液壓混合動力車輛中蓄能器儲能狀態(tài)對工況影響的仿真分析

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(1.西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039；2.昂立教育集團留學事業(yè)部，上海 200030；3.三一重型起重機械有限公司，湖南 長沙 410600)

·新能源汽車與低碳運輸·

液壓混合動力車輛中蓄能器儲能狀態(tài)對工況影響的仿真分析

黃夢陽1，吳 濤1*，李曉鋒1,2，王俊倩1，許仕寬3

(1.西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039；2.昂立教育集團留學事業(yè)部，上海 200030；3.三一重型起重機械有限公司，湖南 長沙 410600)

為研究蓄能器儲能狀態(tài)對車輛工況的影響，搭建整車AMESim模型，以蓄能器儲能狀態(tài)為基礎(chǔ)，定義壓力能量狀態(tài)，制定了能量分配規(guī)則，并按照蓄能器的數(shù)學模型建立其控制模型，利用AMESim與Simulink的聯(lián)合仿真，分析蓄能器儲能狀態(tài)對發(fā)動機工況及再生制動的影響。仿真結(jié)果表明：蓄能器的儲能壓力值設(shè)定對發(fā)動機的啟停影響較大，壓力能量狀態(tài)下限設(shè)為0.2較為合理；在發(fā)動機反復起停與輕度制動的工況下，蓄能器壓力能量狀態(tài)的上下限范圍大，能更有效地利用回收能量。

車輛；蓄能器；AMESim；仿真

串聯(lián)型液壓混合動力系統(tǒng)將車輛的發(fā)動機與負載完全解耦，大幅提高發(fā)動機的功率利用率。液壓蓄能器的加入消除了頻繁制動和加速對發(fā)動機工況的瞬態(tài)負荷影響，使得動力源較多時間工作在相對穩(wěn)定工作區(qū)，降低燃油的消耗和排放[1-2]。文獻[3]分析了蓄能器容積大小對車輛燃油經(jīng)濟性改善率的影響，確定了規(guī)則假設(shè)條件下蓄能器容積選擇原則。文獻[4]利用試驗臺對蓄能器效率和比能量的工作特性進行近似分析。此類文獻多是直接研究分析蓄能器的參數(shù)匹配及工作特性。

為直觀反映蓄能器儲能狀態(tài)對車輛運行工況的影響，本文根據(jù)串聯(lián)型液壓混合動力車輛結(jié)構(gòu)原理，利用AMESim搭建了整車模型，制定了以蓄能器儲能狀態(tài)為條件的能量分配規(guī)則，通過對典型工況的仿真，主要分析了蓄能器的儲能狀態(tài)對發(fā)動機工況與再生制動工況的影響。

1 車輛結(jié)構(gòu)原理

串聯(lián)型液壓混合動力車輛系統(tǒng)主要由車載發(fā)動機、恒壓變量液壓泵、液壓泵/馬達、中央控制器及制動器等組成，車輛結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

發(fā)動機提供主要動力驅(qū)動液壓泵，液壓泵將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能帶動液壓馬達產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動車輛行駛，發(fā)動機獨立于負載情況工作，即車輛行駛阻力、載重和車速不直接作用于發(fā)動機。車輛減速、制動時，液壓泵/馬達工作在液壓泵狀態(tài)，將車輛慣性動能以液壓形式存儲在液壓蓄能器中，適時通過釋放回收的能量輔助車輛的起動、加速或?qū)崿F(xiàn)再生制動。

液壓蓄能器儲存和釋放再生制動能，在車輛起步、加速時為發(fā)動機提供短暫的峰值功率，并吸收車輛液壓系統(tǒng)的壓力脈動，有效地平衡發(fā)動機輸出功率和驅(qū)動負載所需功率，使發(fā)動機更多地工作于經(jīng)濟區(qū)域，提高了燃油經(jīng)濟性，實現(xiàn)能量的有效回收利用及車輛的穩(wěn)定運行。

圖1 串聯(lián)型液壓混合動力車輛結(jié)構(gòu)原理圖

2 仿真模型的建立

2.1車輛物理模型的搭建

研究在整車中蓄能器對工況的影響，運用AMESim搭建整車仿真模型[5]，如圖2所示。1為發(fā)動機模型，選用機械模塊中的馬達(PMV00)來模擬發(fā)動機，對外輸出轉(zhuǎn)速信號；2中可設(shè)置車輛運行環(huán)境狀況，如風速、空氣密度、周圍溫度、路面激勵等；3中的蓄能器選取液壓庫中的HA000模型來仿真皮囊式液壓蓄能器，通過一個壓力傳感器來檢測蓄能器的壓力；4、5分別為可設(shè)置實際情況參數(shù)的傳動系及汽車模型。整車仿真模型的控制信號由Simulink建立的控制模型提供給AMESim中的信號接收模塊。

圖2 仿真結(jié)構(gòu)總圖

2.2蓄能器建模

2.2.1 能量分配原則

混合動力車輛的元件優(yōu)化匹配可有效提高車輛的節(jié)能特性，但能量分配利用是影響車輛節(jié)能效果的關(guān)鍵因素。在保證車輛具有較好動力性及確保車輛安全制動的同時，高效回收車輛的制動動能，改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，將依據(jù)蓄能器的儲能狀態(tài)制定能量分配規(guī)則。

蓄能器的壓力與容積都是影響其儲能狀態(tài)的主要因素，容積大小關(guān)系到能量可儲存量，容積的確定應(yīng)以車輛制動初始平均速度時的動能為依據(jù)，即

(1)

式中：Vmax、Vmin分別為預充壓力及最大工作壓力下的蓄能器氣體體積，m3;p、pmin分別為蓄能器實際工作壓力、最低壓力，Pa;n為氣體多變過程指數(shù)。

根據(jù)參考車輛的安裝控件及實際需要，選用NXQBL100/31.5F皮囊式液壓蓄能器，其公稱容積為100 L。

蓄能器容積選定后，研究蓄能器儲能狀態(tài)影響時，為便于直觀分析，定義液壓蓄能器的壓力能量狀態(tài)SOC(state of charge)變量：

(2)

式中：pacc為蓄能器實時壓力；pmin為蓄能器最低壓力；pmax為蓄能器最高壓力。

表1示出在地面附著條件不變的前提下，以蓄能器的儲能狀態(tài)作為切換條件,在驅(qū)動和制動3種模式下的能量分配規(guī)則。

表1 能量分配規(guī)則

表1中：pacc為蓄能器實時壓力；pH為蓄能器設(shè)定上限壓力；pL為蓄能器設(shè)定下限壓力；pmin為蓄能器最低壓力；pmax為蓄能器最高壓力；Treg為汽車需求制動轉(zhuǎn)矩；Tmax為馬達輸出最大制動轉(zhuǎn)矩。

按照能量分配規(guī)則，判斷并設(shè)定液壓蓄能器儲能狀態(tài)SOC值，通過對模型中蓄能器的工作模式設(shè)置，使得驅(qū)動和制動模式下發(fā)動機和蓄能器適時狀態(tài)切換以實現(xiàn)節(jié)能。

2.2.2 蓄能器的數(shù)學模型

皮囊式液壓蓄能器反應(yīng)靈敏、密封可靠、循環(huán)壽命長、能量密度相對較大。液壓蓄能器的力平衡方程[6]為

(3)

式中：ps、pa分別為液壓蓄能器的進口壓力、氣囊腔壓力，Pa；Aa為折算到液壓蓄能器油液腔的截面積，m2；ma為折算到液壓蓄能器氣囊腔的液體當量質(zhì)量，kg；Ba為液壓蓄能器的當量黏性阻尼系數(shù)，N·s/m；qa為液壓蓄能器的進口流入流量，m3/s。

液壓蓄能器的流量連續(xù)性方程為

(4)

根據(jù)Boyle-Mariotte定律，有

(5)

式中：pa0、Va0分別為恒壓變量泵調(diào)定壓力下液壓蓄能器的穩(wěn)定工作點；n為Boyle-Mariotte定律氣體多變指數(shù)，取值1～1.4。

在pa0、Va0附近泰勒展開，略去高次項進行拉氏變換，整理得

(6)

式中：ωa為液壓蓄能器固有頻率，rad/s；ξa為液壓蓄能器阻尼系數(shù)。

為了分析簡便，做如下假設(shè)：

1)忽略蓄能器充放能過程中的能量損失；

2)蓄能器放能過程快，視為絕熱過程，取氣體多變指數(shù)n=1.4[7]；

3)忽略液壓油的壓縮性，油液在蓄能器中視為層流。

將式(6)所得傳遞函數(shù)寫入Simulilnk建立的控制模型中，在AMESim中輸入蓄能器進口壓力及流量等參數(shù)，按(3)式可獲得pa，在車輛中此表示為蓄能器實時壓力。

由此可確定液壓蓄能器的SOC值(充能狀態(tài))，進而根據(jù)能量分配策略原理實現(xiàn)切換蓄能器與發(fā)動機在驅(qū)動和制動時的工作狀態(tài)。蓄能器參與工作狀況仿真控制框圖如圖3所示，通過比較不同的SOC值來決定蓄能器充放能的程度。

圖3 蓄能器仿真控制框圖

3 仿真結(jié)果分析

為著重分析蓄能器儲能狀態(tài)對發(fā)動機工況及再生制動工況的影響，在整車物理模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)數(shù)模在Simulink中建立其控制模型后，通過AMESim與Simulink聯(lián)合仿真進行仿真分析。

3.1發(fā)動機工況分析

蓄能器的容量大小與SOC上下限的設(shè)定值是蓄能器對發(fā)動機經(jīng)濟性影響的2個主要因素。蓄能器容量大小已確定，主要控制設(shè)定SOC上下限值來進行發(fā)動機工況仿真分析。

發(fā)動機的停機啟動及怠速啟動的發(fā)動機轉(zhuǎn)速與相應(yīng)蓄能器壓力如圖4、圖5所示。怠速啟動過程中，0～40 s在預啟動階段，40～45 s為起步過程，45～50 s為加速過程，440 s車輛處于制動狀態(tài)。仿真曲線顯示：1)預啟動階段沒有功率消耗，發(fā)動機功率存儲在蓄能器當中用作后續(xù)起步的動力；2)44 s處的制動慣性能有效存儲在蓄能器當中用于制動后的車輛起步；3)蓄能器由于啟動與急加速能量被快速消耗后，在520 s處，發(fā)動機處于短暫的峰值功率。整個仿真過程表明：蓄能器壓力波動大，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較平穩(wěn)，蓄能器充放液壓能的功能提高了發(fā)動機工作效率的有效性及經(jīng)濟性。

圖5顯示的停機啟動說明:發(fā)動機每次啟動都會沖向最高轉(zhuǎn)速，蓄能器壓力降至最低，影響發(fā)動機經(jīng)濟性，需要合理地提高蓄能器的SOC下限值。

為了進一步說明蓄能器SOC值對發(fā)動機的影響，上下限取值為0.1～0.9、0.2～0.8、0.3～0.7、0.4～0.6進行仿真比較，如圖6所示。仿真結(jié)果表明，對比不同的SOC上下限值，發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速與啟停次數(shù)都有很大變化。SOC的上下限設(shè)定區(qū)間范圍大，發(fā)動機啟停次數(shù)少、轉(zhuǎn)速波動小，且經(jīng)常處在經(jīng)濟轉(zhuǎn)速(1 600 r/min),燃油經(jīng)濟性好?？紤]到蓄能器能量下限值的升高會增加發(fā)動機的啟停次數(shù)，同時為滿足車輛的極限加速工況，調(diào)定SOC下限值應(yīng)設(shè)為0.2。

圖4 怠速啟動下發(fā)動機轉(zhuǎn)速與蓄能器壓力

圖5 停機啟動下發(fā)動機轉(zhuǎn)速與蓄能器壓力

圖6 SOC值控制對比分析圖

3.2再生制動分析

制動強度的大小對再生制動能量回收效率影響較大，制動強度大時需要引入機械制動。面向節(jié)能目標條件，車輛常運行工況起決定作用[8]，分析混合動力常用的4種行駛工況[9]，列出不同循環(huán)工況下的平均速度、平均加速度及制動強度為輕度制動(z≤0.1)的占比，如表2所示。輕度制動下為能對比機械制動與混合制動的效果，選擇制動強度相對較大的UDDS工況作為目標工況進行仿真分析。

表2 不同循環(huán)工況下的主要參數(shù)對比

圖7(a)顯示，整個仿真過程中實際車速與目標車速接近，制動準確。圖7(b)顯示了此工況有蓄能器參與的混合制動及純機械制動的仿真效果，混合制動時制動強度低，機械制動在整個循環(huán)工況下參與少，制動能量更多地被回收利用。同時，仿真結(jié)果也說明制動沖擊下，蓄能器對系統(tǒng)的振動及脈動的有效吸收，車輛運行比較平穩(wěn)。

4 結(jié)論

根據(jù)串聯(lián)型液壓混合動力車輛的結(jié)構(gòu)原理，搭建了車輛的AMESim仿真模型，并建立了蓄能器等主要元件的控制模型。結(jié)合參考原型車輛實際情況設(shè)置相關(guān)參數(shù)，以蓄能器儲能狀態(tài)為依據(jù)制定了能量分配原則，進而分析了蓄能器儲能狀態(tài)對發(fā)動機工況及再生制動的影響。由系統(tǒng)的仿真曲線得出了以下結(jié)論。

(a)

(b)

1)發(fā)動機反復啟動下，蓄能器的儲能狀態(tài)變化大即壓力波動大，充放能量能力強，可提高發(fā)動機啟動時的效率及經(jīng)濟性。

2)不同的蓄能器儲能狀態(tài)即不同的蓄能器壓力值會對發(fā)動機工況產(chǎn)生較大影響。蓄能器設(shè)定的儲能壓力區(qū)間大，發(fā)動機更多地工作在經(jīng)濟區(qū)域，系統(tǒng)壓力波動小。同時，SOC值降低會增加發(fā)動機的啟停次數(shù)，不利于燃油經(jīng)濟性，需要合理選擇SOC上下限值，此研究中選定SOC下限值為0.2，滿足要求。

3)對于車輛運行速度較低，輕度制動強度的工況，不需要機械制動的參與，可單獨由儲能元件回收更多能量，同時蓄能器對系統(tǒng)的振動及脈動吸收也使得車輛能運行更加平穩(wěn)。

[1]Brusstar M．Hydraulic Hybrids-cost Effective Clean Urban Ve-hicles[R]. Washington D C：US Environmental Protection Agency,Office of Trans-portation and Air Quality, 2006.

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(編校：夏書林)

SimulationAnalysisofAccumulatorEnergyStorageStatusInfluenceonWorkingConditionsinHydraulicHybridVehicle

HUANG Meng-yang1, WU Tao1*, LI Xiao-feng1,2, WANG Jun-qian1, XU Shi-kuan3

(1.SchoolofAutomobileandTransportation,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.OnlyEducationGroup,StudyAbroadDepartment,Shanghai200030China;3.SanyMobileCranesCo.,Ltd,Changsha410600China)

In order to study the influence of the accumulator energy storage status on vehicle working condition, the structure and the action principle of the series hydraulic hybrid vehicle is presented. The vehicle model was built in AMESim eviroment.. On the basis of accumulator energy storage status, the pressure energy state was defined, and the rules of energy distribution was formulated, and whose controlling model was constructed in Simulink as the accumulator mathematical model. By means of the combination simulation between AMESim and Simulink, the accumulator energy storage status influence on working conditions of engine and regenerative braking for the typical conditions was analyzed. The simulation results show that the impact of energy storage setting pressure value of the accumulator is significant on the engine stop-start, a reasonable lower limit valve of pressure energy status should be set to 0.2; the accumulator had a larger range of upper and lower for pressure energy status during the engine start-stop repeatedly and slightly braking condition, which would be utilize to recover energy more effectively.

vehicle; accumulator; AMESim; simulation

2014-03-04

四川省教育廳重點科研項目(12ZA166)資助。

：吳濤(1969—)，男，副教授，碩士生導師，主要研究方向為專用汽車技術(shù)和汽車液壓技術(shù)。E-mail:597990478@qq.com

TP391.9

：A

：1673-159X(2015)03-0035-06

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.03.008

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