前言

随着新能源汽车技术的发展，混合动力车辆可以在满足整车动力性需求的前提下，通过提升发动机工作效率以及再生制动能量回收等途径，使整车获得良好的经济性与排放性。因此，在广阔的市场需求、严格的油耗限值和更高的整车综合性能需求的背景下，发展高效混合动力系统是解决上述问题的有效途径，进行混合动力商用车开发过程的关键技术研究，对混合动力商用车的产业化应用具有重要意义。液压混合动力技术是一种混合动力系统，它结合了液压动力传动系统和传统动力源，如内燃机或电动机，以提供高效的动力传递和能源管理模式，通常被看作混动技术中的一个分支。目前德国博世（BOSCH）、法国波克兰（POCLAIN）、美国伊顿液压（Eaton Hydraulics）等公司均已经相继推出了较为成熟的液压混合动力系统产品，并在较多国际著名的商用汽车公司得到广泛应用。本文围绕液压混合动力系统构型分类和液压混合动力系统产品现状两方面展开论述，可供节能与新能源汽车汽车动力相关专业的工程师、学者以及研究生参考阅读，旨在形成对液压混合动力系统的初步认识。

液压混合动力系统的优势

与传统车辆相比，液压混合动力系统具有以下优势：①该系统多工况适应能力强，能显著提高汽车在坏路面行驶的通过性能；②该系统可以减少小强度制动时，主制动器的使用频次，增加行车频繁小强度制动的安全性；③该系统可以实现制动能量回收再利用，提高整车的能量利用率。与油电混合动力系统相比，液压混合动力系统具有以下优势：①当前液压元件系统的综合效率可以达到95%，甚至比电机电池系统的综合效率还高；②该系统中液压元件的功率密度大，体积小，质量轻，可减小汽车的自重，从而减小汽车的行驶阻力，提高汽车的有效负荷率，减少燃油消耗；③该系统使整车成本增加不多，相比油电混合动力系统，整车成本更具优势。由于轮毂液压混合动力系统多用于重型牵引车，若采用油电混合动力系统，需要很高规格和价格的电机、电池等器件，而相同功率等级的液压元件价格比电机电池要低得多，同功率等级的液驱系统的价格是电驱系统的10%-20%；④该系统中液压元件工作要比高电压电力驱动具有更高的安全性。

液压混合动力系统构型分类及原理

参考常见的油电混合动力系统拓扑结构分类，液压混合动力系统可以分为串联式、并联式、混联式、轮边驱动式以及轮毂驱动式五种类型。

1. 串联式液压混合动力架构及原理

串联式液压混合动力车辆的动力传动系中有两种或两种以上的动力源可同时或单独提供动力，但仅有一种执行元件驱动负载工作。该动力传动系主要由发动机、变量泵、主减速器、液压蓄能器和液压泵/马达组成，如图 1 所示。发动机和蓄能器为两个动力源；与主减速器连接的液压泵/马达，主要作为驱动车轮的执行元件使用，具有双向和可逆的特性；与发动机连接的变量泵主要作为动力元件使用。串联动力传动系统，可以由普通静压传动系统加液压蓄能器组成，也可以由恒压源液压系统加液压蓄能器或飞轮组成。

串联式液压混合动力车辆起步或正常行驶时，液压泵/马达以马达工况工作，作为驱动车轮的执行元件使用，当车辆制动（非紧急制动模式）时，以泵的工况工作，将车辆具有的惯性能进行回收，并将车辆的惯性能以液压能的形式存储于高压蓄能器中，这一部分能量将在车辆起步和爬坡时释放，弥补与发动机相连的变量泵动力输出的不足，从而达到了提高车辆动力性和燃油经济性的目的。

2. 并联式液压混合动力架构及原理

并联式液压混合动力车辆是指其作为驱动系统时与发动机处于并联形式。并联系统中同样有两种制动系统耦合而成，可同时或单独提供制动力。而其参与驱动过程时有两个或两个以上相应的执行元件可同时驱动负载。该动力传动系统主要由变速箱、主减速器、液压蓄能器和液压泵/马达组成，如图 2 所示。并联形式通常保留传统车的动力传动链，只是在原传动链上增加了由液压泵/马达和液压蓄能器组成的能量再生装置，从而在参与驱动时形成双动力驱动。

当车辆制动时，变量泵/马达以泵的工况工作，将车辆具有的惯性能进行回收并存储于高压蓄能器中。并联式液压混合动力汽车处于驱动工况时，发动机和液压马达可以分别独立的向车辆提供动力也可以共同工作，无需串联式液压混合动力驱动系统的专用液压泵，因此该构型更近似于传统车辆的传动系统，在其作为液压辅助驱动系统时，如果出现问题，仍然可以按照原传统车驱动方式由发动机单独驱动继续工作。

3. 混联式液压混合动力架构及原理

混联式液压混合动力车辆综合了串联式结构与并联式结构的特点，其原理如图 3 所示。虽然在理论上混联式结构最容易实现性能最优，提高汽车的适应能力，但系统过于复杂，控制难度大，部件性能要求高，设计加工困难，造价高。因此混联式液压混合动力系统在研究、开发和应用中都受到很大的限制。

4. 轮边式液压混合动力架构及原理轮边式静液传动混合动力系统属于串联式的变形，如图 4 所示，其驱动元件直接与车轮连接，而非与驱动桥连接。这种结构的工作模式更为多样化，节油效果和驾驶性能也更加优越。但这种结构较为复杂，成本较高，控制系统也较为复杂，适用于飞机牵引车等特殊车辆。

5. 轮毂式液压混合动力架构及原理轮毂驱动式构型在传统后驱车辆基础上，增加由液压变量泵、液压控制阀组、从动轮（前轮）轮毂液压马达、液压蓄能器、取力器（PTO，power take off）等组成的轮毂液压驱动系统，如图 5 所示，可以实现辅助驱动与辅助制动两大功能。当该系统进行辅助驱动时，发动机动力经过PTO分流，分别传递至中后轮机械传动路径以及前轮液压传动路径，进而实现全轮驱动，可以显著改善车辆在低附着路面的通过性；当车辆制动时可以通过蓄能器实现再生制动能量回收以提高整车经济性，而且通过蓄能器的液压辅助制动还可以改善制动安全性。

液压混合动力系统产品现状

目前液压混合动力系统产品大多采用串联式或者并联式构型，所应用的对象多为公交客车、中/重型卡车、城市SUV或者挖掘机等工程机械。相关研究主要集中在欧洲的法国与德国。其中，法国波克兰液压有限公司最早开展轮毂液压驱动技术的研究，并相继推出了轮毂液压辅助前桥驱动系统和轮毂液压辅助后桥驱动系统。波克兰公司与德国MAN公司合作，推出静液压前桥辅助驱动系统HydroDrive，如图 6 所示。该系统将液压变量泵安装在变速器后方，并通过安装在前轮的轮毂液压马达实现辅助驱动，相比全轮驱动系统可省去分动器等机构，进而实现整车减重400 kg，具备较好的动力性与经济性。

同时，轮毂液压系统在北美市场也已得到实际应用，如美国肯沃斯（KENWORTH）公司采用法国波克兰轮毂液压辅助前桥系统开发的牵引车辆，美国斯特林（STERLING）公司采用法国波克兰公司的液压泵与液压马达开发的轮毂液压货车，如图 8 所示。

近年来，波克兰公司进一步推出了CreepDrive与AddiDrive液压混合动力系统。图 9所示为CreepDrive系统，该系统多用于以极低速度工作、但在公路上能够以正常速度行驶的车辆。配备该系统的车辆通过手动开关即可实现标准机械传动与静液压传动两种模式之间的切换，机械传动用于公路行驶，而静液压传动则用于低速工作。

AddiDrive系统则是在车辆原有机械传动系统的基础上，附加一套静液压传动系统，如图 10（1）所示。仅在需要补充牵引力时，AddiDrive系统开启并将扭矩自动输送至非驱动轴，可在复杂行驶条件下（如泥泞、雪地、砂石和上下坡等）改善卡车机动性。与全时全驱卡车相比，AddiDrive系统可降重400 kg~600 kg，使得车辆有效负载更高；同时油耗可降低10%~15%，排放也更少。目前，AddiDrive系统已经应用于欧洲大型卡车OEM厂商，例如MAN、雷诺、梅赛德斯奔驰、沃尔沃等，总产量超过15000台。在2018年的中国上海宝马展上（2018 bauma CHINA），波克兰也展出了AddiDrive的解决方案，如图 10（2）所示。

此外，德国BOSCH公司在轮毂液压驱动方面也有一定的研究，BOSCH在汉诺威车展上展出了一套液压辅助驱动系统（HTA，hydraulic traction assistant），如图 11所示，如该系统与波克兰的系统功能较为类似，但在技术细节方面存在较大差别。

总结

总结现有液压混合动力产品可以看出，国内外对液压驱动技术的研究大多集中在恒压静液传动混合动力方面，而对轮毂液压混合动力系统研究起步稍晚，国外也是仅有几家公司推出了相关产品，国内目前仍处于研发探索阶段，未有成熟产品投入量产。但作为机械全轮驱动系统的有效替代方案，轮毂液驱系统能够根据实际需求开启或关闭全轮驱动模式，在改善整车牵引性能的同时还提高了整车的能量传递效率，应用于商用车的优势明显，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 曾小华，李广含，宋大凤著.汽车轮毂液压混合动力系统关键技术[M].北京：化学工业出版社,2019.

[2] 李广含.轮毂液压混合动力系统多模式能量管理与动态协调控制研究[D].吉林大学,2019.

[3] Kargul J, Moskalik A, Newman K, et al. Design and Demonstration of EPA's Integrated Drive Module for Commercial Series Hydraulic Hybrid Trucks and Buses[J]. SAE International Journal of Commercial Vehicles, 2015, 8(2015-01-2850): 549-567.

[4] 叶永盛. 并联式液压混合动力车辆参数优化及控制策略研究[D].杭州:浙江大学,2014.

[5] 董晗. 并联式液压混合动力车辆结构方案与能量控制研究[D]. 长春:吉林大学, 2015.

[6] 冯代伟. 串联型液压混合动力汽车的能量管理策略研究[D]. 电子科技大学, 2012.

注：文章中引用数据和图片来源网络