靜液傳動混合動力車輛再生制動研究

劉 濤，姜繼海

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院，山東威海264209，lt4325@163.com;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)流體傳動與控制研究所，哈爾濱150001)

全球化的市場競爭、能源匱乏、環(huán)境污染等問題促使人們考慮車輛的燃油經(jīng)濟性問題.作為混合動力技術(shù)的一個重要分支，靜液傳動混合動力車輛也逐漸引起了各國政府、研究機構(gòu)及汽車制造商的高度重視［1-2］.由發(fā)動機和液壓泵/馬達組成的并聯(lián)式靜液傳動混合動力系統(tǒng)可以使發(fā)動機工作在高效區(qū)并可在車輛減速過程中回收制動能量，因此可顯著提高車輛的燃油經(jīng)濟性.液壓蓄能器具有功率密度大、充放能量速度和頻率比蓄電池快得多的優(yōu)點［3-4］.因此，對于公交客車、SUV和重型商用車，靜液傳動混合動力技術(shù)具有較好的適用性［5-6］.液壓再生制動系統(tǒng)對于提高燃油經(jīng)濟性和制動性能起著重要的作用，但目前相關(guān)研究的文獻較少.

由液壓再生制動系統(tǒng)和傳統(tǒng)的摩擦制動系統(tǒng)組成的靜液傳動混合動力車輛制動系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)車輛.液壓蓄能器高功率密度的特點以及液壓再生制動系統(tǒng)與傳統(tǒng)摩擦制動系統(tǒng)之間復(fù)雜的協(xié)調(diào)工作要求對制動控制策略進行研究，協(xié)調(diào)所有的制動系統(tǒng)都處于最佳的方式，在獲得滿意的制動效果的同時回收最多的制動能［7-8］.

本文結(jié)合能量再生系統(tǒng)功率密度大的特點，分析靜液傳動混合動力車輛在城市行駛工況下的制動特征，提出了一種新的制動控制策略，并確定了并聯(lián)式靜液傳動混合動力車輛再生制動控制方法以提高制動能量的回收.通過仿真和試驗研究驗證了該控制策略進一步提高制動能量回收和制動性能的有效性.

1 PHHV的結(jié)構(gòu)原理

前輪驅(qū)動靜液傳動混合動力車輛(見圖1)主要由內(nèi)燃機、高壓蓄能器、低壓蓄能器和可變排量的液壓泵/馬達組成.主要動力源為傳統(tǒng)車輛的柴油機，液壓泵/馬達通過扭矩耦合器與傳動軸連接.

圖1 PHHV結(jié)構(gòu)原理圖

在車輛減速過程中，液壓泵/馬達工作在泵工況，可收集通常被傳統(tǒng)車輛摩擦制動耗散掉的能量.當(dāng)車輛制動時，液壓泵/馬達利用制動能量使液壓油液由低壓蓄能器轉(zhuǎn)入高壓蓄能器，高壓蓄能器油液壓力升高.高壓油液在車輛再次起步、加速過程中可以驅(qū)動液壓泵/馬達提供轉(zhuǎn)矩［9］.通常設(shè)定在常規(guī)、中等制動強度時回收制動能量并由摩擦制動提供補充.

PHHV前輪制動力Ff1和后輪制動力Ff2為

式中:φ為地面附著系數(shù)，G為汽車重力(N)，m為汽車總質(zhì)量(kg)，a為汽車質(zhì)心至前軸中心線距離(m)，b為汽車質(zhì)心至后軸中心線距離(m)， L為汽車軸距(m)，u為汽車行駛速度(m/s)，hg為汽車質(zhì)心高度(m).

制動過程中，汽車的前軸軸荷增加而后軸軸荷減少，因此采用前軸驅(qū)動的車輛具有更大的制動能量回收潛力，制動性能更佳.

2 關(guān)鍵元件的選擇準則

2.1 發(fā)動機功率的選擇

PHHV發(fā)動機功率的選擇主要保證當(dāng)車輛勻速行駛時發(fā)動機工作在中/高載荷的高效區(qū)域，發(fā)動機功率Pe為

式中:f為滾動阻力系數(shù)，Cd為空氣阻力系數(shù)，A為汽車正面投影面積(m2).

考慮到2%的爬坡功率裕量、空調(diào)功率和10%液壓蓄能器主動充壓功率裕量，式(1)可表示為

式中:Pemax為發(fā)動機最大功率(kW)，Pacc為蓄能器主動充壓功率(kW)，Pi為爬坡功率(kW)，Pchr為空調(diào)等附件功率(kW).

事實上，巡航功率是一個功率帶，應(yīng)保證該功率帶穿越發(fā)動機萬有特性圖上經(jīng)濟性較好的區(qū)域.

2.2 液壓蓄能器的選擇

液壓蓄能器容積的確定應(yīng)以回收車輛在巡航速度下的動能為準，其容積可由下式確定:

式中:E為可回收的能量(J)，p為蓄能器工作壓力(MPa)，p1為蓄能器最高工作壓力(MPa)，V1為最高壓力時氣體體積(m3)，n為氣體指數(shù).

蓄能器最低工作壓力pacc-min由下式確定:

式中:r為車輪滾動半徑(m)，i0為汽車主減速比，iP/M為耦合器傳動比;VP/M為液壓泵 /馬達排量(mL/r).

蓄能器最高工作壓力pacc-max不得超過系統(tǒng)許用工作壓力pmax，即

2.3 液壓泵/馬達的選擇

車輛起步時，液壓泵/馬達要提供全部牽引功率，車輛制動時，液壓泵/馬達工作在泵工況回收制動能量.因此，液壓泵/馬達最小排量為

式中:ηP/M為液壓泵/馬達效率，i0為汽車主減速比，iP/M為耦合器傳動比.

2.4 扭矩耦合器傳動比設(shè)計

扭矩耦合器傳動比用來保證液壓泵/馬達在制動和驅(qū)動時始終工作在高效區(qū)，可由下式確定:

式中:ng為液壓泵/馬達在高效區(qū)的轉(zhuǎn)速(r/min).

3 液壓再生制動控制策略

3.1 再生制動力分配原則

對于靜液傳動車輛，由于液壓泵/馬達可以回收部分制動能量，其制動力分配與傳統(tǒng)車輛不同［10］.對于重型貨車在空載或滿載時制動力矩有很大差異.PHHV的制動力分配策略如圖2所示，其制動力分配原則如下:

1)當(dāng)車輛滿載且制動強度z≤0.06或空載且制動強度z≤0.1時，液壓再生制動能滿足整車制動強度需要，提供全部制動力.

2)當(dāng)車輛滿載且制動強度0.1＜z＜0.5或空載且制動強度0.1＜z＜0.7時，采用聯(lián)合制動方式，液壓再生制動系統(tǒng)與摩擦制動系統(tǒng)共同提供全部制動力.如果液壓泵 /馬達所能提供的最大力超過所需求的前軸制動力，則前軸制動力全部由液壓再生制動系統(tǒng)提供，否則由液壓再生制動系統(tǒng)和摩擦制動系統(tǒng)共同提供.

3)當(dāng)車輛滿載且制動強度z＞0.5或空載且制動強度z＞0.7時，制動力全部由摩擦制動系統(tǒng)提供，以保證緊急制動的安全性.

圖2 PHHV制動力分配曲線

3.2 PHHV的再生制動控制策略

基于對PHHV的再生制動力分配的分析，提出了液壓再生制動的控制策略，如表1所示.

表1 PHHV的再生制動控制策略

制動過程中，制動控制器通過駕駛員踩制動踏板的幅度、速度和加速度感知駕駛員的制動意圖(重、輕度制動等)并計算所需制動力矩.前、后輪制動力按照PHHV的制動力分配原則確定.如果由液壓泵/馬達提供的最大再生制動力矩小于所要求的前輪制動力矩，其差值由摩擦制動系統(tǒng)提供.再生制動力矩的時變特性，要求摩擦制動系統(tǒng)的摩擦制動力矩必須能相應(yīng)地改變以保證乘坐舒適性.同時，液壓再生制動控制策略中還引入了輪胎滑移率，當(dāng)滑移率超過預(yù)定值0.2，考慮車輛制動的安全性，再生制動不參與工作，制動力全部由摩擦制動提供.

4 仿真與試驗研究

4.1 仿真模型和參數(shù)

為驗證所提出的再生制動控制策略的有效性，在Matlab/simulink中建立了靜液傳動混合動力車輛的后向仿真模型，進行仿真研究.整車基本參數(shù)如表2所示.

表2 整車及部件參數(shù)

4.2 不同行駛方式制動能量再生研究

前輪和后輪驅(qū)動模式下的再生制動能量如圖3所示，在制動過程中，前軸載荷增加而后軸載荷減少，因此前輪驅(qū)動靜液傳動混合動力車輛可回收更多制動能量.

圖3 前輪和后輪驅(qū)動模式下的再生制動能量

4.3 不同制動強度下再生制動能量研究

當(dāng)車輛在空載且制動強度z＜0.1時，由液壓再生制動系統(tǒng)提供全部制動力，其仿真結(jié)果如圖4所示.

制動能量回收率定義為

式中:Er為車輛動能(J)為液壓蓄能器回收的制動能量(J)，

圖4 z＜0.1時液壓再生制動仿真曲線

由仿真數(shù)據(jù)計算可知，輕度制動時靜液傳動混合動力系統(tǒng)制動能量回收率為

當(dāng)制動強度0.1＜z＜0.5時，液壓再生制動系統(tǒng)與摩擦制動系統(tǒng)協(xié)同工作提供全部制動力矩，仿真結(jié)果如圖5所示.

圖5 0.1＜z＜0.5時液壓再生制動仿真曲線

由仿真數(shù)據(jù)計算可知，在中度制動時，靜液傳動混合動力系統(tǒng)制動能量回收率為36.93%和25.28%.

4.4 試驗研究

靜液傳動混合動力系統(tǒng)的試驗臺架如圖6所示.

圖6 靜液傳動混合動力車輛試驗臺架

變量泵為液壓泵/馬達提供恒壓壓力，測功機提供負載轉(zhuǎn)矩，飛輪用于模擬車輛慣量.

典型駕駛循環(huán)下的液壓再生制動試驗結(jié)果如圖7、圖8所示.

圖7 飛輪速度和道路阻力

圖8 液壓泵/馬達功率和蓄能器壓力

蓄能器壓力的大范圍波動證明制動能量有效的再生和重新利用.由實驗數(shù)據(jù)計算可得在z≤0.1時靜液傳動混合動力系統(tǒng)制動能量回收率為

5 結(jié)語

前輪驅(qū)動靜液傳動混合動力車輛在制動能量回收和制動效果方面更具潛力，所提出的液壓再生制動控制策略可以適當(dāng)?shù)胤峙湓偕苿愚D(zhuǎn)矩和傳統(tǒng)摩擦制動轉(zhuǎn)矩，在保證制動安全性的前提下有效地回收制動能量，提高車輛的制動性能和燃油經(jīng)濟性，為并聯(lián)式靜液傳動混合動力車輛提供了切實可行的方法，具有較大的應(yīng)用價值.

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