雙蓄能器液壓再生制動系統(tǒng)制動特性研究*

許高倫，寧曉斌，王宇坤，陳 鵬

(浙江工業(yè)大學 機械工程學院, 浙江 杭州 310014)

0 引 言

在啟停頻繁的城市工況中，汽車有30%～50%的能量損耗在制動過程中，如何有效地回收利用這部分能量成為汽車新能源技術研究的熱點[1]。純電動汽車是新能源汽車的主流，它的再生制動系統(tǒng)通常由蓄電池、電機/發(fā)動機組成，該回收系統(tǒng)能量密度較高，但其功率密度低，限制了制動能量的回收。液壓再生制動能量回收技術具有功率密度大、結構簡單等特點，可以快速實現(xiàn)制動能量回收與釋放，降低汽車能耗與排放[2]，尤其是對于一些質量較大的客車、貨車[3-4]。

影響液壓再生制動系統(tǒng)制動特性的因素有很多。基于液壓理論，國內外學者分析了各影響因素，同時運用一些液壓仿真軟件對液壓再生制動系統(tǒng)進行仿真研究，結果表明蓄能器初始參數(shù)對系統(tǒng)制動特性和能量回收效率有著重要影響[5-8]。為此，學者們運用一些優(yōu)化方法對蓄能器初始參數(shù)進行選擇。陸發(fā)龍等人[9]通過正交試驗優(yōu)化的方法選擇液壓系統(tǒng)各主要元件參數(shù)，優(yōu)化后系統(tǒng)制動特性有所改善，能量回收效率提高；杜玖玉等人[10]運用動態(tài)規(guī)劃算法對液壓系統(tǒng)儲能元件參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后汽車的燃油經濟性提高4%。上述這些研究都采用單蓄能器進行液壓再生制動，液壓再生制動特性受限于單蓄能器的初始參數(shù)[11]。張丹丹等人[12]提出了用兩個初始壓力相等的小容積蓄能器代替一個大容器蓄能器，改進后的液壓系統(tǒng)制動特性明顯改善。

本文將用兩個初始壓力不同的小容積蓄能器作為系統(tǒng)的儲能元件，分析蓄能器參數(shù)對液壓再生制動系統(tǒng)的影響，在ADVISOR中搭建雙蓄能器并聯(lián)式液壓再生制動模型，通過循環(huán)工況仿真來驗證方案的有效性。

1 雙蓄能器并聯(lián)式液壓再生制動汽車的結構和原理

1.1 結構及原理

雙蓄能器液壓再生制動汽車的結構如圖1所示。

圖1 雙蓄能器液壓再生制動汽車結構圖1—高壓蓄能器；2—壓力傳感器；3—先導壓力控制閥(1)；4—溢流閥；5—液壓油箱；6—低壓蓄能器；7—先導壓力控制閥(2)；8—三位四通閥；9—摩擦制動器；10—驅動橋；11—二次元件(泵/馬達)；12—力矩傳感器；13—電磁離合器；14—力矩耦合器；15—變速器；16—電機

雙蓄能器液壓再生制動汽車擁有兩個初始壓力不同的蓄能器，可以根據(jù)所需制動力矩的大小選擇合適的蓄能器工作。當汽車啟動時，電機16工作帶動汽車前行。制動時，駕駛員踩制動踏板，控制器根據(jù)踏板力大小判斷制動工況。當制動強度較大時，離合器4接合，三位四通閥8左移，先導壓力控制閥3打開，傳動軸通過力矩耦合帶動二次元件工作，此時二次元件以泵的工作狀態(tài)工作，往高壓蓄能器1充液，回收能量。力矩傳感器12將再生制動力矩信號反饋到控制器，控制器輸出信號控制摩擦制動器9，用以補足制動力矩。隨著高壓蓄能器1壓力的增加，再生制動力矩增加，當再生制動力矩大于汽車所需制動力矩時，先導壓力控制閥3閉合，先導壓力控制閥7打開，低壓蓄能器6開始工作。制動強度小時，二次元件以泵的工作狀態(tài)工作，往低壓蓄能器6充液，回收能量。

加速時，駕駛員踩加速踏板，控制器采集到相應的模擬信號，離合器4接合，三位四通閥8右移，先導壓力控制閥3和先導壓力控制閥4打開，高壓蓄能器1與低壓蓄能器6釋放油液帶動二次元件轉動，液混系統(tǒng)為汽車提供驅動力矩，輔助汽車加速。

1.2 數(shù)學模型

汽車在直線運動時受到的行駛阻力為：

∑F=Ff+Fw+Fi+Fj

(1)

汽車起步時，由蓄能器單獨驅動汽車，驅動力大于汽車起步時受到的行駛阻力，汽車所受到的驅動力Ft為：

(2)

式中:Tm—液壓再生制動系統(tǒng)提供的驅動力矩，Nm；ig—主減速器傳動比；i0—力矩耦合器傳動比。

(3)

式中:Vg—二次元件的排量，ml/r；p—蓄能器壓力，MPa；ηMH—馬達的機械效率，取98%；r—汽車輪胎半徑，m；

汽車制動時，液壓再生制動系統(tǒng)提供的制動力為：

(4)

當汽車輕度制動時(制動強度小于0.2)，制動力全部由液壓再生系統(tǒng)提供：

(5)

式中：g—重力加速度，m/s2；m—汽車質量，kg。

汽車在中度制動或重度制動時，液壓再生系統(tǒng)提供部分制動力矩，剩余所需的制動力矩由摩擦制動器提供。

本文選用氣囊式蓄能器作為液壓再生制動系統(tǒng)的儲能元件，根據(jù)波義耳定律得蓄能器中氣體體積與壓力的關系為:

(6)

式中：p0—蓄能器初始充氣壓力，Pa；p1—系統(tǒng)最低工作壓力，Pa；p2—系統(tǒng)最高壓力，Pa；n—氣體多變指數(shù)；V0,V1,V2—對應壓力的蓄能器氣體體積，m3。

為了簡化模型，在實驗過程中假設油液不可壓縮，蓄能器在工作時處于絕熱狀態(tài)，氣體多變指數(shù)n取1.4。

蓄能器回收的能量表達式為：

(7)

式中：E—蓄能器回收的能量，J。

當蓄能器壓力p達到最高壓力p2時，E即為蓄能器最大可以回收的能量。

2 蓄能器參數(shù)對液壓再生系統(tǒng)影響

2.1 臺架實驗

帶有液壓再生制動系統(tǒng)的車輛在制動時，汽車的主要作用是為制動系統(tǒng)提供動能，為此本研究在搭建液壓再生制動系統(tǒng)試驗臺時，采用飛輪來代替汽車提供動能。

所搭建的液壓再生制動系統(tǒng)試驗臺架如圖2所示。

圖2 試驗臺架1-交流電機；2-電磁離合器；3-磁粉制動器；4-飛輪；5-轉速傳感器；6-力矩耦合器；7-電磁離合器；8-二次元件(電控液壓泵/馬達)；9-油箱；10-溢流閥；11-液壓壓力傳感器；12-蓄能器；13-輪轂電機；14-比例放大器；15-卸油球閥

圖2中，電機帶動飛輪轉動用于模擬汽車制動前的動能，液壓再生制動時，離合器2斷開，離合器7閉合，飛輪帶動液壓泵轉動給蓄能器充液儲能。圖中的磁粉制動器用來提供摩擦制動力矩，輪轂電機用于后續(xù)研究，本文暫不涉及。

該實驗臺架中的蓄能器壓力和飛輪轉速信號由北京阿爾泰公司動態(tài)信號采集系統(tǒng)采集。采集系統(tǒng)主要元件參數(shù)如表1所示。

表1 采集系統(tǒng)主要元件參數(shù)

本研究對蓄能器的兩個主要參數(shù)(蓄能器初始壓力和蓄能器體積)設置兩組對照試驗。

實驗一。飛輪轉速取300 r/min，蓄能器體積為25 L，蓄能器初始壓力分別取3.5 MPa、4.5 MPa和5 MPa。實驗中蓄能器壓力與飛輪轉速如圖3所示。

圖3 對照實驗一結果

由圖3可得蓄能器最小工作壓力壓力略高于初始壓力。初始壓力越大，飛輪制動所需要的時間越少，則液壓再生制動系統(tǒng)所能提供的制動力矩變大，系統(tǒng)的制動特性有所提升。

實驗二。飛輪轉速取300 r/min，蓄能器初始壓力取5 MPa，蓄能器體積分別取10 L、16 L和25 L。實驗中蓄能器壓力與飛輪轉速如圖4所示。

圖4 對照實驗二結果

圖4顯示：在充液時，蓄能器氣體體積越小，蓄能器壓力上升得越快，液壓系統(tǒng)所能提供的制動力矩隨著蓄能器壓力增加而增加，系統(tǒng)的制動特性較優(yōu)。

2.2 結果分析

由上述實驗結果可知液壓系統(tǒng)提供的再生力矩與蓄能器壓力成線性關系。蓄能器初始壓力越大，系統(tǒng)所能提供的制動力矩越大；且蓄能器體積越小，其壓力上升速度越快，則系統(tǒng)提供的制動力矩也上升得較快。實驗中，蓄能器初始壓力取5 MPa，體積取10 L，飛輪制動時間最短，系統(tǒng)的制動特性最好。

3 雙蓄能器液壓再生制動汽車仿真分析

本研究在ADVISOR平臺上搭建了雙蓄能器液壓再生制動車輛模型，該模型是一款質量為3 600 kg的前輪驅動車輛。在ADVISOR自帶的傳統(tǒng)電動車模型中加入再生制動系統(tǒng)模塊。所建模型的數(shù)據(jù)傳輸原理如圖5所示。

圖5 ADVISOR模型原理圖

車輛模型將車速信號傳遞到液壓控制模型，液壓控制模型通過汽車車速的變化判斷液壓再生制動系統(tǒng)的工作狀況，當汽車制動時，液壓制動系統(tǒng)工作為汽車提供制動力矩；當汽車起步加速時，液壓驅動系統(tǒng)工作為汽車提供驅動力矩。

相比于傳統(tǒng)液壓再生制動汽車，雙蓄能器液壓再生汽車包含兩個初始壓力不同的小容積蓄能器，根據(jù)汽車所需制動力大小選擇對應的蓄能器工作。

本文選用日本1015城市循環(huán)工況進行仿真研究，所選工況的車速和前軸制動力矩如圖6所示。

圖6 1015工況

考慮到蓄能器儲能量和汽車制動力矩需求，高壓蓄能器的初始壓力設為20 MPa，容積為16 L，低壓蓄能器初始壓力為15 MPa，容積為10 L。

蓄能器壓力的仿真結果如圖7所示。

圖7 蓄能器壓力仿真結果

對照圖(6，7)可得：汽車制動時，蓄能器壓力上升，起步加速時蓄能器壓力降低；當汽車所需制動力矩較大時，高壓蓄能器升壓儲能；當所需制動力矩較小時，低壓蓄能器升壓儲能。

本研究選用25 L，15 MPa的單蓄能器再生制動進行對照仿真。雙蓄能器制動與單蓄能器制動液壓系統(tǒng)提供的再生制動力矩與回收的總能量如圖8所示。

圖8 仿真對比結果

由圖8可得：當所需制動力矩較大時，單蓄能器液壓再生制動系統(tǒng)可提供的再生制動力矩有限，液壓再生制動特性差。液壓再生制動系統(tǒng)采用雙蓄能器制動可以提供更大的再生制動力矩，所提供的力矩更加接近循環(huán)工況所需要的前軸制動力矩，液壓再生制動效果好。根據(jù)式(7)計算出單蓄能器再生制動時回收了37 000 J的能量，雙蓄能器再生制動時回收了43 200 J的能量，能量回收效率提高了16.7%。

4 結束語

針對傳統(tǒng)液壓再生制動汽車在高強度制動工況下再生制動特性差的問題，本文提出了用兩個壓力不同的蓄能器作為液壓再生制動系統(tǒng)儲能單元的方案，通過實驗分析了蓄能器初始壓力和體積對液壓再生制動過程的影響。實驗結果表明：蓄能器初始壓力越大，液壓系統(tǒng)提供的制動力矩越大，制動特性越好；蓄能器體積越小，其壓力上升得越快，制動特性越好。

本文在ADVISOR中搭建了雙蓄能器液壓再生制動車輛模型，并進行了仿真。仿真結果表明：在1015循環(huán)工況下，相比于單蓄能器再生制動，雙蓄能器再生制動可以提供更大范圍的再生制動力矩；當汽車制動強度較大時，采用雙蓄能器可有效提高再生制動力矩占汽車前軸所需制動力矩的比重，改善系統(tǒng)的再生制動特性，并且液壓能量回收效率明顯提高。