轮边驱动液压混合动力车辆能量回收系统性能研究

2019-10-17

液压与气动 2019年10期

(陆军工程大学野战工程学院，江苏南京 210007)

引言

某轮边驱动液压混合动力车辆系统布置如图1所示，由柴油机、恒压变量泵、高压蓄能器、低压蓄能器(代替油箱)、变量液压泵/马达、车轮、换向阀和控制系统等组成。

柴油机直接驱动恒压变量泵，通过调节排量维持系统压力恒定，柴油机工作状态基本独立于外界负载，可以工作在燃油经济性较高的区域内。每个车轮均由1个可在四象限工作的液压泵/马达独立驱动[1-3]。在驱动阶段，液压泵/马达处于“马达”状态，将压力能转换为机械能，驱动车轮使车辆前进，调节其排量可实现汽车的无极调速；在制动阶段，液压泵/马达处于“泵”状态，将车辆的动能转换为蓄能器的压力能，回收制动能量，以在驱动阶段重新利用，有效减少发动机功率的损失。

图1 轮边驱动液压混合动力车辆系统布置图

能量回收系统的主要元件包括蓄能器、液压泵/马达等，其参数配置对系统性能有很大影响[4-5]。近年来，许多学者基于建立的回收系统仿真模型，探究了并联式混合动力系统可变参数对能量回收利用的影响，通过仿真得到了系统参数配置的基本规律[6-9]。更进一步的，采用模拟退火算法、遗传算法、混合生物地理学HBBO算法等对串联式液压混合动力车辆的蓄能器容积、液压泵/马达排量等参数进行了优化，经参数优化后，可实现燃油经济性提升7%以上[10-12]。

针对某轮边驱动液压混合动力车辆系统的具体情况，以原型车的1/4为基础，搭建了试验台架(采用油箱代替低压蓄能器)，针对试验台架开展仿真研究，并进行试验验证。在AMESim上搭建的液压系统回路如图2所示。回路由电机(代替内燃机)、恒压变量泵、蓄能器、变量液压泵/马达、惯性飞轮等组成，以惯性飞轮模拟车辆行驶的转动惯量，暂不考虑地面附着率的影响。采用控制变量法，探究蓄能器容积大小、蓄能器最低工作压力、液压泵/马达排量、制动初速度等参数对能量回收率的单独影响规律，为下一步参数匹配以及实车应用打下基础。

图2 1/4车辆液压系统回路图

1 影响能量回收性能主要元件参数

1.1 二次元件液压泵/马达

车辆行驶中，液压泵/马达输出功率为：

Pp/m=Tp/mωp/m

(1)

式中，Tp/m—— 液压泵/马达输出转矩

ωp/m—— 液压泵/马达的转速

液压泵/马达驱动车辆行驶时，工作在“马达”工况，此时，马达最小输出功率应满足车辆以巡航速度在平直的路面上行驶，最大功率需满足车辆以最大速度行驶及以一定速度爬坡行驶的功率需求[13]，即：

(2)

(Pp/m)max=max(pp/m1，pp/m2)

(3)

式中，vavg—— 巡航车速

vslop—— 上坡速度

m—— 车辆总质量

CD—— 风阻系数

A—— 迎风面积

f—— 路面滚动阻力系数

α—— 道路坡度角

(4)

(5)

在车辆制动时，液压泵/马达工作在“泵”工况，此时，可提供的液压制动转矩为[14]：

(6)

式中，Δp—— 液压泵进出口压力差

Vp/m—— 液压泵/马达的排量

1.2 蓄能器

气囊式液压蓄能器工作过程中，可把工作介质(氮气)视为一个独立的热力学系统，蓄能器即通过该热力学过程与外界进行能量传递和转化。

根据气体定律之多变过程有[15]：

p0V0=p1V1=C

(7)

式中，p0,p1—— 分别为液压蓄能器预充氮气压力和最低工作压力

V0,V1—— 分别为p0,p1压力对应的气体体积

n—— 气体多变指数，取1.2

C—— 常数，由气体的种类、质量和温度决定

本研究所采用的蓄能器容积-压力曲线如图3所示。

图3 容积-压力曲线

由混合动力车辆的工作原理可知，蓄能器最低工作压力应该低于恒压网络的系统压力，最高工作压力应低于液压泵/马达所允许的最高工作压力，即：

pacc_

(8)

pacc_≤pmax

(9)

式中，pconst—— 恒压网络的系统压力

pmax—— 液压泵/马达允许的最高压力

蓄能器容积的确定应以回收车辆在巡航速度下的动能为准：

E1≥E2

(10)

同时可得，系统的能量回收率:

(11)

由式E1及图3易得，蓄能器回收的能量即曲线积分，并且蓄能器最低工作压力越大，回收相同的能量，蓄能器压力上升的幅度越大。

2 能量回收性能仿真研究

2.1 仿真模型构建

针对1/4车辆试验台架，基于AMESim软件建立的系统仿真模型以及参数设置见图2和表1。仿真中忽略泄漏因素。

2.2 仿真结果分析

针对车辆制动能回收过程，采用控制变量法研究蓄能器容积大小、蓄能器最低工作压力、液压泵/马达排量、制动初速度等参数对系统能量回收的影响，所设计的仿真工况如表2所示。仿真中，设定飞轮以某一速度(840 r/min)开始制动，仿真时间为30 s，为增强结果可视化，后期处理截取主要的时间段。测得的不同仿真工况下的惯性飞轮转速、蓄能器压力、液压泵/马达转矩变化如图4～图7。

表1 仿真参数设定

图4 不同蓄能器容积对应的各参数变化

图4为工况1条件下得到的不同蓄能器容积对应的各参数变化曲线。由图可知，蓄能器容积越小，制动时间越短，这是因为在充压过程中蓄能器变为能量回收系统的负载，蓄能器容积越小，充压过程中系统压力上升的幅度越大，液压泵/马达所提供的制动转矩比较大，如图4c所示。同时在上述条件下，溢流阀均未出现溢流，但是压力上升幅度越大，越容易达到系统溢流压力上限，不利于制动能量的回收。因此，在满足制动性能要求的条件下，选择容积大的蓄能器有利于充分回收制动能量。

表2 仿真工况

图5 不同蓄能器最低工作压力对应的各参数变化

图5为工况2条件下得到的不同蓄能器最低工作压力对应的各参数变化曲线。由图可知，蓄能器最低工作压力越大，液压泵所提供的制动转矩越大，制动时间也越短，与理论分析相一致，但是最低工作压力越大，蓄能器稳定压力也越大，不利于充分回收制动能量。因此，在满足制动性能要求的条件下，蓄能器最低工作压力越低，制动能量回收的越多。

图6为工况3条件下不同液压泵/马达排量对应的各参数变化曲线。由图可知，液压泵/马达排量越大，制动转矩越大，所需制动时间越短，并且排量对制动性能的影响比较大。同时，排量越大，稳定压力越高，这是由于大排量对应的液压泵/马达效率比较高，但是不同排量下的蓄能器稳定压力差别很小。因此，液压泵/马达的排量对制动性能影响比较大，而对能量回收率影响比较小。

图6 不同液压泵/马达排量对应的各参数变化

图7为工况4条件下不同飞轮制动初速度对应的各参数变化曲线。由图可知，制动初速度越大，蓄能器压力上升的幅度越大，所需制动时间越长，制动转矩也明显增加，并且随着制动初速度增加，蓄能器压力上升的幅度差异也越来越大，这与图3所得的理论结果保持一致。

图7 不同制动初速度对应的各参数变化

3 能量回收性能试验验证

试验台架如图8所示，由储能电机(代替内燃机)、恒压变量泵、高压蓄能器、电控比例变量液压泵/马达、磁粉制动器(模拟负载)、飞轮(飞轮的转动惯量模拟车辆的转动惯量)以及控制系统等组成。通过调节回路压力以及蓄能器出口的二位二通阀来设定不同蓄能器最低工作压力，使用上位机软件CCS上的参数设置窗口(45～5)线性对应电控比例变量液压泵/马达实际排量(0～180 mL/r)，从而实现排量的调节。

试验所采用的工况及参数设置与仿真一致，不同的是试验中需要先对蓄能器充压，并驱动飞轮到840 r/min，开始制动至飞轮转速降为0，停止采集数据。图9～图11分别为不同蓄能器最低工作压力、不同液压泵/马达排量、不同制动初速度下测得的蓄能器压力、惯性飞轮转速曲线图。对比仿真结果可以看出，试验结果与仿真存在一定的误差，原因在于仿真中未考虑系统各部分的泄漏情况，但是所得到的参数对系统影响的基本规律与仿真结果保持一致。

图8 试验台架

图9 不同蓄能器最低工作压力对应的各参数变化

图9为不同蓄能器最低工作压力对应的各参数变化曲线，可以看出，不同蓄能器最低工作压力下，蓄能器压力上升的幅度不同；并且最低工作压力越大，回收相同的能量，蓄能器压力上升的幅度也越大，即低蓄能器压力对应的能量密度比较大，与图3的理论结果以及仿真结果保持一致。

图10为不同液压泵/马达排量对应的各参数变化曲线，可以看出，不同排量对应的制动时间差别很大，与仿真结果一致。并且液压泵/马达在全开口(180 mL/r)下的蓄能器压力变化幅度与非全开口(90，120，150 mL/r)下的蓄能器压力变化情况差别比较大，与仿真结果有一定差距，这是由于仿真未能很好地模拟实际液压泵/马达的排量-效率变化曲线。

图10 不同液压泵/马达排量对应的各参数变化

图11为不同飞轮制动初速度对应的各参数变化曲线。由于试验条件限制，图11a中拐点是由于先对蓄能器充压，待蓄能器压力稳定至初始压力(18 MPa)再开始制动所引起的，图11b中先将飞轮加速至对应转速再开始制动。可以看出，不同制动初速度下，飞轮制动加速度大小基本一致，并且，初速度越大，蓄能器压力上升的幅度也越大，与仿真结果保持一致。