某液驅(qū)混合動力車輛蓄能器驅(qū)動加速性能研究

李思升，何曉暉，王 強(qiáng)，張 濤，徐 磊

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院機(jī)電教研中心， 南京 210007)

液驅(qū)混合動力車輛以液壓傳動作為車輛的驅(qū)動方式。該傳動系統(tǒng)由于蓄能器的加入使得液驅(qū)混合動力車輛與傳統(tǒng)車輛的運(yùn)作方式有很大的不同，主要表現(xiàn)在動力源的工作方式基本與負(fù)載無關(guān)，即液壓泵的輸出流量與馬達(dá)流量沒有耦合關(guān)系，兩者之間的流量差將直接流入或流出蓄能器，這樣動力源可在相對穩(wěn)定的工作區(qū)工作，降低燃油消耗和排放[1-2]。

蓄能器在液驅(qū)混合動力系統(tǒng)整個運(yùn)行階段始終處于重要地位，其工作過程和工作特性直接影響到車輛的驅(qū)動特性(包括車輛起步和加速性能)，車輛的起步和加速性能對液驅(qū)混合動力車輛的機(jī)動性至關(guān)重要。液驅(qū)混合動力系統(tǒng)的驅(qū)動運(yùn)行階段包括蓄能器單獨(dú)驅(qū)動、發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動和蓄能器與發(fā)動機(jī)的混合驅(qū)動3種驅(qū)動模式，本文通過臺架試驗研究分析了蓄能器對液驅(qū)混合動力車輛的單獨(dú)驅(qū)動特性，為以后系統(tǒng)的混合驅(qū)動等一系列試驗奠定基礎(chǔ)。

1 蓄能器基本工作參數(shù)初步確定

1.1 工作過程分析

蓄能器是液驅(qū)混合動力再生制動系統(tǒng)中至關(guān)重要的元件之一，蓄能器在車輛再生制動時將液壓馬達(dá)壓縮的壓力油進(jìn)行存儲并在之后需要加速或者爬坡時釋放，其工作壓力對再生制動系統(tǒng)具有十分重要的作用。根據(jù)試驗臺架要求，綜合性能分析，選取氣囊式的蓄能器作為臺架所用蓄能器。蓄能器實物圖如圖1。

圖1 蓄能器實物

氣囊式液壓蓄能器工作時，可把工質(zhì)(氮?dú)?看作是一個獨(dú)立的熱力學(xué)系統(tǒng)，蓄能器的工作過程就是該熱力學(xué)系統(tǒng)和外界進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化和傳遞的過程[3-4]。通過查詢資料，可以了解到氣囊式蓄能器的工作過程是理想化了的能量轉(zhuǎn)化過程，即假設(shè)蓄能器的狀態(tài)變化過程中工質(zhì)與外界無熱交換，工質(zhì)狀態(tài)間的交替變換是完全可逆的，而實際上，蓄能器工作過程中存在能量損失，所以其狀態(tài)變換并非是可逆的，存在能量轉(zhuǎn)換效率的問題。

蓄能器的工作過程包括蓄能、持能和釋能3個工作階段。在蓄能階段，工質(zhì)被壓縮，壓力升高，屬多變過程；在持能階段，由于熱量散失，溫度下降，壓力隨之下降，屬等容過程；在釋能階段，工質(zhì)膨脹，壓力下降。由于各種損失，最終釋放出的能量會比充入的少[5]。

1.2 數(shù)學(xué)模型

蓄能器儲存和釋放壓力油的容量和氣囊中氣體體積的變化量相等，而氣體狀態(tài)的變化應(yīng)符合玻意耳定律[6]，即

常數(shù)

(1)

式中：p0為蓄能器的初始充氣壓力；V0為蓄能器充氣的體積；p1、p2分別為液壓蓄能器初態(tài)工作壓力和終態(tài)工作壓力；V1、V2分別為兩種狀態(tài)的氣體體積；p、V分別為任意時刻蓄能器的工作壓力和氣體體積；n為氣體多變指數(shù)。

當(dāng)蓄能器用于保壓時，氣體膨脹過程緩慢，與外界熱交換比較充分，可認(rèn)為是等溫變化過程，n=1；當(dāng)蓄能器作為輔助動力源時，釋放液體的時間短，氣體迅速膨脹，熱交換不充分，這時可視為絕熱過程[7-8]。在實際工作中，狀態(tài)變化在絕熱過程和等溫過程之間，因此1

考慮到實際工作狀況，將蓄能器的工作過程視為多變過程(n≠1)，理論上其可儲存和釋放的能量為

(2)

(3)

對于等溫過程(n=1)，有

(4)

利用式(3)、式(4)對p0變量進(jìn)行微分，運(yùn)用極值條件，可求得相應(yīng)的狀態(tài)量。若p1=p0,p2=pmax(pmax為設(shè)定的最高工作壓力)，將V0、pmax當(dāng)作常數(shù)，由式(3)可得蓄能器吸收能量E取極大值的條件為

(5)

由式(5)可求得蓄能器吸收能量E取極大值時，充氣壓力、最高工作壓力與多變指數(shù)之間的關(guān)系。圖2為蓄能器吸收能量取極大值時，充氣壓力與最高工作壓力的壓力比r0(r0=p0/pmax)隨多變指數(shù)的變化曲線，等溫過程(n=1)中r0=0.368時，E取極大值。從圖2可以看出，隨著多變指數(shù)的增大，壓力比r0不斷減小，即在初始充氣壓力r0一定時，蓄能器的最高工作壓力逐漸變大，因此，設(shè)定的蓄能器最高工作壓力應(yīng)在等溫過程中確定。

圖2 壓力比隨多變指數(shù)的變化曲線

1.3 基本工作參數(shù)的初步確定

蓄能器最低工作壓力應(yīng)當(dāng)滿足驅(qū)動附著條件，能夠驅(qū)動車輛在水平路面上克服行駛阻力以巡航速度行駛[9]，初步選取充氣壓力為13.5 MPa，理論計算的設(shè)定最高工作壓力為36.6 MPa。然而，當(dāng)蓄能器在吸收能量取極大值時，對蓄能器的損傷以及后續(xù)的試驗影響都較大，另一方面為了安全考慮，最后確定的最高工作壓力應(yīng)小于理論計算的設(shè)定最高工作壓力。

2 臺架試驗與結(jié)果分析

2.1 試驗臺架

液驅(qū)混合動力模擬試驗臺架是對液驅(qū)車輛混合動力系統(tǒng)工作原理進(jìn)行模擬的半實物仿真平臺。完整的臺架系統(tǒng)包括液壓儲能綜合試驗系統(tǒng)和液壓驅(qū)動綜合試驗系統(tǒng)兩大部分組成。

從臺架的系統(tǒng)構(gòu)成到臺架的加工制作，用電動機(jī)代替原車發(fā)動機(jī)作為整個試驗臺架的基礎(chǔ)動力，用慣性飛輪代替整車1/4的轉(zhuǎn)動慣量，用磁粉制動器來模擬原車的制動轉(zhuǎn)矩。液驅(qū)混合動力車輛模擬試驗臺架主要由主電機(jī)、恒壓變量泵、變量液壓馬達(dá)、液壓蓄能器、慣性飛輪、磁粉制動器、加速器、油箱、壓力傳感器、扭矩傳感器、比例換向調(diào)速閥、溢流閥、單向閥、壓力表和綜合電控機(jī)構(gòu)等部件組成。

控制系統(tǒng)主要由數(shù)字信號處理器模塊、上位機(jī)測控軟件等7個部分組成，用于實現(xiàn)對試驗臺架的控制、測試與實驗數(shù)據(jù)采集。在控制系統(tǒng)的控制下，整個試驗臺架可以為后期實車試驗奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而為完成首臺概念樣車的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。試驗臺架和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 試驗臺架和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.2 試驗方案

由于本試驗要求的實驗次數(shù)太多，所以選擇一部分有代表性水平組合進(jìn)行試驗，利用正交試驗設(shè)計方法進(jìn)行試驗設(shè)計[10]，試驗因素為：磁粉制動器轉(zhuǎn)矩、蓄能器初始壓力(設(shè)置的壓力不能超過最高工作壓力[11])、馬達(dá)排量；試驗水平數(shù)為4。正交試驗記錄如表1所示。

表1中的磁粉制動器轉(zhuǎn)矩根據(jù)試驗臺架的慣性飛輪可承受的制動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行設(shè)置，蓄能器初始壓力根據(jù)恒壓變量泵的排量大小進(jìn)行設(shè)置，電壓值可調(diào)范圍為0.5～4.5 V，電壓值設(shè)置越高，對應(yīng)的馬達(dá)排量越小。

表1 正交試驗記錄

試驗步驟：首先利用電動機(jī)給蓄能器進(jìn)行充壓(滿足試驗要求的壓力，系統(tǒng)最低工作壓力是13.5 MPa)，當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到設(shè)定值后，然后通過比例換向調(diào)速閥來驅(qū)動液壓馬達(dá)，從而驅(qū)動慣性飛輪轉(zhuǎn)動，直至蓄能器中的能量釋放完，當(dāng)液壓馬達(dá)速度降為零后停止數(shù)據(jù)采集。

2.3 試驗結(jié)果及分析

圖4為試驗工況1蓄能器壓力和馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線，圖5為試驗工況1蓄能器壓力、馬達(dá)轉(zhuǎn)速和電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線。從圖4可以看出，初始階段，利用電動機(jī)給蓄能器進(jìn)行充壓，使蓄能器的壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值18 MPa，當(dāng)蓄能器壓力穩(wěn)定后停止運(yùn)行電動機(jī)(圖5所示)，由于蓄能器自身存在泄露缺陷，從圖4容易看出蓄能器壓力有所下降。然后切換到蓄能器單獨(dú)驅(qū)動馬達(dá)試驗工況，馬達(dá)轉(zhuǎn)速呈線性增長趨勢，當(dāng)達(dá)到最高速度250 r/min時，蓄能器壓力從16.7 MPa直接降為0，馬達(dá)在飛輪負(fù)載下逐漸減速直至停止。

圖4 蓄能器壓力和馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖5 蓄能器壓力、馬達(dá)轉(zhuǎn)速和電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖6為工況1～16的馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線，每幅圖中的4個試驗工況的蓄能器初始壓力相同。從圖可以看出，在蓄能器初始壓力相同，馬達(dá)排量不同，以及磁粉制動器轉(zhuǎn)矩不同的工況下，蓄能器單獨(dú)驅(qū)動馬達(dá)的加速性能以及最高馬達(dá)轉(zhuǎn)速差異明顯。綜合分析四幅圖可以得出，隨著蓄能器初始壓力的增大，即使馬達(dá)排量不同、磁粉制動器轉(zhuǎn)矩不同，驅(qū)動馬達(dá)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速也越大；當(dāng)蓄能器初始壓力為21 MPa或以下且設(shè)置的電壓值為2.5和3.5 V時(對應(yīng)的馬達(dá)排量較小)，無論磁粉制動器轉(zhuǎn)矩調(diào)至多大，都不能驅(qū)動馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，而當(dāng)蓄能器初始壓力為23 MPa時，電壓值為3.5 V的工況還是不能驅(qū)動馬達(dá)運(yùn)行，電壓值為2.5 V的工況能驅(qū)動馬達(dá)運(yùn)行，但驅(qū)動馬達(dá)的加速性能不如工況15、16。因此，要保證馬達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)且具有較好的加速性能，相對比較合理的電壓值調(diào)節(jié)范圍為0.5～2.5 V；增大蓄能器的初始壓力可以滿足更快的馬達(dá)速度要求。

圖6 工況1～16的馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖7為工況1、6、11、16的馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線，這4個工況的馬達(dá)排量相同。從圖7中可以看出，在馬達(dá)排量相同，磁粉制動器轉(zhuǎn)矩不同，以及蓄能器初始壓力不同的工況下，蓄能器單獨(dú)驅(qū)動馬達(dá)的加速性能以及最高馬達(dá)轉(zhuǎn)速有所不同。通過分析圖中4個工況的曲線，可以發(fā)現(xiàn)，隨著蓄能器初始壓力逐漸增大，馬達(dá)所能達(dá)到的最高馬達(dá)轉(zhuǎn)速也逐漸增大，而隨著磁粉制動器轉(zhuǎn)矩逐漸增大，即使在蓄能器初始壓力較高的情況下馬達(dá)的加速性能也有所下降，說明磁粉制動器轉(zhuǎn)矩對馬達(dá)加速性能的影響大于蓄能器初始壓力。

圖7 工況1、6、11、16的馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖8為工況4、8、12、16的馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線，這4個工況的磁粉制動器轉(zhuǎn)矩相同。從圖8中可以看出，在磁粉制動器轉(zhuǎn)矩相同，蓄能器初始壓力不同，以及馬達(dá)排量不同的工況下，蓄能器單獨(dú)驅(qū)動馬達(dá)的加速性能以及最高馬達(dá)轉(zhuǎn)速差異明顯。其中工況4和工況8蓄能器初始壓力較小，磁粉制動器轉(zhuǎn)矩較大，導(dǎo)致蓄能器不能單獨(dú)驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)動。通過分析工況12和工況16，可以發(fā)現(xiàn)蓄能器壓力越高，馬達(dá)排量越大，馬達(dá)的加速性能越好，即對應(yīng)車輛的加速性能越好，并且能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速也越大。通過試驗可以確定蓄能器的最高充氣壓力為23 MPa。

圖8 工況4、8、12、16的馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線

3 結(jié)論

1) 運(yùn)用蓄能器儲能的極大值條件可初步確定蓄能器的工作參數(shù)，試驗驗證了其合理性。

2) 蓄能器的初始壓力對馬達(dá)加速性能影響較小，但是增加蓄能器的初始壓力可以滿足更高的馬達(dá)速度，間接證明了蓄能器的設(shè)定初始壓力范圍比較合理，確定了蓄能器的最高充氣壓力為23 MPa。

3) 磁粉制動器轉(zhuǎn)矩對馬達(dá)加速性能的影響大于蓄能器的初始壓力，同時確定了比較合理的電壓值為0.5～2.5 V(即合適的馬達(dá)排量)。

4) 通過分析蓄能器的單獨(dú)驅(qū)動試驗工況，得出了增加蓄能器的初始壓力和馬達(dá)排量，可以提升馬達(dá)的加速性能(即車輛的加速性能)。