雙蓄能器并聯(lián)式液壓混合動力車制動特性研究

， ， 　(.內(nèi)蒙古民族大學 機械工程學院， 內(nèi)蒙古 通遼　08000；.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 機械學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特　0005； .秦皇島港股份有限公司， 河北 秦皇島　06600)

引言

近年來，隨著液壓技術(shù)在汽車領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新應(yīng)用，液壓混合動力車正成為國內(nèi)外學者的研究熱點[1,2]。學者們的研究主要集中在從機理上探究二次元件、蓄能器、轉(zhuǎn)矩耦合器等關(guān)鍵元件的選型原則， 以及應(yīng)用仿真技術(shù)研究各元件參數(shù)變化對能量回收和輔助驅(qū)動的影響規(guī)律等方面[3,4]。

蓄能器作為液壓混合動力車的一個關(guān)鍵元件，起到能量存儲和釋放的作用[5,6]。研究表明：蓄能器容積的確定至關(guān)重要，對于制動過程，蓄能器容積越小，越有利于改善制動特性，縮短制動時間和制動距離，但容易引起溢流損失；蓄能器容積變大，制動特性變差，但能量回收率提高。對于啟動過程，蓄能器容積越大，輔助動力越持久，能量利用率越高。因此，如何優(yōu)化蓄能器容積，實現(xiàn)優(yōu)良的制動特性和較高的能量回收率對提高液壓混合動力車整體性能具有重要的意義。

針對以上問題，提出了一種雙蓄能器逐個充液的并聯(lián)混合動力能量回收與輔助驅(qū)動方案，該方案既發(fā)揮了小容積蓄能器良好的制動特性，又發(fā)揮了大容積蓄能器較高的能量回收率，能夠在一定程度上克服單蓄能器儲能制動存在的缺陷，為液壓混合動力車的輔助系統(tǒng)設(shè)計提供了思路。

1　并聯(lián)式液壓混合動力車原理及參數(shù)分析

1.1　并聯(lián)式液壓混合動力車原理

并聯(lián)式液壓混合動力車原理如圖1所示，主要由發(fā)動機、二次元件(液壓泵/馬達)、蓄能器、轉(zhuǎn)矩耦合器、離合器、減速器、車橋等組成。

1.蓄能器　2.二次元件　3.發(fā)動機離合器　4.液壓系統(tǒng)離合器圖1　并聯(lián)式液壓混合動力車原理圖

其工作主要分為啟動、巡航、制動三個過程。啟動時首先將離合器4接通，蓄能器1中的高壓油推動二次元件以馬達的形式輸出轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動車輛啟動。當蓄能器中的壓力降到最低工作壓力，斷開離合器4，接通離合器3，由發(fā)動機提供動力。巡航時與常規(guī)車輛相同，只接入發(fā)動機，液壓系統(tǒng)不參與工作。制動時首先將離合器3斷開，離合器4接通，車輛慣性驅(qū)動二次元件以泵的形式將油壓入蓄能器，將能量以高壓油的形式存儲在蓄能器中。同時高壓油通過作用在泵軸上的阻力矩，迫使車輛停止，這樣達到既能回收能量，又能制動車輛的效果。

1.2　并聯(lián)式液壓混合動力車參數(shù)分析

車輛在直線行駛過程中的力平衡方程為：

F=Ff+Fw+Fi+Fj

(1)

式中：F—— 驅(qū)動力，N

Ff—— 滾動阻力，N

Fw—— 空氣阻力，N

Fi—— 加速阻力，N

Fj—— 坡度阻力，N

G—— 車輛總重量，N

CD—— 風阻系數(shù)

A—— 迎風面積，m2

v—— 車輛速度，km/h

y—— 車輛位移，m

δ—— 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)

a—— 道路坡度角，rad

f—— 路面滾動阻力系數(shù)

若由二次元件單獨驅(qū)動車輛行駛，則其輸出功率為：

(2)

式中：Tp/m—— 二次元件輸出轉(zhuǎn)矩，N·m

ωp/m—— 二次元件的轉(zhuǎn)速，rad/min

ηT—— 系統(tǒng)效率

ib—— 轉(zhuǎn)矩耦合器速比

i0—— 主減速器速比

r—— 車輪半徑，m

當車輛在平直的路面上直線行駛時，二次元件的最小輸出功率必須滿足車輛以平均速度運行，即：

(3)

式中：vavg—— 平均巡航車速，km/h

二次元件的最大輸出功率為車輛以最大速度vmax在平直路面上行駛時的輸出功率和以速度vslop在坡度為a的斜坡上行駛的輸出功率中的最大值，即：

max(Pp/m)=max[Pp/m1,Pp/m2]

(4)

氣囊式液壓蓄能器的主要參數(shù)有氣囊的充氣壓力p0，氣囊的充氣體積V0，公稱壓力pr，最低工作壓力p1，最高工作壓力p2。蓄能器在工作過程中符合玻意耳定律，即:

(5)

式中：V1——p1時的氣體體積

V2——p2時的氣體體積

n—— 氣體多變指數(shù)，等溫過程為1，絕熱過程為1.4

能量回收系統(tǒng)的蓄能器最低工作壓力p1和最高工作壓力p2由式(6)和式(7)確定。一般p1與p2滿足關(guān)系式p2≤3p1，根據(jù)經(jīng)驗公式，推薦p1=(0.6～0.85)p2。

(6)

(7)

蓄能器的充氣壓力p0理論上應(yīng)等于p1，但由于存在泄漏、溫度等因素影響，p0應(yīng)小于p1，一般取p0=(0.8～0.85)p1。

蓄能器容積可通過車輛在制動時的能量平衡方程(8)確定。

(8)

其中，E1=GfS=mgfS

式中：v1、v2—— 車輛在t1和t2時刻的速度，m/s

E1—— 滾動阻力損失的能量，J

E2—— 蓄能器回收的能量，J

E3—— 空氣阻力損失的能量，J

S—— 車輛制動位移，m

v0—— 車輛制動初速度，m/s

a—— 車輛制動減速度，m/s2

轉(zhuǎn)矩耦合器的速比選擇應(yīng)滿足任意時刻二次元件的轉(zhuǎn)數(shù)不超過其許用的最高轉(zhuǎn)數(shù)如式(9)所示:

(9)

式中：ib—— 轉(zhuǎn)矩耦合器速比

i0—— 主減速器速比

r—— 車輪半徑，m

v—— 車輛速度，km/h

np/m,max—— 二次元件的最高轉(zhuǎn)速，r/min

2　雙蓄能器液壓混合動力車制動仿真分析

基于雙蓄能器車輛能量回收與輔助驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理，建立AMESim仿真模型，圖2為雙蓄能器能量回收與輔助驅(qū)動仿真模型，表1為仿真參數(shù)。該模型在保證蓄能器總?cè)莘e不變的前提下，用2個30 L蓄能器代替1個60 L蓄能器。通過一個P型中位機能的三位四通電液換向閥實現(xiàn)2個蓄能器的充液切換。即在制動過程中，換向閥2右位首先得電，對蓄能器1充液。當其油壓達到切換值30 MPa時，換向閥2左位得電，蓄能器1斷開，蓄能器2接通，繼續(xù)儲能。當其壓力達到系統(tǒng)極限壓力31.5 MPa，停止充液，能量回收結(jié)束。在輔助驅(qū)動過程中，換向閥2工作在P型中位，兩蓄能器同時釋放壓力，驅(qū)動二次元件工作。

圖2　雙蓄能器能量回收與輔助驅(qū)動仿真模型

表1　雙蓄能器能量回收與輔助驅(qū)動仿真參數(shù)表

針對單蓄能器制動和雙蓄能器制動兩種方案，就低速制動和高速制動兩種工況進行仿真分析。仿真中忽略車輛行進中的坡度、風阻、運動副間的摩擦力以及泵/馬達的泄漏等因素，即是在理想條件下進行仿真。圖3為低速制動時仿真特性曲線，圖4為高速制動時仿真特性曲線。圖中方案一為單蓄能器制動，方案二為雙蓄能器制動。

圖3　低速制動時仿真特性曲線

由圖3可知，當車輛以8.5 m/s的速度開始制動，采用雙蓄能器方案的能量回收系統(tǒng)制動效果顯著，車輛制動時間和制動距離分別較單蓄能器方案縮短3 s和16.5 m，說明該方案制動動態(tài)特性較好。當車輛在2 s時刻開始制動，方案一的蓄能器皮囊容積被不斷壓縮，蓄能器壓力逐漸升高，該過程壓力變化較平緩，車輛減速度較小，制動緩慢。方案二的蓄能器1首先投入使用，壓力升高較快，在6.7 s時刻壓力達到切換值30 MPa，蓄能器1停止充液，蓄能器2開始工作。由于整個過程壓力變化較劇烈，導致車輛減速度較大，制動迅速。上述兩種方案蓄能器的最終壓力都沒有達到系統(tǒng)的極限壓力31.5 MPa，所以沒有溢流損失，能量回收率較高。

由圖4可知，當車輛以12.6 m/s的速度開始制動，雙蓄能器方案的制動時間和制動距離分別較單蓄能器方案縮短1.4 s和16 m，制動效果較好。方案一在7.9 s時率先達到系統(tǒng)極限壓力，出現(xiàn)溢流，溢流量達276.6 L/min。方案二在8.5 s時出現(xiàn)溢流，溢流量達214 L/min，說明當車輛以較高速度制動時，采用雙蓄能器方案能提高能量回收率。

圖4　高速制動時仿真特性曲線

3　結(jié)論

(1) 雙蓄能器逐個充液的并聯(lián)式液壓混合動力車，在一定程度上克服了單蓄能器制動特性和能量回收率不可兼顧的缺陷。尤其在低速制動時，制動效果顯著，制動時間和制動距離明顯縮短。

(2) 高速制動時，雙蓄能器液壓混合動力車不僅能夠縮短制動時間和制動距離，而且提高了能量回收率。

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