輪邊驅(qū)動(dòng)液壓混合動(dòng)力車輛能量回收系統(tǒng)性能研究

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

引言

某輪邊驅(qū)動(dòng)液壓混合動(dòng)力車輛系統(tǒng)布置如圖1所示，由柴油機(jī)、恒壓變量泵、高壓蓄能器、低壓蓄能器(代替油箱)、變量液壓泵/馬達(dá)、車輪、換向閥和控制系統(tǒng)等組成。

柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)恒壓變量泵，通過調(diào)節(jié)排量維持系統(tǒng)壓力恒定，柴油機(jī)工作狀態(tài)基本獨(dú)立于外界負(fù)載，可以工作在燃油經(jīng)濟(jì)性較高的區(qū)域內(nèi)。每個(gè)車輪均由1個(gè)可在四象限工作的液壓泵/馬達(dá)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)[1-3]。在驅(qū)動(dòng)階段，液壓泵/馬達(dá)處于“馬達(dá)”狀態(tài)，將壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)車輪使車輛前進(jìn)，調(diào)節(jié)其排量可實(shí)現(xiàn)汽車的無極調(diào)速；在制動(dòng)階段，液壓泵/馬達(dá)處于“泵”狀態(tài)，將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為蓄能器的壓力能，回收制動(dòng)能量，以在驅(qū)動(dòng)階段重新利用，有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率的損失。

圖1 輪邊驅(qū)動(dòng)液壓混合動(dòng)力車輛系統(tǒng)布置圖

能量回收系統(tǒng)的主要元件包括蓄能器、液壓泵/馬達(dá)等，其參數(shù)配置對(duì)系統(tǒng)性能有很大影響[4-5]。近年來，許多學(xué)者基于建立的回收系統(tǒng)仿真模型，探究了并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)可變參數(shù)對(duì)能量回收利用的影響，通過仿真得到了系統(tǒng)參數(shù)配置的基本規(guī)律[6-9]。更進(jìn)一步的，采用模擬退火算法、遺傳算法、混合生物地理學(xué)HBBO算法等對(duì)串聯(lián)式液壓混合動(dòng)力車輛的蓄能器容積、液壓泵/馬達(dá)排量等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后，可實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性提升7%以上[10-12]。

針對(duì)某輪邊驅(qū)動(dòng)液壓混合動(dòng)力車輛系統(tǒng)的具體情況，以原型車的1/4為基礎(chǔ)，搭建了試驗(yàn)臺(tái)架(采用油箱代替低壓蓄能器)，針對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架開展仿真研究，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在AMESim上搭建的液壓系統(tǒng)回路如圖2所示?；芈酚呻姍C(jī)(代替內(nèi)燃機(jī))、恒壓變量泵、蓄能器、變量液壓泵/馬達(dá)、慣性飛輪等組成，以慣性飛輪模擬車輛行駛的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，暫不考慮地面附著率的影響。采用控制變量法，探究蓄能器容積大小、蓄能器最低工作壓力、液壓泵/馬達(dá)排量、制動(dòng)初速度等參數(shù)對(duì)能量回收率的單獨(dú)影響規(guī)律，為下一步參數(shù)匹配以及實(shí)車應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

圖2 1/4車輛液壓系統(tǒng)回路圖

1 影響能量回收性能主要元件參數(shù)

1.1 二次元件液壓泵/馬達(dá)

車輛行駛中，液壓泵/馬達(dá)輸出功率為：

Pp/m=Tp/mωp/m

(1)

式中，Tp/m—— 液壓泵/馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩

ωp/m—— 液壓泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)速

液壓泵/馬達(dá)驅(qū)動(dòng)車輛行駛時(shí)，工作在“馬達(dá)”工況，此時(shí)，馬達(dá)最小輸出功率應(yīng)滿足車輛以巡航速度在平直的路面上行駛，最大功率需滿足車輛以最大速度行駛及以一定速度爬坡行駛的功率需求[13]，即：

(2)

(Pp/m)max=max(pp/m1，pp/m2)

(3)

式中，vavg—— 巡航車速

vslop—— 上坡速度

m—— 車輛總質(zhì)量

CD—— 風(fēng)阻系數(shù)

A—— 迎風(fēng)面積

f—— 路面滾動(dòng)阻力系數(shù)

α—— 道路坡度角

(4)

(5)

在車輛制動(dòng)時(shí)，液壓泵/馬達(dá)工作在“泵”工況，此時(shí)，可提供的液壓制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為[14]：

(6)

式中，Δp—— 液壓泵進(jìn)出口壓力差

Vp/m—— 液壓泵/馬達(dá)的排量

1.2 蓄能器

氣囊式液壓蓄能器工作過程中，可把工作介質(zhì)(氮?dú)?視為一個(gè)獨(dú)立的熱力學(xué)系統(tǒng)，蓄能器即通過該熱力學(xué)過程與外界進(jìn)行能量傳遞和轉(zhuǎn)化。

根據(jù)氣體定律之多變過程有[15]：

p0V0=p1V1=C

(7)

式中，p0,p1—— 分別為液壓蓄能器預(yù)充氮?dú)鈮毫妥畹凸ぷ鲏毫?/p>

V0,V1—— 分別為p0,p1壓力對(duì)應(yīng)的氣體體積

n—— 氣體多變指數(shù)，取1.2

C—— 常數(shù)，由氣體的種類、質(zhì)量和溫度決定

本研究所采用的蓄能器容積-壓力曲線如圖3所示。

圖3 容積-壓力曲線

由混合動(dòng)力車輛的工作原理可知，蓄能器最低工作壓力應(yīng)該低于恒壓網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)壓力，最高工作壓力應(yīng)低于液壓泵/馬達(dá)所允許的最高工作壓力，即：

pacc_

(8)

pacc_≤pmax

(9)

式中，pconst—— 恒壓網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)壓力

pmax—— 液壓泵/馬達(dá)允許的最高壓力

蓄能器容積的確定應(yīng)以回收車輛在巡航速度下的動(dòng)能為準(zhǔn)：

E1≥E2

(10)

同時(shí)可得，系統(tǒng)的能量回收率:

(11)

由式E1及圖3易得，蓄能器回收的能量即曲線積分，并且蓄能器最低工作壓力越大，回收相同的能量，蓄能器壓力上升的幅度越大。

2 能量回收性能仿真研究

2.1 仿真模型構(gòu)建

針對(duì)1/4車輛試驗(yàn)臺(tái)架，基于AMESim軟件建立的系統(tǒng)仿真模型以及參數(shù)設(shè)置見圖2和表1。仿真中忽略泄漏因素。

2.2 仿真結(jié)果分析

針對(duì)車輛制動(dòng)能回收過程，采用控制變量法研究蓄能器容積大小、蓄能器最低工作壓力、液壓泵/馬達(dá)排量、制動(dòng)初速度等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)能量回收的影響，所設(shè)計(jì)的仿真工況如表2所示。仿真中，設(shè)定飛輪以某一速度(840 r/min)開始制動(dòng)，仿真時(shí)間為30 s，為增強(qiáng)結(jié)果可視化，后期處理截取主要的時(shí)間段。測(cè)得的不同仿真工況下的慣性飛輪轉(zhuǎn)速、蓄能器壓力、液壓泵/馬達(dá)轉(zhuǎn)矩變化如圖4～圖7。

表1 仿真參數(shù)設(shè)定

圖4 不同蓄能器容積對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化

圖4為工況1條件下得到的不同蓄能器容積對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化曲線。由圖可知，蓄能器容積越小，制動(dòng)時(shí)間越短，這是因?yàn)樵诔鋲哼^程中蓄能器變?yōu)槟芰炕厥障到y(tǒng)的負(fù)載，蓄能器容積越小，充壓過程中系統(tǒng)壓力上升的幅度越大，液壓泵/馬達(dá)所提供的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較大，如圖4c所示。同時(shí)在上述條件下，溢流閥均未出現(xiàn)溢流，但是壓力上升幅度越大，越容易達(dá)到系統(tǒng)溢流壓力上限，不利于制動(dòng)能量的回收。因此，在滿足制動(dòng)性能要求的條件下，選擇容積大的蓄能器有利于充分回收制動(dòng)能量。

表2 仿真工況

圖5 不同蓄能器最低工作壓力對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化

圖5為工況2條件下得到的不同蓄能器最低工作壓力對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化曲線。由圖可知，蓄能器最低工作壓力越大，液壓泵所提供的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，制動(dòng)時(shí)間也越短，與理論分析相一致，但是最低工作壓力越大，蓄能器穩(wěn)定壓力也越大，不利于充分回收制動(dòng)能量。因此，在滿足制動(dòng)性能要求的條件下，蓄能器最低工作壓力越低，制動(dòng)能量回收的越多。

圖6為工況3條件下不同液壓泵/馬達(dá)排量對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化曲線。由圖可知，液壓泵/馬達(dá)排量越大，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，所需制動(dòng)時(shí)間越短，并且排量對(duì)制動(dòng)性能的影響比較大。同時(shí)，排量越大，穩(wěn)定壓力越高，這是由于大排量對(duì)應(yīng)的液壓泵/馬達(dá)效率比較高，但是不同排量下的蓄能器穩(wěn)定壓力差別很小。因此，液壓泵/馬達(dá)的排量對(duì)制動(dòng)性能影響比較大，而對(duì)能量回收率影響比較小。

圖6 不同液壓泵/馬達(dá)排量對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化

圖7為工況4條件下不同飛輪制動(dòng)初速度對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化曲線。由圖可知，制動(dòng)初速度越大，蓄能器壓力上升的幅度越大，所需制動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也明顯增加，并且隨著制動(dòng)初速度增加，蓄能器壓力上升的幅度差異也越來越大，這與圖3所得的理論結(jié)果保持一致。

圖7 不同制動(dòng)初速度對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化

3 能量回收性能試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)臺(tái)架如圖8所示，由儲(chǔ)能電機(jī)(代替內(nèi)燃機(jī))、恒壓變量泵、高壓蓄能器、電控比例變量液壓泵/馬達(dá)、磁粉制動(dòng)器(模擬負(fù)載)、飛輪(飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模擬車輛的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)以及控制系統(tǒng)等組成。通過調(diào)節(jié)回路壓力以及蓄能器出口的二位二通閥來設(shè)定不同蓄能器最低工作壓力，使用上位機(jī)軟件CCS上的參數(shù)設(shè)置窗口(45～5)線性對(duì)應(yīng)電控比例變量液壓泵/馬達(dá)實(shí)際排量(0～180 mL/r)，從而實(shí)現(xiàn)排量的調(diào)節(jié)。

試驗(yàn)所采用的工況及參數(shù)設(shè)置與仿真一致，不同的是試驗(yàn)中需要先對(duì)蓄能器充壓，并驅(qū)動(dòng)飛輪到840 r/min，開始制動(dòng)至飛輪轉(zhuǎn)速降為0，停止采集數(shù)據(jù)。圖9～圖11分別為不同蓄能器最低工作壓力、不同液壓泵/馬達(dá)排量、不同制動(dòng)初速度下測(cè)得的蓄能器壓力、慣性飛輪轉(zhuǎn)速曲線圖。對(duì)比仿真結(jié)果可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與仿真存在一定的誤差，原因在于仿真中未考慮系統(tǒng)各部分的泄漏情況，但是所得到的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)影響的基本規(guī)律與仿真結(jié)果保持一致。

圖8 試驗(yàn)臺(tái)架

圖9 不同蓄能器最低工作壓力對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化

圖9為不同蓄能器最低工作壓力對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化曲線，可以看出，不同蓄能器最低工作壓力下，蓄能器壓力上升的幅度不同；并且最低工作壓力越大，回收相同的能量，蓄能器壓力上升的幅度也越大，即低蓄能器壓力對(duì)應(yīng)的能量密度比較大，與圖3的理論結(jié)果以及仿真結(jié)果保持一致。

圖10為不同液壓泵/馬達(dá)排量對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化曲線，可以看出，不同排量對(duì)應(yīng)的制動(dòng)時(shí)間差別很大，與仿真結(jié)果一致。并且液壓泵/馬達(dá)在全開口(180 mL/r)下的蓄能器壓力變化幅度與非全開口(90，120，150 mL/r)下的蓄能器壓力變化情況差別比較大，與仿真結(jié)果有一定差距，這是由于仿真未能很好地模擬實(shí)際液壓泵/馬達(dá)的排量-效率變化曲線。

圖10 不同液壓泵/馬達(dá)排量對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化

圖11為不同飛輪制動(dòng)初速度對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化曲線。由于試驗(yàn)條件限制，圖11a中拐點(diǎn)是由于先對(duì)蓄能器充壓，待蓄能器壓力穩(wěn)定至初始?jí)毫?18 MPa)再開始制動(dòng)所引起的，圖11b中先將飛輪加速至對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速再開始制動(dòng)?？梢钥闯觯煌苿?dòng)初速度下，飛輪制動(dòng)加速度大小基本一致，并且，初速度越大，蓄能器壓力上升的幅度也越大，與仿真結(jié)果保持一致。

圖11 不同制動(dòng)初速度對(duì)應(yīng)的各參數(shù)變化

4 結(jié)論

通過對(duì)能量回收系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行理論分析，基于AMESim仿真模型，開展臺(tái)架試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了理論和仿真的正確性，得到了系統(tǒng)各主要參數(shù)對(duì)能量回收系統(tǒng)性能的單獨(dú)作用規(guī)律：

(1) 能量回收系統(tǒng)主要參數(shù)蓄能器容積、蓄能器最低工作壓力、液壓泵/馬達(dá)排量會(huì)影響系統(tǒng)的制動(dòng)性能以及能量回收率;

(2) 減小蓄能器容積，提高蓄能器最低工作壓力，增大液壓泵/馬達(dá)排量均會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，慣性飛輪的制動(dòng)時(shí)間縮短。其中，二次元件液壓泵/馬達(dá)的排量參數(shù)對(duì)制動(dòng)性能的影響最大;

(3) 增大蓄能器容積、液壓泵/馬達(dá)排量以及降低蓄能器最小工作壓力有利于制動(dòng)能量的回收。并且，液壓泵/馬達(dá)排量最大時(shí)，回收效率最高;

(4) 不同蓄能器工作壓力段對(duì)應(yīng)的能量密度不同，壓力越低，能量密度越大。下一步考慮地面附著系數(shù)，開展整車制動(dòng)系統(tǒng)以及基于正交試驗(yàn)的參數(shù)匹配研究。