《汽车轮毂液压混合动力系统关键技术》是吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室和汽车工程学院课题组曾小华教授团队多年教学和科研工作经验的总结，是一本业内难得的实用性技术专著。全书内容涉及轮毂液压混合动力系统的诸多关键技术问题，如能量管理控制策略、驱动力协调控制技术、非线性控制技术、温度补偿控制技术、液压关键部件的结构原理、系统理论油耗计算、系统集成建模与路面工况仿真验证等。
本书内容系统、先进、实用，具备较强的综合性，文字准确严谨、配图清晰正确、内容丰富翔实，有助于读者阅读和学习。具有一定混合动力系统设计方面基础的读者通过学习本书的研究内容与方法，基本可以掌握轮毂液压混合动力系统的开发过程和关键技术，从而为自身的科研进程和实际工作提供帮助。

《汽车轮毂液压混合动力系统关键技术》结合重型商用车高效化和提升工况适应性的实际需求，提出了一整套轮毂液压混合动力系统关键控制技术。首先，从系统构型开始，详细介绍了关键部件的结构及其原理，并阐明了轮毂液压混合动力系统基本工作模式；然后，从车辆动力学、液压传动原理、热力学理论出发，进行了系统动态仿真建模，为控制策略开发做好铺垫；同时，基于理论分析总结了一套能耗分析方法，探究各油耗影响因素对系统节能品质的贡献机理；进一步结合全局优化算法开发了多模式能量管理策略和驱动力协调与非线性集成控制策略，是实现车辆高通过性、强动力性、低油耗的关键环节；最后，介绍了试验平台开发和测试验证内容，最终实现了完整的闭环开发流程。总体上本书具备较强的综合性，为轮毂液压混合动力系统在重型商用车的实际应用与推广奠定了理论基础，也为提升我国新型重型商用车的产品竞争力提供了重要保证。

曾小华，吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，教授，博士生导师。主要研究领域：节能与新能量汽车关键技术的研究，主要包括油电混合动力汽车、液压混合动力汽车的驱动理论、设计方法与控制技术。1999年开始并一直进行节能与新能源汽车技术开发，已发表论文50余篇，为多家国内外核心期刊论文评审专家；申请专利10余项，已获授权发明专利7项。负责与参加20余项国家“863”项目、自然基金项目，省部级重点、重大项目以及龙头整车企业项目。积累了丰富的节能与新能源汽车技术开发经验和成果。

第1章　绪论 1
　1.1　行业发展背景 1
　1.2　液压混合动力系统 3
　　1.2.1　静液压驱动形式 3
　　1.2.2　系统构型 5
　　1.2.3　液压混合动力技术的发展概况 8
　1.3　轮毂液压混合动力系统 10
　　1.3.1　轮毂液压混合动力系统国外产品现状 10
　　1.3.2　轮毂液压混合动力系统国内研究现状 13
　1.4　轮毂液压混合动力系统关键技术 14
　　1.4.1　能量管理控制策略 14
　　1.4.2　驱动力协调控制技术 17
　　1.4.3　非线性控制技术 19
　　1.4.4　温度补偿控制技术 21
　本章小结 24

第2章　轮毂液压混合动力系统概述 25
　2.1　系统构型方案 25
　　2.1.1　轮毂液压混合动力系统构型 25
　　2.1.2　轮毂液压混合动力系统的优势 27
　2.2　液压关键部件结构及原理 28
　　2.2.1　液压变量泵 28
　　2.2.2　轮毂液压马达 29
　2.3　系统基本参数 29
　2.4　基本工作模式 30
　　2.4.1　液压传动回路 30
　　2.4.2　基本工作模式 31
　本章小结 36

第3章　轮毂液压混合动力系统建模 37
　3.1　机械系统动力学模型 37
　　3.1.1　整车动力学模型 37
　　3.1.2　发动机模型 41
　　3.1.3　离合器和变速器模型 42
　　3.1.4　轮胎模型 43
　　3.1.5　制动器模型 44
　3.2　液压系统动力学模型 47
　　3.2.1　常规液压系统模型 47
　　3.2.2　液压系统热力学模型 64
　3.3　轮毂液压系统集成建模与仿真验证 77
　　3.3.1　系统仿真平台简介 77
　　3.3.2　常规液压系统集成模型仿真验证 80
　　3.3.3　液压热力学模型集成仿真验证 90
　本章小结 93

第4章　轮毂液压混合动力系统能耗分析方法 95
　4.1　基于能量的系统理论油耗计算模型 96
　　4.1.1　轮毂液压混合动力系统内部能量流分析 96
　　4.1.2　平均综合传动效率定义 98
　　4.1.3　理论油耗计算模型 99
　4.2　基于理论油耗模型的节油贡献率分析 100
　　4.2.1　理论综合油耗增量计算模型 101
　　4.2.2　节油量与节油贡献率定义 101
　4.3　理论油耗计算模型仿真验证 102
　　4.3.1　基本控制策略 102
　　4.3.2　仿真工况选择 104
　　4.3.3　理论油耗仿真计算结果 105
　4.4　轮毂液压混合动力系统油耗影响因素讨论 106
　　4.4.1　再生制动能量回收节油贡献率 106
　　4.4.2　发动机平均燃油消耗率节油贡献率 109
　　4.4.3　平均综合传动效率节油贡献率 111
　　4.4.4　理论油耗影响因素分析小结 113
　本章小结 114

第5章　轮毂液压混合动力系统全局优化算法 115
　5.1　全局优化算法基本原理 115
　5.2　轮毂液压混合动力系统全局优化算法 118
　　5.2.1　基于车速-蓄能器SOC 自适应的等效燃油消耗因子计算 118
　　5.2.2　基于系统多模式特性的全局优化改进算法 122
　5.3　全局优化算法计算结果 125
　　5.3.1　全局优化算法计算结果 126
　　5.3.2　基于能量计算模型的全局优化算法结果 129
　本章小结 132

第6章　多模式能量管理控制策略 133
　6.1　辅助驱动和再生制动控制策略 133
　　6.1.1　辅助驱动控制 133
　　6.1.2　再生制动控制 144
　6.2　多模式泵排量控制算法 149
　　6.2.1　基于综合效率最优的蠕行模式泵排量控制 149
　　6.2.2　基于最优驱动力分配的闭式回路泵助力模式泵排量控制 153
　　6.2.3　基于最优控制规则提取的主动充能模式泵排量控制 157
　6.3　温度补偿控制算法 158
　　6.3.1　蠕行模式温度补偿策略 158
　　6.3.2　助力模式温度补偿策略 161
　　6.3.3　极限状态温度补偿控制策略 164
　本章小结 166

第7章　驱动力协调与非线性集成控制策略 168
　7.1　驱动力动态协调与非线性集成控制架构 168
　7.2　基于模型预测控制的驱动力协调控制器 169
　　7.2.1　面向控制器设计的轮毂液压混合动力系统模型 171
　　7.2.2　预测模型 172
　　7.2.3　约束优化 174
　7.3　基于Lyapunov稳定性的泵排量非线性控制 177
　　7.3.1　液压系统非线性控制问题 177
　　7.3.2　面向控制器设计的泵排量控制执行机构模型 177
　　7.3.3　基于Lyapunov稳定性的非线性控制器设计 178
　　7.3.4　名义仿真工况验证 180
　7.4　仿真验证 181
　　7.4.1　低附着路面工况仿真结果 181
　　7.4.2　高附着路面工况仿真结果 184
　　7.4.3　非线性动态协调控制器性能评价 186
　本章小结 187

第8章　轮毂液压混合动力系统试验平台 188
　8.1　HIL仿真测试 188
　　8.1.1　HIL仿真平台 188
　　8.1.2　HIL仿真测试 190
　8.2　台架试验测试 194
　　8.2.1　测试方案 194
　　8.2.2　测试设置 195
　　8.2.3　试验内容 196
　8.3　实车试验测试 200
　　8.3.1　试验样车搭建 200
　　8.3.2　实车试验测试 201
　本章小结 207

参考文献 208

随着我国工业化与现代化进程的突飞猛进，能源危机和环保问题成为发展道路上的重要难题。汽车行业作为国内的支柱产业，节能减排迫在眉睫。研发“高效、节能”汽车是国内外汽车行业发展的共性需求，混合动力车辆凭借其优异的动力性和经济性，成为行业研究热点。然而，新能源技术目前多应用在乘用车领域，对于自重更大、油耗更高且动力性及通过性需求更高的重型商用车还未形成完整、成熟的技术方案。与乘用车相比，我国商用车技术的自主化程度更高，自主品牌在我国商用车市场占据主导地位，为自主混合动力商用车的研发和推广应用奠定了良好的技术基础。其中，轮毂液压混合动力系统凭借其功率密度大、质量体积小、综合成本低等优点，尤其在重型商用车领域表现出较强的竞争力与良好的市场应用前景。
在此背景下，本书从重型商用车的特点出发，详细介绍了轮毂液压混合动力关键技术在重型商用车领域的应用，并围绕系统集成建模、理论经济性能分析、多模式能量管理算法与非线性动态协调控制、测试平台搭建等内容做了重点讲解。
轮毂液压混合动力系统是在传统车的基础上，通过添加液压变量泵、蓄能器、液压轮毂马达、控制阀组等关键部件构成，其特有的静液辅助驱动与辅助制动功能不仅可以显著改善车辆在低附着路面的通过性，提高工况适应能力，还可以在车辆制动时通过蓄能器实现再生制动能量回收以提高整车经济性，同时通过蓄能器的液压辅助制动可改善制动安全性。诸多优点使轮毂液压系统在重型商用车市场表现出良好的应用前景，目前在欧洲市场比如法国波克兰、德国博世等公司已经推出了成熟的系统产品，得到国际著名商用车公司的认可并实现量产，如德国MAN、法国雷诺等。但该技术在国内的发展仍处于起步阶段，笔者通过长期研究以及与企业的深度合作，实现了轮毂液压混合动力系统在重型商用车上的应用开发，希望打破国外的技术垄断。
本书结合重型商用车高效化和提升工况适应性的实际需求，提出了一整套轮毂液压混合动力系统关键控制技术。首先，从系统构型开始，详细介绍了关键部件的结构及其原理，并阐明了轮毂液压混合动力系统的基本工作模式，旨在给读者一个整体上的认识；然后，从车辆动力学、液压传动原理、热力学理论出发，进行了系统动态仿真建模，为控制策略开发做好铺垫；同时,基于理论分析总结了一套能耗分析方法，探究各油耗影响因素对系统节能品质的贡献机理；进一步，笔者结合全局优化算法开发了多模式能量管理策略和驱动力协调与非线性集成控制策略，是实现车辆高通过性、强动力性、低油耗的关键环节；最后，介绍了试验平台开发和测试验证内容，最终实现了完整的闭环开发流程。
同时笔者也结合国家自然科学基金项目、企业横向课题等实例进行了深入阐述和详细说明，力求做到文字准确严谨，配图清晰正确，内容丰富翔实，以方便读者阅读和学习。全书各部分主要内容概述如下。
首先建立了轮毂液压混合动力系统仿真平台。基于MATLAB/Simulink和AMESim仿真平台建立了轮毂液压混合动力系统动态集成模型，包括机械系统动力学模型与轮毂液压系统动态模型。根据轮毂液压系统的研究需求，针对液压系统动态模型分别介绍了常规液压系统建模方法和液压系统热力学建模方法。其中，对于常规液压系统动力学模型，对其关键部件变量泵的控制执行机构，本书采用了两种建模思路：一种是泵控系统的机理模型搭建；另一种则是利用系统参数辨识技术建立的液压变量泵准稳态模型。同时利用节点容腔法对液压系统动态模型集成，并根据实时仿真需求对液压系统模型存在的刚性问题进行了降阶简化。而对于液压热力学模型，本书分析了系统产热、散热机理，建立了系统热平衡关系。最后利用MATLAB/Simulink和AMESim软件对建立的模型进行了准确性与可行性的对比验证。
为更加细致地分析混合动力系统节能原理及各油耗影响因素对节油的贡献度，本书首次提出了基于能量计算的轮毂液压混合动力系统理论油耗计算模型。通过提出“平均综合传动效率”概念将再生制动、发动机平均燃油消耗率、机械传动效率等因素解耦，分别定量分析各因素对系统节油的贡献度，为混合动力系统开发前期指标的制定提供了理论依据，同时为开发中后期系统的优化和标定指明了方向，从而进一步提高整车经济性优化的效率。
轮毂液压混合动力系统的全局最优控制策略以全工况下的综合能耗最小为控制目标，寻找确定工况下系统综合油耗最低的全局最优解。尽管全局优化算法由于运算量庞大而无法实现在线实时应用，但仍然可以为轮毂液压混合动力系统工作模式切换规则的制定提供有意义的参考依据。因此，本书提出了轮毂液压混合动力系统全局优化算法。根据轮毂液压混合动力系统高速行驶时蓄能器放能限制的工作特性，采用基于车速-蓄能器SOC自适应调节方法计算等效燃油消耗因子，进而计算目标罚函数，保证蓄能器SOC维持在一定目标范围的同时，也保证蓄能器存在足够的能量空间进行再生制动能量回收；同时，根据轮毂液压混合动力系统各模式工作点控制相对固定的特性，对全局优化算法进行了改进，通过控制变量降维，在不影响优化结果精度的前提下实现更高的计算效率。
在充分了解轮毂液压混合动力系统节能原理及节油能力的基础上，选择合适的能量管理控制策略是提升混合动力系统经济性的重要途径。本书提出了基于分层控制的多模式能量管理策略控制架构。根据全局优化算法的计算结果，通过规则提取以及LQR调节器的设计，最终形成一种基于固定门限阈值以及SOC目标跟踪控制的最优控制层控制方法，在不同的工况下仿真均实现了近似最优的控制效果。此外，根据轮毂液压混合动力系统多模式控制需求，建立了多模式泵排量控制算法以及基于热特性的温度补偿控制算法，实现机械传动系统与液压传动系统的驱动力最佳分配。
本书使用大量篇幅介绍了提高轮毂液压混合动力系统燃油经济性的方法，然而，轮毂液压混合动力系统是一类典型的强非线性、参数时变的机电液复杂耦合控制系统，前轮液压传动部件与中后轮机械传动部件的响应特性差异明显，系统动态控制品质也将成为影响该系统在重型商用车上推广应用的关键。因此，本书将驱动力动态协调与非线性集成控制作为轮毂液压混合动力重型商用车的另一关键技术，设计了非线性动态协调集成控制架构，通过多模式变量泵排量优化控制算法计算稳态控制目标，并采用基于MPC的驱动力协调控制策略得到动态控制增量，进一步基于Lyapunov稳定性原理的非线性控制器实现优化目标的跟踪控制，最终得到NMPC非线性动态协调集成控制器，解决了轮毂液压混合动力系统工作过程中驱动力协调以及液压系统的本质非线性引起的控制问题，提升了轮毂液压混合动力系统的动力性、通过性以及动态控制品质，为推进轮毂液压系统的产业化发展扫清了障碍。
最后，本书分别介绍了轮毂液压混合动力系统的HIL测试平台、台架试验平台以及样车试验平台，验证了系统基本功能及性能，并对系统的多模式能量管理策略和非线性动态协调控制策略进行了有效性与实时性验证，大大缩减了实车调试和开发的周期。
总体来讲，本书结合重型商用车混合动力化实际需求，提出了一整套轮毂液压混合动力系统关键控制技术，从重型车辆轮毂液压混合动力系统动态建模，到系统多模式能量管理策略开发，再到非线性动态协调控制器的设计以及试验平台测试验证，具备较强的综合性，为轮毂液压混合动力系统在重型商用车上的实际应用与推广奠定了理论基础，也为提升我国新型重型商用车的产品竞争力提供了重要保证。
本书可供汽车相关专业的研究生以及从事节能与新能源汽车工作的研究人员使用，旨在为读者提供一本专门介绍汽车轮毂液压混合动力系统完备开发内容和流程的专业书籍，为我国轮毂液压混合动力系统的自主开发提供重要理论借鉴与实际参考。
本书由吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室和汽车工程学院课题组组织，由曾小华、李广含、宋大凤著。李立鑫、孙可华、张轩铭、刘持林参与了书稿的前期策划及资料的搜集、部分插图绘制和文稿整理工作。全书由宋大凤教授统稿。王庆年教授提出许多宝贵的意见。在此,一并表示感谢。
由于本书涉及的研究内容广泛，加之笔者水平有限，书中不妥之处在所难免。欢迎使用本书的广大读者批评指正。笔者联系方式(E-mail):zeng.xiaohua@126.com。