重型车辆液压再生制动能量回收率的研究*

曾小华，李广含，宋大凤，李 胜，李高志

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025； 2.一汽解放青岛汽车有限公司，青岛 266043)



重型车辆液压再生制动能量回收率的研究*

曾小华1，李广含1，宋大凤1，李 胜2，李高志1

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025； 2.一汽解放青岛汽车有限公司，青岛 266043)

在传统后驱重型车辆的基础上，加入液压泵、轮毂液压马达、蓄能器等装置形成一种新型液驱混合动力系统，可实现液压再生制动。通过在传统制动踏板空行程内标定纯再生制动阶段的方式，实现基于制动踏板行程的制动力控制。建立整车和液压系统模型，进行再生制动过程仿真，分析蓄能器能量回收率及其影响因素。仿真结果表明：相同挡位下，制动踏板行程越大，蓄能器能量回收率越低；相同制动踏板行程下，挡位越低，蓄能器的回收率越高。

重型车辆；液压系统；再生制动；能量回收率

前言

传统重型车辆在频繁起停或下长坡制动时，车辆动能会因摩擦制动等方式消耗，造成能量浪费[1]。而液驱混合动力车辆在制动时，可通过蓄能器回收部分车辆动能[2-4]，并在车辆需求短时加速或爬坡时，通过释放蓄能器能量实现蓄能器辅助驱动[5]，由此达到节能和提升动力的目的。此外，相比电化学储能、飞轮储能等方式[6]，液压储能器具有功率密度大、物理储能效率高的特点[7]，发展前景良好。

目前液驱混合动力技术在美国、德国已取得较大的发展和应用，国内则针对静液驱动系统进行了较多研究，提出了液压混合动力车辆的能量管理策略[8]和不同结构形式的液压混合动力车辆控制策略与方法[9-10]，但关于轮毂液驱混合动力重型车的研究和应用则较少。

制动能量回收过程中主要问题是再生制动力的控制[11]。车辆制动时一般根据制动强度大小[12]作为再生制动力的起作用与退出的判断条件，为充分利用蓄能器吸收车辆制动过程中的动能，同时考虑制动时的稳定与安全性，本文中针对某项目研制的液驱混合动力车辆，提出基于制动踏板行程的控制方式[13]，再生制动力在非紧急制动过程中始终起作用，进行制动能量回收，且当蓄能器充满时可通过溢流阀的作用保持最大再生制动力制动[14]。

本文中基于某一特殊液驱混合动力系统的能量回收方案[15](目前已在某企业研制车试用)，分析液压再生制动系统能量回收效率。首先建立实际制动器与蓄能器模型，并通过Simulink和AMESim软件平台建立控制算法模型、车辆机械系统和液压系统模型进行联合仿真，实现对车辆制动过程的能量回收率的深入分析。

1 系统构型方案

本文中研究的轮毂液驱混合动力系统构型方案，如图1所示，在包含发动机、离合器、变速器、传动轴的传统后驱重型车辆上，添加液压泵、轮毂马达、蓄能器和液压控制阀组等元件。液压变量泵与补油泵同轴，利用发动机后端飞轮处的取力器，通过万向节连接到液压泵的输入端，带动补油泵从油箱吸油，给变量泵供油，使变量泵对蓄能器充液；为避免变量泵吸油口出现真空，变量泵的排量设置应不大于补油泵的排量。当车辆频繁起停或制动时，除传统摩擦制动外，车辆后轴传动系统带动变量泵对蓄能器充能，实现再生制动。

图1 整车系统配置

2 制动能量回收过程建模

2.1 制动时载荷分析

车辆在制动时，考虑加速作用会对车辆的各轴轴荷有影响，因此对整车各轴轴荷进行受力分析，如图2所示。

图2 整车受力分析

车辆在制动过程中，对牵引车-半挂车组合进行分析，得到各个车轴的轴荷，如式(1)～式(3)所示：

(1)

(2)

(3)

式中：Fz1，Fz2和Fz3分别为牵引车前轴、后轴和半挂车后轴所受地面法向反力，N；Fx1，Fx2和Fx3分别为牵引车前轴、后轴和半挂车后轴纵向力，N；W为牵引车与半挂车连接处垂向力，N；T为牵引车与半挂车连接处纵向力，N；m1为牵引车质量，kg；m2为半挂车质量，kg；a为车辆加速度，m·s-2；a1为牵引车质心到牵引车前轴的距离，m；a2为半挂车质心到牵引车与半挂车铰接轴线的距离，m；b1为牵引车质心与后轴的距离，m；b2为半挂车质心与后轴的距离，m；h1为牵引车质心与地面的距离，m；h2为牵引车与半挂车铰接端面与地面的距离，m；h3为半挂车质心与地面的距离，m。

2.2 制动器模型

所研究的重型车辆，前轮采用盘式制动器，后轮则采用气压鼓式制动器。这里将制动器的数学模型简化，制动储气筒的压力只与制动踏板行程的大小有关[16]，如式(4)所示：

(4)

式中：pb为制动储气筒压力，MPa；pmax为储气筒内最大制动压力，MPa；Xb为制动踏板实际行程；Xbe为制动踏板空行程；Xbh为储气筒压力达到最高时对应制动踏板行程的临界点。

考虑到制动系统中气压迟滞的影响[17]，将制动系统简化为1阶惯性系统，即前后轮的制动力矩计算，如式(5)所示：

(5)

式中：pbi为制动气室的压力，MPa；Kbi为制动效能因数；Abi为制动气室活塞的面积，m2；Rbi为制动有效半径，m；Tbi为制动力矩，N·m；tb1和tb2为时间常数；s为拉普拉斯算子。

对于后轴制动力，由于离合器在制动时一直闭合，发动机在后轮轮速降为0之前一直有转速，且具有相应的拖转制动阻力矩，如图3所示。

图3 发动机的制动力矩

2.3 制动能量回收效率

在车辆制动过程中，主要考虑车辆行驶阻力、发动机拖转制动力、前后轴气压制动力和再生制动力的作用，而液压系统内部损耗能量较少，可以忽略。因此，车辆制动过程能量平衡式为

Wv=Ww+Wf+Weng+Wreg

(6)

式中：Wv表示车辆初始动能，J；Ww为空气阻力消耗的能量，J；Wf为滚动阻力消耗的能量，J；Weng为发动机拖转制动消耗的能量，J；Wreg为再生制动回收的能量，J。

其中，制动过程中液压蓄能器储存的能量[18]，即再生制动回收的能量为

(7)

式中：Wreg为蓄能器储存的能量，J；p1和p2分别为最低工作压力和最高工作压力，Pa；V1和V2分别为最低工作压力和最高工作压力对应的气体体积，m2；n为气体多变指数。

车辆制动过程中的实际能量回收率为

(8)

式中：v0和v1分别为制动始末状态的车速，m·s-1；δ为车辆旋转质量转换系数；m为整车满载质量，kg。

3 制动力矩分配策略

3.1 纯再生制动

在车辆制动踏板空行程[0,Xbe]内标定一段可用于再生制动的踏板行程[Xbr,Xbe]，此行程内只产生再生制动力，无气压制动力，设定此阶段为纯再生制动阶段。同时考虑制动时的稳定性和安全性，为防止驾驶员或踏板微动导致的频繁制动，标定一个很小的行程量[0,Xbr]作为保护用的空行程，在此段制动踏板行程内无需求制动力。

再生制动过程中，变量泵的转矩[19]为

(9)

式中：Tp为变量泵的转矩，N·m；ηp为变量泵的机械效率，取0.95；Δp为变量泵的输入输出端压差，MPa；Vp为变量泵的排量，cm3·r-1。

蓄能器在充能过程中，从最低工作压力20MPa充能到最高工作压力33MPa，此时液压泵的转矩不断增大。同时由于变量泵的排量受限于补油泵的排量，其最大值为22cm3·r-1，因此再生制动过程中液压泵的最大转矩为121.7N·m。

3.2 制动意图分类与识别

结合纯再生制动过程的设定，本文中将车辆制动模式分为3类：(1)纯再生制动模式，Mode=1；(2)中等强度制动模式，Mode=2；(3)紧急制动模式，Mode=3。此外无制动需求时，Mode=0。

一般驾驶员制动时，制动时间约0.2～0.3s，可将此时间段内的制动踏板行程及其变化率，共同作为制动意图[20-21]的分类判定标准与识别参数。首先，当制动踏板行程小于踏板行程标定值Xbr时，为防止踏板抖动和驾驶员误碰制动踏板，车辆不制动；当制动踏板行程大于该值时，判定驾驶员存在制动需求，并依据模糊逻辑算法实现制动模式识别：根据不同制动工况对应的制动踏板行程及其变化率范围(见表1)，确定识别参数的隶属度函数；不同的识别参数组合对应的车辆制动模式，即模糊推理规则，如表2所示。

表1 不同制动工况下识别参数范围

表2 模糊推理规则表

根据表2，当踏板行程小于踏板空行程时，车辆进入纯再生制动模式；当踏板行程处于较大范围时，车辆进入紧急制动模式；当制动踏板行程处于中等范围时，则车辆制动模式应结合行程变化率进行综合判断(篇幅限制，本文中对制动模式模糊辨识算法不作重点描述)。

3.3 制动力矩分配策略

车辆在不同制动模式下进行相应的制动力矩分配，如图4所示。首先，根据实际制动系统参数，当制动踏板行程小于达到再生制动行程门限阈值Xbr(15%)时，无车辆制动力；当制动踏板行程大于全程的15%情况下，控制器根据上述模糊识别算法判断车辆制动模式：当制动踏板行程较小时，为纯再生制动模式，后轴再生制动力起作用，无气压制动力；当制动踏板行程为中等大小且其变化率不大的情况下，为中等强度制动模式，后轴再生制动力与气压制动力共同起作用；当制动踏板行程较大或制动行程为中等大小且其变化率较大的情况下，为紧急制动模式，无再生制动力，只有气压制动力起作用。

图4 制动力矩分配策略

4 系统建模与仿真

4.1 模型搭建

图5和图6分别为在Simulink中建立的整车机械传动与控制系统模型和在AMESim中建立的液压传动系统模型，对两个模型进行联合仿真。

图5 机械传动与控制系统模型

图6 液压传动系统模型

4.2 整车参数

本文中研究的轮毂液压混合动力载货车基本参数如表3所示。

表3 整车参数

4.3 仿真结果分析

4.3.1 仿真工况

选定仿真工况：初始挡位10挡，车辆初始车速33.92km·h-1(实车给定的常用的经济车速)，制动踏板行程在0.2s内线性增大到全程的50%(超过空行程35%)，也即车辆处于中等强度制动阶段，路面附着系数为0.8。

4.3.2 制动力矩分配仿真分析

图7为制动踏板的行程与对应的系统工作模式和变量泵排量信号，图8为车辆制动系统的制动力矩。当制动踏板行程小于纯再生制动阶段行程(15%)时，Mode=0，表明车辆无制动力需求，不制动；当制动踏板行程处于纯再生制动阶段的行程范围[15%,35%]内时，Mode=1，此阶段发动机拖转制动和再生制动共同起作用，即分配其需求再生制动力为当前蓄能器压力下的最大再生制动力矩，即变量泵的排量立即达到允许的最大值22cm3·r-1，所以变量泵排量控制信号很快达到最大值0.22；当制动踏板行程大于纯再生制动阶段行程最大值35%而进入复合制动阶段，此时Mode=2，此阶段发动机拖转制动、再生制动与气压制动共同起作用。

图7 制动踏板行程、制动模式和泵排量

图8 车辆制动系统的制动力矩

图9为车辆车速、减速度、制动距离和蓄能器压力变化曲线，车辆以约为1.6m·s-2的减速度从车速33.92km·h-1减小到0，制动时间为6.0s，制动距离为29.4m，蓄能器压力从20MPa增大到20.9MPa。

图9 车速、减速度、制动距离和蓄能器压力

图10 车辆制动时消耗的能量

图10为车辆制动时消耗的能量，可以看出风阻消耗的能量为0.208kJ，蓄能器回收的能量为35.700kJ，发动机制动消耗的能量为71.890kJ，滚阻消耗的能量为2 335.00kJ，说明滚阻、发动机消耗的能量和蓄能器回收的能量为制动过程中的动能消耗的主要因素，蓄能器的能量回收率为1.4%。

4.3.3 制动能量回收率仿真分析

在相同工况下，制动踏板行程在0.2s内线性增大到20%，即车辆处于纯再生制动阶段。由图11可看出，此时车辆制动过程中，能量回收率为13%。

图11 车速、减速度、制动距离和蓄能器压力

同理，在制动踏板不同行程下，蓄能器的能量回收率见表4和图12所示，这里主要分析制动踏板行程在15%～75%之间的制动过程和能量回收情况。由表中数据可知，当制动踏板行程为30%，即在纯再生制动阶段时，蓄能器的回收效率较高，但由于无气压制动作用，制动距离大，制动时间长；制动踏板行程从超过纯再生制动阶段的40%逐步增大时，其制动距离和制动时间逐步减小，但回收的能量和能量回收率也逐步降低。

表4 不同制动踏板行程下蓄能器能量回收率

图12 制动踏板行程与能量回收率变化关系

针对不同挡位下的再生制动情况进行分析，设定[1,10]挡下初始车速分别为各自挡位对应的最大经济车速，只进行纯再生制动的仿真计算，因此制动踏板行程在[15%,35%]之间即可。由图13可知，利用纯再生制动力制动时，可知挡位(初始车速)越低，蓄能器能量回收率越大。

图13 不同挡位的能量回收率

5 结论

所研究的重型车辆，因其特殊的液压集成泵控制系统结构，变量泵的排量调节受限于补油泵的最大排量，对再生制动能量回收能力具有一定的限制；且再生制动力相对较小，所以当制动踏板行程进入纯再生制动阶段，分配其需求再生制动力为当前蓄能器压力下的最大再生制动力矩。

针对常用经济车速时不同制动踏板行程下的再生制动分析，制动踏板行程增大，其制动距离和制动时间减小，但回收的能量和能量回收率也降低；最大再生制动能量回收率为13.0%。

考虑发动机的拖转制动和行驶阻力的影响，针对不同挡位下的纯再生制动情况进行分析，可知挡位(初始车速)越低，蓄能器能量回收率越大，最高可达到22.8%。

因此，加入蓄能器后，重型车辆在频繁起停或下长坡制动时可将部分动能回收再利用，实现节能，同时也可降低对制动器的磨损，提高重型商用车的安全性，对于液压混合动力车辆节能研究具有重要的指导意义。

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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

*国家自然科学基金(51675214,51575221)和吉林大学研究生创新基金(2016083)资助。

宋大凤，副教授，E-mail:songdf@126.com。

原稿收到日期为2016年7月4日，修改稿收到日期为2016年9月26日。