重型車輛液壓再生制動能量回收率的研究*

曾小華，李廣含，宋大鳳，李 勝，李高志

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.一汽解放青島汽車有限公司，青島 266043)

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重型車輛液壓再生制動能量回收率的研究*

曾小華1，李廣含1，宋大鳳1，李 勝2，李高志1

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.一汽解放青島汽車有限公司，青島 266043)

在傳統(tǒng)后驅重型車輛的基礎上，加入液壓泵、輪轂液壓馬達、蓄能器等裝置形成一種新型液驅混合動力系統(tǒng)，可實現(xiàn)液壓再生制動。通過在傳統(tǒng)制動踏板空行程內標定純再生制動階段的方式，實現(xiàn)基于制動踏板行程的制動力控制。建立整車和液壓系統(tǒng)模型，進行再生制動過程仿真，分析蓄能器能量回收率及其影響因素。仿真結果表明：相同擋位下，制動踏板行程越大，蓄能器能量回收率越低；相同制動踏板行程下，擋位越低，蓄能器的回收率越高。

重型車輛；液壓系統(tǒng)；再生制動；能量回收率

前言

傳統(tǒng)重型車輛在頻繁起?；蛳麻L坡制動時，車輛動能會因摩擦制動等方式消耗，造成能量浪費[1]。而液驅混合動力車輛在制動時，可通過蓄能器回收部分車輛動能[2-4]，并在車輛需求短時加速或爬坡時，通過釋放蓄能器能量實現(xiàn)蓄能器輔助驅動[5]，由此達到節(jié)能和提升動力的目的。此外，相比電化學儲能、飛輪儲能等方式[6]，液壓儲能器具有功率密度大、物理儲能效率高的特點[7]，發(fā)展前景良好。

目前液驅混合動力技術在美國、德國已取得較大的發(fā)展和應用，國內則針對靜液驅動系統(tǒng)進行了較多研究，提出了液壓混合動力車輛的能量管理策略[8]和不同結構形式的液壓混合動力車輛控制策略與方法[9-10]，但關于輪轂液驅混合動力重型車的研究和應用則較少。

制動能量回收過程中主要問題是再生制動力的控制[11]。車輛制動時一般根據(jù)制動強度大小[12]作為再生制動力的起作用與退出的判斷條件，為充分利用蓄能器吸收車輛制動過程中的動能，同時考慮制動時的穩(wěn)定與安全性，本文中針對某項目研制的液驅混合動力車輛，提出基于制動踏板行程的控制方式[13]，再生制動力在非緊急制動過程中始終起作用，進行制動能量回收，且當蓄能器充滿時可通過溢流閥的作用保持最大再生制動力制動[14]。

本文中基于某一特殊液驅混合動力系統(tǒng)的能量回收方案[15](目前已在某企業(yè)研制車試用)，分析液壓再生制動系統(tǒng)能量回收效率。首先建立實際制動器與蓄能器模型，并通過Simulink和AMESim軟件平臺建立控制算法模型、車輛機械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)模型進行聯(lián)合仿真，實現(xiàn)對車輛制動過程的能量回收率的深入分析。

1 系統(tǒng)構型方案

本文中研究的輪轂液驅混合動力系統(tǒng)構型方案，如圖1所示，在包含發(fā)動機、離合器、變速器、傳動軸的傳統(tǒng)后驅重型車輛上，添加液壓泵、輪轂馬達、蓄能器和液壓控制閥組等元件。液壓變量泵與補油泵同軸，利用發(fā)動機后端飛輪處的取力器，通過萬向節(jié)連接到液壓泵的輸入端，帶動補油泵從油箱吸油，給變量泵供油，使變量泵對蓄能器充液；為避免變量泵吸油口出現(xiàn)真空，變量泵的排量設置應不大于補油泵的排量。當車輛頻繁起?；蛑苿訒r，除傳統(tǒng)摩擦制動外，車輛后軸傳動系統(tǒng)帶動變量泵對蓄能器充能，實現(xiàn)再生制動。

圖1 整車系統(tǒng)配置

2 制動能量回收過程建模

2.1 制動時載荷分析

車輛在制動時，考慮加速作用會對車輛的各軸軸荷有影響，因此對整車各軸軸荷進行受力分析，如圖2所示。

圖2 整車受力分析

車輛在制動過程中，對牽引車-半掛車組合進行分析，得到各個車軸的軸荷，如式(1)～式(3)所示：

(1)

(2)

(3)

式中：Fz1，F(xiàn)z2和Fz3分別為牽引車前軸、后軸和半掛車后軸所受地面法向反力，N；Fx1，F(xiàn)x2和Fx3分別為牽引車前軸、后軸和半掛車后軸縱向力，N；W為牽引車與半掛車連接處垂向力，N；T為牽引車與半掛車連接處縱向力，N；m1為牽引車質量，kg；m2為半掛車質量，kg；a為車輛加速度，m·s-2；a1為牽引車質心到牽引車前軸的距離，m；a2為半掛車質心到牽引車與半掛車鉸接軸線的距離，m；b1為牽引車質心與后軸的距離，m；b2為半掛車質心與后軸的距離，m；h1為牽引車質心與地面的距離，m；h2為牽引車與半掛車鉸接端面與地面的距離，m；h3為半掛車質心與地面的距離，m。

2.2 制動器模型

所研究的重型車輛，前輪采用盤式制動器，后輪則采用氣壓鼓式制動器。這里將制動器的數(shù)學模型簡化，制動儲氣筒的壓力只與制動踏板行程的大小有關[16]，如式(4)所示：

(4)

式中：pb為制動儲氣筒壓力，MPa；pmax為儲氣筒內最大制動壓力，MPa；Xb為制動踏板實際行程；Xbe為制動踏板空行程；Xbh為儲氣筒壓力達到最高時對應制動踏板行程的臨界點。

考慮到制動系統(tǒng)中氣壓遲滯的影響[17]，將制動系統(tǒng)簡化為1階慣性系統(tǒng)，即前后輪的制動力矩計算，如式(5)所示：

(5)

式中：pbi為制動氣室的壓力，MPa；Kbi為制動效能因數(shù)；Abi為制動氣室活塞的面積，m2；Rbi為制動有效半徑，m；Tbi為制動力矩，N·m；tb1和tb2為時間常數(shù)；s為拉普拉斯算子。

對于后軸制動力，由于離合器在制動時一直閉合，發(fā)動機在后輪輪速降為0之前一直有轉速，且具有相應的拖轉制動阻力矩，如圖3所示。

圖3 發(fā)動機的制動力矩

2.3 制動能量回收效率

在車輛制動過程中，主要考慮車輛行駛阻力、發(fā)動機拖轉制動力、前后軸氣壓制動力和再生制動力的作用，而液壓系統(tǒng)內部損耗能量較少，可以忽略。因此，車輛制動過程能量平衡式為

Wv=Ww+Wf+Weng+Wreg

(6)

式中：Wv表示車輛初始動能，J；Ww為空氣阻力消耗的能量，J；Wf為滾動阻力消耗的能量，J；Weng為發(fā)動機拖轉制動消耗的能量，J；Wreg為再生制動回收的能量，J。

其中，制動過程中液壓蓄能器儲存的能量[18]，即再生制動回收的能量為

(7)

式中：Wreg為蓄能器儲存的能量，J；p1和p2分別為最低工作壓力和最高工作壓力，Pa；V1和V2分別為最低工作壓力和最高工作壓力對應的氣體體積，m2；n為氣體多變指數(shù)。

車輛制動過程中的實際能量回收率為

(8)

式中：v0和v1分別為制動始末狀態(tài)的車速，m·s-1；δ為車輛旋轉質量轉換系數(shù)；m為整車滿載質量，kg。

3 制動力矩分配策略

3.1 純再生制動

在車輛制動踏板空行程[0,Xbe]內標定一段可用于再生制動的踏板行程[Xbr,Xbe]，此行程內只產生再生制動力，無氣壓制動力，設定此階段為純再生制動階段。同時考慮制動時的穩(wěn)定性和安全性，為防止駕駛員或踏板微動導致的頻繁制動，標定一個很小的行程量[0,Xbr]作為保護用的空行程，在此段制動踏板行程內無需求制動力。

再生制動過程中，變量泵的轉矩[19]為

(9)

式中：Tp為變量泵的轉矩，N·m；ηp為變量泵的機械效率，取0.95；Δp為變量泵的輸入輸出端壓差，MPa；Vp為變量泵的排量，cm3·r-1。

蓄能器在充能過程中，從最低工作壓力20MPa充能到最高工作壓力33MPa，此時液壓泵的轉矩不斷增大。同時由于變量泵的排量受限于補油泵的排量，其最大值為22cm3·r-1，因此再生制動過程中液壓泵的最大轉矩為121.7N·m。

3.2 制動意圖分類與識別

結合純再生制動過程的設定，本文中將車輛制動模式分為3類：(1)純再生制動模式，Mode=1；(2)中等強度制動模式，Mode=2；(3)緊急制動模式，Mode=3。此外無制動需求時，Mode=0。

一般駕駛員制動時，制動時間約0.2～0.3s，可將此時間段內的制動踏板行程及其變化率，共同作為制動意圖[20-21]的分類判定標準與識別參數(shù)。首先，當制動踏板行程小于踏板行程標定值Xbr時，為防止踏板抖動和駕駛員誤碰制動踏板，車輛不制動；當制動踏板行程大于該值時，判定駕駛員存在制動需求，并依據(jù)模糊邏輯算法實現(xiàn)制動模式識別：根據(jù)不同制動工況對應的制動踏板行程及其變化率范圍(見表1)，確定識別參數(shù)的隸屬度函數(shù)；不同的識別參數(shù)組合對應的車輛制動模式，即模糊推理規(guī)則，如表2所示。

表1 不同制動工況下識別參數(shù)范圍

表2 模糊推理規(guī)則表

根據(jù)表2，當踏板行程小于踏板空行程時，車輛進入純再生制動模式；當踏板行程處于較大范圍時，車輛進入緊急制動模式；當制動踏板行程處于中等范圍時，則車輛制動模式應結合行程變化率進行綜合判斷(篇幅限制，本文中對制動模式模糊辨識算法不作重點描述)。

3.3 制動力矩分配策略

車輛在不同制動模式下進行相應的制動力矩分配，如圖4所示。首先，根據(jù)實際制動系統(tǒng)參數(shù)，當制動踏板行程小于達到再生制動行程門限閾值Xbr(15%)時，無車輛制動力；當制動踏板行程大于全程的15%情況下，控制器根據(jù)上述模糊識別算法判斷車輛制動模式：當制動踏板行程較小時，為純再生制動模式，后軸再生制動力起作用，無氣壓制動力；當制動踏板行程為中等大小且其變化率不大的情況下，為中等強度制動模式，后軸再生制動力與氣壓制動力共同起作用；當制動踏板行程較大或制動行程為中等大小且其變化率較大的情況下，為緊急制動模式，無再生制動力，只有氣壓制動力起作用。

圖4 制動力矩分配策略

4 系統(tǒng)建模與仿真

4.1 模型搭建

圖5和圖6分別為在Simulink中建立的整車機械傳動與控制系統(tǒng)模型和在AMESim中建立的液壓傳動系統(tǒng)模型，對兩個模型進行聯(lián)合仿真。

圖5 機械傳動與控制系統(tǒng)模型

圖6 液壓傳動系統(tǒng)模型

4.2 整車參數(shù)

本文中研究的輪轂液壓混合動力載貨車基本參數(shù)如表3所示。

表3 整車參數(shù)

4.3 仿真結果分析

4.3.1 仿真工況

選定仿真工況：初始擋位10擋，車輛初始車速33.92km·h-1(實車給定的常用的經(jīng)濟車速)，制動踏板行程在0.2s內線性增大到全程的50%(超過空行程35%)，也即車輛處于中等強度制動階段，路面附著系數(shù)為0.8。

4.3.2 制動力矩分配仿真分析

圖7為制動踏板的行程與對應的系統(tǒng)工作模式和變量泵排量信號，圖8為車輛制動系統(tǒng)的制動力矩。當制動踏板行程小于純再生制動階段行程(15%)時，Mode=0，表明車輛無制動力需求，不制動；當制動踏板行程處于純再生制動階段的行程范圍[15%,35%]內時，Mode=1，此階段發(fā)動機拖轉制動和再生制動共同起作用，即分配其需求再生制動力為當前蓄能器壓力下的最大再生制動力矩，即變量泵的排量立即達到允許的最大值22cm3·r-1，所以變量泵排量控制信號很快達到最大值0.22；當制動踏板行程大于純再生制動階段行程最大值35%而進入復合制動階段，此時Mode=2，此階段發(fā)動機拖轉制動、再生制動與氣壓制動共同起作用。

圖7 制動踏板行程、制動模式和泵排量

圖8 車輛制動系統(tǒng)的制動力矩

圖9為車輛車速、減速度、制動距離和蓄能器壓力變化曲線，車輛以約為1.6m·s-2的減速度從車速33.92km·h-1減小到0，制動時間為6.0s，制動距離為29.4m，蓄能器壓力從20MPa增大到20.9MPa。

圖9 車速、減速度、制動距離和蓄能器壓力

圖10 車輛制動時消耗的能量

圖10為車輛制動時消耗的能量，可以看出風阻消耗的能量為0.208kJ，蓄能器回收的能量為35.700kJ，發(fā)動機制動消耗的能量為71.890kJ，滾阻消耗的能量為2 335.00kJ，說明滾阻、發(fā)動機消耗的能量和蓄能器回收的能量為制動過程中的動能消耗的主要因素，蓄能器的能量回收率為1.4%。

4.3.3 制動能量回收率仿真分析

在相同工況下，制動踏板行程在0.2s內線性增大到20%，即車輛處于純再生制動階段。由圖11可看出，此時車輛制動過程中，能量回收率為13%。

圖11 車速、減速度、制動距離和蓄能器壓力

同理，在制動踏板不同行程下，蓄能器的能量回收率見表4和圖12所示，這里主要分析制動踏板行程在15%～75%之間的制動過程和能量回收情況。由表中數(shù)據(jù)可知，當制動踏板行程為30%，即在純再生制動階段時，蓄能器的回收效率較高，但由于無氣壓制動作用，制動距離大，制動時間長；制動踏板行程從超過純再生制動階段的40%逐步增大時，其制動距離和制動時間逐步減小，但回收的能量和能量回收率也逐步降低。

表4 不同制動踏板行程下蓄能器能量回收率

圖12 制動踏板行程與能量回收率變化關系

針對不同擋位下的再生制動情況進行分析，設定[1,10]擋下初始車速分別為各自擋位對應的最大經(jīng)濟車速，只進行純再生制動的仿真計算，因此制動踏板行程在[15%,35%]之間即可。由圖13可知，利用純再生制動力制動時，可知擋位(初始車速)越低，蓄能器能量回收率越大。

圖13 不同擋位的能量回收率

5 結論

所研究的重型車輛，因其特殊的液壓集成泵控制系統(tǒng)結構，變量泵的排量調節(jié)受限于補油泵的最大排量，對再生制動能量回收能力具有一定的限制；且再生制動力相對較小，所以當制動踏板行程進入純再生制動階段，分配其需求再生制動力為當前蓄能器壓力下的最大再生制動力矩。

針對常用經(jīng)濟車速時不同制動踏板行程下的再生制動分析，制動踏板行程增大，其制動距離和制動時間減小，但回收的能量和能量回收率也降低；最大再生制動能量回收率為13.0%。

考慮發(fā)動機的拖轉制動和行駛阻力的影響，針對不同擋位下的純再生制動情況進行分析，可知擋位(初始車速)越低，蓄能器能量回收率越大，最高可達到22.8%。

因此，加入蓄能器后，重型車輛在頻繁起?；蛳麻L坡制動時可將部分動能回收再利用，實現(xiàn)節(jié)能，同時也可降低對制動器的磨損，提高重型商用車的安全性，對于液壓混合動力車輛節(jié)能研究具有重要的指導意義。

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A Research on the Energy Recovery Rate of HydraulicRegenerative Braking for Heavy Vehicle

Zeng Xiaohua1, Li Guanghan1, Song Dafeng1, Li Sheng2& Li Gaozhi1

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025;2.FAWJiefangAutomotiveCo.,Ltd.,Qingdao266043

By adding a hydraulic pump, two hub motors and an accumulator to a traditional rear-wheel-drive heavy vehicle, a novel hydraulic hybrid power system is constructed to achieve hydraulic regenerative braking. The control of braking force is realized by defining a phase of pure regenerating braking within the free travel of brake pedal. The models for the vehicle and its hydraulic system are built, and a simulation on the process of regenerating braking is conducted to analyze the energy recovery rate of accumulator and its influencing factors. The results show that under the same gear, the larger brake pedal travel has a lower energy recovery rate, while under the same brake pedal travel, the lower gear can get a higher energy recovery rate.

heavy vehicle; hydraulic system; regenerative braking; energy recovery rate

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.001

*國家自然科學基金(51675214,51575221)和吉林大學研究生創(chuàng)新基金(2016083)資助。

宋大鳳，副教授，E-mail:songdf@126.com。

原稿收到日期為2016年7月4日，修改稿收到日期為2016年9月26日。