并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力汽車能量再生系統(tǒng)研究

胡萬(wàn)強(qiáng)，趙樂(lè)斌，董永強(qiáng)

(許昌學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

汽車在帶給人們方便的同時(shí)，也造成能源短缺和環(huán)境污染[1].因此，國(guó)內(nèi)外都加快了節(jié)能、環(huán)保型汽車的研究與開(kāi)發(fā)[2].運(yùn)行車輛的起動(dòng)停車、制動(dòng)減速等會(huì)消耗巨大能量，因此研究能量的回收與利用意義重大.而裝備功率密度高、使用壽命長(zhǎng)的液壓蓄能器和一定排量泵/馬達(dá)的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，在車輛制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)動(dòng)能通過(guò)機(jī)械裝置帶動(dòng)液壓泵/馬達(dá)以馬達(dá)工況運(yùn)轉(zhuǎn)，將能量?jī)?chǔ)存在蓄能器中，實(shí)現(xiàn)能量回收；車輛起步或加速時(shí)，蓄能器釋放能量，帶動(dòng)泵/馬達(dá)以泵工況工作，通過(guò)離合裝置輔助驅(qū)動(dòng)車輛，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)回收能量的再次利用.

液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)液壓元件配置組合方式,可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式結(jié)構(gòu)，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)保留了車輛大部分部件，改動(dòng)幅度小,成本低廉，發(fā)展前景廣闊[3].因此本文對(duì)并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力車輛的制動(dòng)能量回收再生進(jìn)行研究，旨在為液壓混合動(dòng)力汽車開(kāi)發(fā)提供借鑒與參考.

1 并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)及參數(shù)分析

液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，該系統(tǒng)包括蓄能器、泵/馬達(dá)、液壓系統(tǒng)離合器、油箱及控制系統(tǒng)等[4].其工作原理是：車輛驅(qū)動(dòng)時(shí)，泵/馬達(dá)為“馬達(dá)”工況，蓄能器釋放能量，高壓油液驅(qū)動(dòng)泵/馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)液壓系統(tǒng)離合器、耦合箱與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩耦合，共同驅(qū)動(dòng)車輛行進(jìn)；制動(dòng)時(shí)，電磁離合器分離，泵/馬達(dá)為“泵”工況，車輪通過(guò)耦合箱、液壓系統(tǒng)離合器驅(qū)動(dòng)泵/馬達(dá)工作，油液進(jìn)入蓄能器進(jìn)行儲(chǔ)能，同時(shí)液壓系統(tǒng)提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，加速車輛停止.

圖1 并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖注：1-為電磁離合器，2-為蓄能器，3-為泵/馬達(dá)，4-為液壓系統(tǒng)離合器，5-為油箱.

1.1 液壓泵/馬達(dá)參數(shù)分析

車輛驅(qū)動(dòng)力平衡方程式[5]為

F=F1+F2+F3+F4,

(1)

如果車輛由泵/馬達(dá)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，則轉(zhuǎn)矩方程為

(2)

如車輛行駛在平直路面，泵/馬達(dá)輸出功率需滿足車輛均速運(yùn)行要求，即

(3)

式中，v1為車輛速度.

若車輛行駛在有坡度路面，泵/馬達(dá)輸出功率為

(4)

泵/馬達(dá)最大輸出功率為式(3)和式(4)的最大值.

如泵/馬達(dá)工作在“馬達(dá)”工況，其排量應(yīng)滿足車輛加速前行和爬坡前行，即

(5)

(6)

1.2 蓄能器參數(shù)分析

根據(jù)系統(tǒng)特征，選用氣囊式液壓蓄能器作為能量?jī)?chǔ)存與釋放裝置，其主要參數(shù)應(yīng)滿足玻意耳定律[6]，即

(7)

一般情況下，P0=(0.8～0.85)P1，P1=(0.6～0.85)P2.

蓄能器容積大小可由車輛制動(dòng)時(shí)能量平衡方程確定，即

(8)

2 并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)原理圖，在AMESim軟件平臺(tái)搭建系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真，仿真模型如圖2所示[5]，仿真參數(shù)選取為整車質(zhì)量m=2×104kg，車輪半徑r=0.47 mm，主傳動(dòng)比i0=6.104，耦合箱速比ib=2.28,氣體多變指數(shù)n=1.4,蓄能器最低壓力P1=10 MPa,蓄能器最高壓力P2=35 MPa,泵/馬達(dá)最大排量V=140 mL/r.

圖2 并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)仿真模型

設(shè)定車輛以40 km/h勻速行駛，5 s后開(kāi)始制動(dòng)，泵/馬達(dá)以“馬達(dá)”工況工作，蓄能器開(kāi)始儲(chǔ)能，在蓄能器容積分別為10、30、50、70 L時(shí)，泵/馬達(dá)在“馬達(dá)”工況時(shí)最大排量為40、60、80、100 mL時(shí)，車速、位移及蓄能器壓力的仿真曲線如圖3和圖4所示.

圖3 蓄能器容積對(duì)主要參數(shù)的影響

圖4 泵/馬達(dá)排量對(duì)主要參數(shù)的影響

從圖3中可以看出，制動(dòng)從第7 s開(kāi)始，容積70 L的車輛制動(dòng)時(shí)間約為12 s，制動(dòng)距離約為200 m，容積10 L車輛制動(dòng)時(shí)間約為3 s，制動(dòng)距離約為180 m，并且在3 s后壓力迅速達(dá)到300 bar以上.這說(shuō)明蓄能器容積越小，制動(dòng)效果越好，但壓力變化幅度較大，不利于制動(dòng)能量回收；蓄能器容積越大，雖然有利于制動(dòng)能量回收，但制動(dòng)效果欠佳.因此，在保證車輛動(dòng)力性能的前提下，應(yīng)選擇適合容積的蓄能器.

從上圖4中可以看出，泵/馬達(dá)排量為40 mL時(shí)，制動(dòng)時(shí)間為33 s，制動(dòng)距離超過(guò)300 m；泵/馬達(dá)排量為100 mL時(shí)，制動(dòng)時(shí)間為13 s，制動(dòng)距離約為200 m，這說(shuō)明泵/馬達(dá)排量越大，車輛制動(dòng)性能越好.

3 結(jié)論

(1)影響并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車能量再生系統(tǒng)的主要因素有蓄能器和泵/馬達(dá).

(2)蓄能器容積大小對(duì)車輛能量再生系統(tǒng)有著直接的影響，其容積大，能量回收效率高，但制動(dòng)性能差；反之，制動(dòng)性能好，但能量回收效率低.所以針對(duì)不同車輛，應(yīng)選用合適容積的蓄能器.

(3)泵/馬達(dá)排量越大，車輛制動(dòng)時(shí)間越短，車輛距離也越短，因而制動(dòng)性能越好.