液壓混合動力公交車制動性能仿真與試驗分析＊

曲金玉 李訓明 任傳波 韓爾樑 劉林

（1.山東理工大學；2.濰柴動力股份有限公司）

液壓混合動力公交車制動性能仿真與試驗分析＊

曲金玉1李訓明1任傳波1韓爾樑2劉林2

（1.山東理工大學；2.濰柴動力股份有限公司）

針對城市公交車運行特點和在城市運行工況下燃油經(jīng)濟性差的問題，提出一種新型液壓混合動力系統(tǒng)，并建立制動回收過程動力學模型、能量再生過程動力學模型和柴油機液壓起動模型等，對其制動性能進行仿真，最后進行了樣機臺架、實車道路試驗。試驗結果表明，該液壓混合動力公交車可實現(xiàn)汽車制動能量回收等功能，在典型城市循環(huán)工況下制動能量回收率為69.7%，制動能量再生率為32.8%，液壓起動發(fā)動機時間為1.7 s。

1 前言

液壓混合動力系統(tǒng)包括發(fā)動機和液壓動力系統(tǒng)，液壓動力系統(tǒng)以液壓蓄能器作為儲能元件，以液壓泵/液壓馬達作為動力元件[1,2]。德國漢堡國防科技大學Nikolaus H教授于1977年首創(chuàng)了二次調節(jié)靜液傳動技術，為液壓混合動力系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎；美國威斯康星大學的Beachley Norman H和Fronczak Frank J等于1985年研究開發(fā)出了單一液壓泵/液壓馬達制動能量再生系統(tǒng)，并首次應用在公共汽車上[3]。由于液壓動力系統(tǒng)具有功率密度大、制動能量回收率高、安全可靠、成本低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在公交車、郵政車、垃圾車和重型車輛上應用廣泛[4,5]。

目前的并聯(lián)式混合動力汽車中，液壓泵/液壓馬達通過傳動裝置耦合到車輛傳動系統(tǒng)中，不便于整車布置，且無法實現(xiàn)發(fā)動機起/停控制[6,7]。本文針對現(xiàn)有并聯(lián)式混合方式存在的不足和城市公交車運行特點，提出了一種新型液壓混合動力系統(tǒng)。

2 液壓混合動力系統(tǒng)組成與運行模式

2.1 液壓混合動力系統(tǒng)組成

該液壓混合動力系統(tǒng)的組成與布置如圖1所示，其主要由混合動力總成、液壓系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)3部分組成。

液壓混合動力總成結構框圖如圖2所示。混合動力總成包括發(fā)動機總成、傳動裝置、電磁離合器總成、液壓泵/液壓馬達總成。該總成保持原有發(fā)動機零部件結構不變，將傳動裝置裝配在發(fā)動機缸體與飛輪殼之間，使曲軸通過傳動裝置與電磁離合器、液壓泵/液壓馬達連接[8]，通過控制電磁離合器的接合與分離來實現(xiàn)液壓泵/液壓馬達與發(fā)動機之間的動力傳遞。

2.2 液壓混合動力系統(tǒng)運行模式

a.制動能量回收且發(fā)動機停機模式

當液壓蓄能器處于低壓狀態(tài)且汽車制動時，電磁離合器接合，汽車慣性力驅動液壓泵運轉，將汽車的動能轉化為液壓勢能存儲在蓄能器中，同時發(fā)動機進入停機模式。終止制動后，發(fā)動機正常運行。在汽車緊急制動時，除進行制動能量回收且發(fā)動機停機外，汽車制動系統(tǒng)同時保持獨立運行。

b.液壓獨立驅動且發(fā)動機停機模式

當液壓蓄能器處于高壓狀態(tài)且汽車起步時，掛入前進擋，踩下加速踏板，電磁離合器接合，蓄能器存儲的高壓能量驅動液壓馬達運轉，將液壓蓄能器存儲的高壓勢能轉化為汽車動能，驅動汽車加速起步，同時發(fā)動機停止空轉。蓄能器的壓力釋放至最低工作壓力時模式終止，由發(fā)動機正常驅動汽車行駛。

c.發(fā)動機液壓起動模式

當液壓蓄能器處于中低壓狀態(tài)且汽車起步時，置變速器于空擋，接通起動開關后電磁離合器接合，利用蓄能器存儲的高壓能量驅動液壓馬達運轉，實現(xiàn)發(fā)動機液壓起動；在蓄能器壓力低于最小工作壓力時，發(fā)動機由起動機起動。

d.制動停車發(fā)動機停機模式

當液壓蓄能器處于中高壓狀態(tài)且車速低于設定車速時，踩下離合器和制動踏板，將擋位置于空擋，發(fā)動機熄火。

e.發(fā)動機獨立驅動模式

在倒擋和其它正常行駛的情況下，汽車由發(fā)動機獨立驅動行駛。

3 液壓混合動力系統(tǒng)建模與仿真

3.1 液壓蓄能器壓力、氣體體積與儲存能量的關系

在制動能量回收和再生過程中，液壓泵/液壓馬達的運轉使蓄能器中氮氣的體積V和壓力p發(fā)生變化。根據(jù)波義耳氣體定律，兩者之間的關系為[9]:

式中，p0為液壓蓄能器充氣壓力，MPa；p1為液壓蓄能器最低工作壓力，MPa；p2為液壓蓄能器工作壓力，MPa；V0為液壓蓄能器初始氣體體積，m3；V1為液壓蓄能器最大氣體體積，m3；V2為液壓蓄能器工作氣體體積，m3；n為氣體多變指數(shù)，絕熱過程取n=1.4[10]。

蓄能器回收和再生過程中的能量變化ΔE為:

3.2 液壓泵/液壓馬達流量、轉速與車速之間的關系

制動回收再生過程中液壓泵/液壓馬達的流量Q為:

式中，npm為液壓泵/液壓馬達轉速，r/min；Vg為液壓泵/液壓馬達額定流量，mL/r；ηv為液壓泵/液壓馬達容積效率。

制動回收再生過程中，液壓蓄能器氮氣體積的減少量等于蓄液體積的增加量ΔV:

式中，Npm為液壓泵/液壓馬達總轉數(shù)。液壓泵/液壓馬達轉速npm與車速u的關系為:

式中，ig為變速器各擋位傳動比；io為主減速器傳動比；r為車輪半徑，m；ipm為液壓泵/液壓馬達與發(fā)動機曲軸之間傳動裝置的傳動比。

3.3 制動回收過程動力學模型

制動回收過程中，汽車動力平衡方程為[11]:

式中，δ為汽車的旋轉部件質量換算系數(shù)；a1為汽車制動減速度，m/s2；m為汽車滿載質量，kg；Fp為液壓泵/液壓馬達制動阻力，N；Feo為發(fā)動機停止空轉制動阻力，N；Ff為汽車滾動阻力，N；Fw為空氣阻力，N；f為輪胎滾動阻力系數(shù)；Teo為發(fā)動機停止空轉制動阻力矩，根據(jù)臺架試驗結果，取Teo=200N·m[12]；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積，m2。

其中，液壓泵制動阻力矩Tp為:

式中，ηmh為液壓泵/液壓馬達機械效率；Δp為液壓蓄能器壓力，MPa。

汽車制動過程行駛距離S1為:

式中，u0為汽車制動初速度，km/h；u1為汽車制動末速度，km/h。

評價制動能量回收率η1的計算公式為:

3.4 能量再生過程動力學模型

在制動能量再生過程中液壓獨立驅動汽車，其動力學平衡方程為[11]:

式中，a2為汽車加速度，m/s2；Fm為液壓馬達輸出驅動力，N。

其中，液壓馬達驅動轉矩Tm為:

汽車液壓起步行駛距離S2為:

式中，u2為汽車液壓起步速度，km/h。

評價制動能量再生率η2的計算公式為:

3.5 發(fā)動機液壓起動模型

發(fā)動機液壓起動過程液壓馬達輸出轉矩Mm為:

式中，ηm為液壓馬達機械效率。

液壓馬達轉矩與發(fā)動機反拖轉矩M關系式:

式中，i為液壓馬達與發(fā)動機曲軸傳動比。發(fā)動機液壓起動過程曲軸驅動方程:

式中，J為發(fā)動機旋轉部分轉動慣量，kg·m2;Mf為發(fā)動機旋轉摩擦力矩，N·m；Mc為發(fā)動機壓縮力矩，N·m；ω為發(fā)動機飛輪角速度，rad/s。

發(fā)動機起動時，平均阻力矩經(jīng)驗公式[13]:

式中，ne為發(fā)動機曲軸轉速，當ne為100～300 r/min時，ne對的影響可以忽略；ν為潤滑油粘度；為 ν=1 000時的平均阻力矩，N·m。

3.6 仿真結果

對制動能量回收和再生過程進行仿真?；旌蟿恿ο到y(tǒng)主要結構參數(shù)見表1。

表1 液壓混合動力系統(tǒng)主要技術參數(shù)

a.制動能量回收過程仿真

以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ3個不同擋位，初速度為45 km/h、蓄能器初始充氣壓力為16MPa進行制動能量回收過程仿真，得到3個不同擋位下的汽車減速度、行駛距離變化曲線如圖3和圖4所示。

b.制動能量再生過程仿真

以Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ3個不同擋位，蓄能器儲存壓力為30MPa、液壓獨立驅動汽車進行起步過程仿真，得到3個不同擋位下的汽車起步車速、行駛距離、加速度仿真曲線如圖5～圖7所示。

c.發(fā)動機液壓起動過程仿真

當液壓蓄能器內(nèi)的壓力分別為低壓（18MPa）和高壓（25MPa）時，對發(fā)動機液壓起動模型進行仿真，結果如圖8和圖9所示。由仿真曲線可知，液壓蓄能器內(nèi)壓力的高低對發(fā)動機液壓起動沒有影響，在0.6 s內(nèi)就可使發(fā)動機轉速達到700 r/min。

4 試驗測試

4.1 臺架試驗

為了測試該系統(tǒng)各項性能指標，搭建發(fā)動機—液壓混合動力系統(tǒng)試驗臺架，其主要包括發(fā)動機—液壓混合動力系統(tǒng)、AVL電渦流測功機、AVL PUMP OPEN試驗臺管理控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

發(fā)動機以600 r/min怠速運轉，通過測功機給混合動力制動回收系統(tǒng)增加制動扭矩，輸入扭矩為171～701 N·m，測試系統(tǒng)制動回收性能，試驗結果如圖10所示。制動過程中，蓄能器壓力從11.81 MPa上升至14.76MPa，用時8.8 s，上升速率為0.34MPa/s。

連續(xù)采用液壓驅動發(fā)動機起動，即液壓起動，測試液壓起動時間和能量消耗量，結果如圖12所示。經(jīng)試驗測得每次液壓起動時間為1.8～1.9 s，每次起動蓄能器壓力降低0.3～0.5MPa。

4.2 實車道路試驗

對宇通ZK6126HG公交車加裝該液壓混合動力系統(tǒng)，在典型城市循環(huán)工況下進行實車道路試驗以驗證該系統(tǒng)在實車上的各項性能及燃油經(jīng)濟性。

測試曲線如圖12～圖14所示，由測試結果可知:

a.試驗車從初始速度42.15 km/h以5擋制動到14.83 km/h，制動時間為12.18 s，平均制動減速度為0.63m/s2，蓄能器壓力從16.34MPa上升至27.53MPa，制動能量回收率為69.7%；

b.試驗車以3擋液壓起步加速，蓄能器壓力從27.5MPa減少到16MPa，車速加速至14.85 km/h，行駛距離為23.5m，平均加速度為0.45m/s2，制動能量再生率為32.8%；

c.試驗車連續(xù)液壓起動，平均每次起動蓄能器壓力下降0.36MPa，起動時間為1.7 s。

5 結束語

a.針對城市公交車運行特點，提出了一種新型液壓混合動力系統(tǒng)，其便于實車布置且具有發(fā)動機起/停功能，同時介紹了該系統(tǒng)的組成和工作模式，并對系統(tǒng)動力性能進行仿真。

b.利用臺架試驗和實車道路試驗測試驗證了該混合動力系統(tǒng)的各項性能，驗證了混合動力試驗樣車可實現(xiàn)制動能量回收、液壓驅動、發(fā)動機起/停、停車停機等功能。在典型城市循環(huán)工況下的試驗結果表明，制動能量回收率和再生率分別為69.7%和32.8%，液壓起動發(fā)動機時間為1.7s，達到了節(jié)能減排的目標。

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4魏英俊.新型液壓驅動混合動力運動型多用途車的研究.中國機械工程,2006,17（15）:1645～1648.

5 Charles L Gray,Jr Hydraulic Hybrids.EPA Hybrid Truck Initiative.Clean Automotive Technology,2006.

6劉國慶,閆葉翠,陳杰,等.液壓混合動力公交車液壓再生系統(tǒng)耦合方案研究.汽車工程,2010,32（4）:277～282.

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10封士彩.氣囊式蓄能器氣體多變指數(shù)理論值和實際值的確定.液壓與氣動,2002（5）:3～5.

11余志生.汽車理論.北京:機械工業(yè)出版社,2005.

12閆業(yè)翠,劉國慶,陳杰.液壓混合動力公交車動力性能仿真與試驗研究.汽車工程,2010,32（2）:93～98.

13徐天毅.發(fā)動機電起動過程的數(shù)學模型.內(nèi)燃機工程, 1983（1）:39～46.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2014年5月22日。

Brake Performance Simulation and Test Analysis of Hydraulic Hybrid Bus

Qu Jinyu1,Li Xunming1,Ren Chuanbo1,Han Erliang2,Liu Lin2
（1.Shang University of Technology;2.Weichai Power Company）

In consideration of city buses operating characteristics and poor fuel economy in urban driving cycles,we present a novel hydraulic hybrid system,and build three models,i.e.brake energy recovery dynamic model,energy regeneration dynamic model and diesel hydraulic startmodel,and then make brake performance simulation.Finally we test performance of the system by bench and road test.The results show that the hydraulic hybrid bus is capable of braking energy recovery,braking energy recovery rate in typical urban driving cycle is up to 69.7%and energy regeneration rate is 32.8%,hydraulic engine start time is 1.7 second.

Hydraulic hybrid bus,Brake perform ance,Simulation,Test

液壓混合動力公交車制動性能仿真試驗

U469.72

A

1000-3703（2014）09-0048-05

國家自然科學基金項目（51275280），項目名稱:汽車車身時滯減振控制理論與試驗研究;山東省科技發(fā)展計劃項目（2011GGX10505），項目名稱:智能變矩調速動力驅動系統(tǒng)及其在電動車中的應用。