuǎn)矩大小。車輛在行駛過程中必須克服滾動阻力，空氣阻力，坡度阻力及加速阻力。以車輛在最高車速120km/h 下計(jì)算：

對于一個(gè)車輪來算，最大功率為10.3kW。

3.4 測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

測控系統(tǒng)主要由數(shù)字信號處理器模塊、傳感器采集模塊、控制信號模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、上位機(jī)測控軟件組成。

控制器采用芯片TMS320F2812，處理器主頻為150MHz，處理能力能夠達(dá)到150MPS[11]。它集成度高，功耗小，運(yùn)算能力強(qiáng)大。DSP 控制器主要實(shí)現(xiàn)采集信號、處理信號、產(chǎn)生控制信號、實(shí)現(xiàn)控制算法等功能。利用DSP 的集成開發(fā)環(huán)境CCS（Code Composer Studio），產(chǎn)生可執(zhí)行的代碼，再裝載到DSP 的實(shí)時(shí)硬件上運(yùn)行調(diào)試。上位機(jī)測控軟件包括初始化程序、主循環(huán)程序、結(jié)束程序。

圖3 上位機(jī)測控軟件界面Fig.3 Measurement and Control Software Interface

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

各元件的主要性能參數(shù)經(jīng)計(jì)算后，如表2 所示。選擇合適型號的元件，搭建了試驗(yàn)臺架，其實(shí)物，如圖5 所示。

表2 試驗(yàn)臺架元件的主要性能參數(shù)Tab.2 The Main Technical Parameters of the Test Bench

圖4 液壓試驗(yàn)臺架實(shí)物Fig.4 The Physical Test Bench

4.1 液壓蓄能器充能試驗(yàn)

試驗(yàn)初始條件：電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min，液壓蓄能器初始壓力18.5MPa 充壓至25MPa，經(jīng)試驗(yàn)得到結(jié)果如下：

圖5 液壓蓄能器充能試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 The Charging Process Experimental Results

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可計(jì)算出電機(jī)的功率，對功率進(jìn)行積分計(jì)算，可得電機(jī)輸出能量為：Emotor=2.543×105J。液壓蓄能器壓力由18.5MPa 升至25MPa，所存儲的能量為：

電機(jī)驅(qū)動變量液壓泵給液壓蓄能器充能，是機(jī)械能到液壓能的轉(zhuǎn)化過程。計(jì)算液壓蓄能器充能的能量轉(zhuǎn)換效率為：

4.2 液壓蓄能器驅(qū)動試驗(yàn)

試驗(yàn)初始條件：液壓蓄能器初始壓力19MPa，慣量盤轉(zhuǎn)速為0，電磁比例換向閥置于左位。經(jīng)試驗(yàn)得到結(jié)果如下：

根據(jù)輪轂液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出終點(diǎn)的機(jī)械能：Ehm=液壓蓄能器壓力由 19MPa 降至 0MPa，能量完全釋放，所釋放的能量為：

圖6 液壓蓄能器驅(qū)動試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 The Driving Process Experimental Results

液壓蓄能器驅(qū)動輪轂液壓馬達(dá)及慣量盤轉(zhuǎn)動，是液壓能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化過程。液壓蓄能器放能的能量轉(zhuǎn)換效率為：

5 結(jié)論

針對提出的一種四輪獨(dú)立液驅(qū)混合動力車輛方案設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)臺架。通過試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了試驗(yàn)臺架的功能及其測控系統(tǒng)的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明：液壓蓄能器充、放能的能量轉(zhuǎn)換效率為88%左右，驗(yàn)證了四輪獨(dú)立液驅(qū)混合動力車輛方案的可行性。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺架為四輪獨(dú)立液驅(qū)混合動力車輛的研究和開發(fā)提供了功能完善、可靠的試驗(yàn)平臺。