胡萬強(qiáng)

(許昌學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院，河南許昌 461000)

0 前言

隨著環(huán)境污染的加劇以及能源價(jià)格的上漲，汽車的能量回收問題變得越來越緊迫。近年來，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)均加快了對(duì)汽車能量回收系統(tǒng)的研究與開發(fā)[1-3]。國(guó)內(nèi)外的研究主要針對(duì)液壓混合動(dòng)力，而忽略了液壓-氣壓能量回收技術(shù)。氣動(dòng)增壓技術(shù)通過制動(dòng)產(chǎn)生壓縮空氣，并將其注入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管，從而提高進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣壓力，進(jìn)而發(fā)動(dòng)機(jī)通過控制器增加燃油噴射量，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)，提升扭矩，改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，研究汽車液壓-氣壓能量回收系統(tǒng)，對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化研究、減小汽車后軸傳動(dòng)比等有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

因此，本文作者研究液壓-氣動(dòng)混合動(dòng)力車輛的再生制動(dòng)和推進(jìn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)相應(yīng)的液壓-氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，制定合理的制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)模式能量回收再生管理控制策略。利用組合參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證車輛節(jié)能減排效果，進(jìn)而為液壓-氣動(dòng)混合動(dòng)力車輛系統(tǒng)開發(fā)提供理論指導(dǎo)和分析依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為所設(shè)計(jì)的車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)原理，分為液壓子系統(tǒng)、氣壓子系統(tǒng)。液壓子系統(tǒng)包括泵/馬達(dá)5、比例換向閥6、液壓傳感器7、液壓系統(tǒng)安全閥8、換向閥9、單向節(jié)流閥10、低壓蓄能器11、高壓蓄能器12、馬達(dá)13、液壓?jiǎn)蜗蜷y14、油箱15；氣壓子系統(tǒng)包括空壓機(jī)16、氣壓?jiǎn)蜗蜷y17、氣壓系統(tǒng)安全閥18、氣壓傳感器19、儲(chǔ)氣罐20、減壓閥21。減壓閥21通過相應(yīng)裝置分別與發(fā)動(dòng)機(jī)1及輔助系統(tǒng)連接?？刂葡到y(tǒng)22控制整個(gè)系統(tǒng)中混合傳動(dòng)離合器2的開合，比例換向閥6及換向閥9閥口開合大小，低壓蓄能器11與高壓蓄能器12壓力控制，液壓傳感器7、氣壓傳感器19信號(hào)采集等。

圖1 重型汽車混合動(dòng)力系統(tǒng)原理

控制方法包括停車制動(dòng)能量回收控制模式、車輛下坡行駛過程能量回收控制模式、車輛下坡控制策略、啟動(dòng)控制模式等。如停車制動(dòng)能量回收控制模式為：電磁鐵2YA得電，換向閥9左位工作，車輪4通過混合傳動(dòng)離合器2驅(qū)動(dòng)泵/馬達(dá)5轉(zhuǎn)動(dòng)，油液從油箱15、泵/馬達(dá)5、換向閥9油口A、單向節(jié)流閥10進(jìn)入低壓蓄能器11進(jìn)行再生制動(dòng)蓄能，如低壓蓄能器11內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定的最高壓力值，則油液進(jìn)入高壓蓄能器12進(jìn)行再生制動(dòng)蓄能。如高壓蓄能器12壓力達(dá)到設(shè)定上限值，電磁鐵2YA失電，控制系統(tǒng)22控制馬達(dá)13的調(diào)節(jié)器，使油液驅(qū)動(dòng)馬達(dá)13帶動(dòng)空壓機(jī)16轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生壓縮空氣，壓縮空氣通過氣壓?jiǎn)蜗蜷y17進(jìn)入儲(chǔ)氣罐20進(jìn)行儲(chǔ)存。

2 系統(tǒng)建模

2.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

車體由底盤、拖車和貨物3個(gè)組成部分，根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，車輛力學(xué)公式[4]為

(1)

(2)

在分析再生制動(dòng)時(shí)，假設(shè)變速箱連接到發(fā)動(dòng)機(jī)之間的離合器是解耦的，液壓裝置的離合器將液壓泵連接到車輪，而不使用摩擦剎車，因此JICE=0。

氣動(dòng)阻力損失和滾動(dòng)摩擦損失數(shù)學(xué)模型分別為

(3)

FR=mvgCRcosaroad

(4)

式中：Af為車輛正面區(qū)域；ρa(bǔ)ir為空氣密度；CDA為空氣阻力系數(shù)；CR為滾動(dòng)摩擦因數(shù)；aroad為道路斜角。

重力在車輛運(yùn)動(dòng)方向上的分量：

FG=mvgsinaroad

(5)

制動(dòng)時(shí)，液壓泵/馬達(dá)工作在泵工況，液壓油液從低壓蓄能器傳至高壓蓄能器，再生制動(dòng)力[5]為

(6)

式中：iH為靜壓系統(tǒng)傳輸比率；τp為泵扭矩；ηmp為泵/馬達(dá)機(jī)械效率。

車輛總能量是守恒的，通過牛頓第二定律可得：

(7)

式中：PML為車輛因空氣阻力和機(jī)械損耗所消耗的功率；PRB為再生制動(dòng)時(shí)吸收功率；g為重力加速度。從式(6)可知，用于再生制動(dòng)PRB的功率與車輛動(dòng)能和勢(shì)能的變化相對(duì)應(yīng)，因此，車輛所釋放的能量為

(8)

可用于回收的能量ERB為

(9)

2.2 液壓子系統(tǒng)

泵和馬達(dá)的角動(dòng)量守恒[6]，可以表示為

(10)

(11)

式中：Jp為泵慣性負(fù)載；Jeq(m/c)為馬達(dá)和壓縮機(jī)慣性負(fù)載；τc為壓縮機(jī)所需扭矩；Bc為黏性摩擦系數(shù)；Cf/c為庫(kù)侖摩擦系數(shù)；τH為混合系統(tǒng)變速箱出口扭矩，其計(jì)算式為

(12)

式中：τw為車輪產(chǎn)生的扭矩；ηmv為傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械效率。泵和馬達(dá)的扭矩分別為

τp=DpεpΔp+Cv/pμDpωp+Cf/pDpΔp

(13)

τm=DmεmΔp+Cv/mμDmωm-Cf/mDmΔp

(14)

式中：Cv/(p/m)為黏性摩擦系數(shù)；Cf/(p/m)為泵或馬達(dá)庫(kù)侖摩擦系數(shù)。

將連續(xù)性方程用于描述泵和馬達(dá)之間液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，忽略管道和配件的壓力損失，可得出：

(15)

式中：qp、qm、qac、qrelief、qpV分別為泵、馬達(dá)、蓄能器、液壓系統(tǒng)安全閥和比例換向閥的流量；Vh為等效液壓體積；ph為液體壓力。

泵出口和馬達(dá)入口流體的體積流量：

(16)

(17)

式中：εp/m為體積排量比，即實(shí)際體積排量與泵或馬達(dá)最大體積排量比率；Dp/m為泵或馬達(dá)實(shí)際體積排量；ωp/m為泵或馬達(dá)角速度；Δp為壓力差(對(duì)泵而言，為出口壓力減去進(jìn)口壓力；對(duì)馬達(dá)而言，為進(jìn)口壓力減去出口壓力)；μ為動(dòng)力黏度；Cs/(p/m)為泄漏系數(shù)；βe為液體體積模量。

比例換向閥6為電液比例插裝閥，用于控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速，通過閥口的流量方程可用下式表示[7]：

(18)

式中：KV1為閥流量系數(shù)；ph、pLP分別為閥進(jìn)、出口壓力；U1為線圈輸入電壓；Un為線圈額定輸入電壓。

2.3 氣壓子系統(tǒng)

氣動(dòng)系統(tǒng)的核心是儲(chǔ)氣罐和空氣壓縮機(jī)。在氣動(dòng)系統(tǒng)建模中，假設(shè)壓縮空氣遵循理想氣體狀態(tài)方程：

pairVR=mairRairTair

(19)

式中：VR為儲(chǔ)氣罐容積；Tair、pair、mair、Rair分別為儲(chǔ)氣罐內(nèi)空氣的溫度、壓力、質(zhì)量和通用氣體常數(shù)。

結(jié)合連續(xù)性方程和狀態(tài)方程，儲(chǔ)氣罐氣體溫度方程[7]為

(20)

式中：qm2、qm3分別為儲(chǔ)氣罐進(jìn)、出口質(zhì)量流率；cp為恒壓條件下比熱容；cv為恒定體積下比熱容；dp2、dp3分別為進(jìn)、出口內(nèi)管直徑；QRES為從儲(chǔ)氣罐內(nèi)的空氣到周圍環(huán)境的熱傳遞速率。

空壓機(jī)吸收的功率[8]為

(21)

式中：kc為多變系數(shù)；Nc為階數(shù)；T1為進(jìn)氣度；p1、p2分別為空壓機(jī)進(jìn)、出口壓力；空壓機(jī)質(zhì)量流量qm，air=Dcωcηvcρ1，Dc為體積排量，ωc為空壓機(jī)角速度，ρ1為進(jìn)口處空氣密度，ηvc為容積效率。

整個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)元件的效率被定義為出口和入口能量之間的關(guān)系，因此液壓泵/馬達(dá)、空壓機(jī)、蓄能器、儲(chǔ)氣罐的效率依次為

(22)

式中：Ep·∈為泵/馬達(dá)輸出的機(jī)械能；Ep，out為泵出口處液壓能量；Em，∈為馬達(dá)入口處液壓能量；Em，out為馬達(dá)軸輸入機(jī)械能；Ec·∈為空壓機(jī)軸輸入機(jī)械能；Ec，out為空壓機(jī)出口處氣體能量；Eacc·∈為蓄能器入口處液壓能量；Eacc為蓄能器內(nèi)儲(chǔ)存能量；Eair為儲(chǔ)氣罐內(nèi)儲(chǔ)存能量。

因此，液壓子系統(tǒng)總效率ηH,T=(Eacc+Em,out)/Ep·∈，氣壓子系統(tǒng)總效率為ηP，T=Eair/Ec·∈。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

圖2為用于驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置[9]，將相應(yīng)參數(shù)代入后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和在實(shí)驗(yàn)裝置上驗(yàn)證，結(jié)果如圖3—4所示。圖3為液壓系統(tǒng)安全閥關(guān)閉時(shí)，泵/馬達(dá)在3種不同情況下流量對(duì)比效果?？梢钥闯觯悍抡媲€和實(shí)驗(yàn)曲線重合性很好，說明文中所設(shè)計(jì)方案是科學(xué)合理的。圖4為空壓機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，儲(chǔ)氣罐充氣過程中氣壓系統(tǒng)壓力對(duì)比效果?？梢钥闯觯悍抡媲€和實(shí)驗(yàn)曲線一致性很好，均從0.5 MPa增加到約9 MPa，兩條曲線微小差異是由恒定多變指數(shù)和實(shí)驗(yàn)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速偏差引起的。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 液壓泵實(shí)驗(yàn)和模擬體積流量響應(yīng)比較

圖4 氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和模擬氣壓響應(yīng)比較

為了驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)方案性能，實(shí)驗(yàn)裝置在模擬制動(dòng)情況下，飛輪(代替模擬車輛)轉(zhuǎn)速?gòu)?0 km/h減為0時(shí)相關(guān)參數(shù)模擬效果如圖5—9所示。從圖5可知，車輛完全停止大約需要21.2 s。由圖6可知，在制動(dòng)過程中，蓄能器中的壓力近似線性增加，當(dāng)蓄能器內(nèi)的壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值32.5 MPa時(shí)，液壓馬達(dá)以3 000 r/ min啟動(dòng)，并開始給儲(chǔ)氣罐充氣，將蓄能器完全增壓至34 MPa大約需要14.8 s。由圖8可知，在21.2 s時(shí)儲(chǔ)氣罐存儲(chǔ)能量達(dá)到最大值123 kJ。由圖9可知，在14.8 s時(shí)蓄能器存儲(chǔ)能量達(dá)到最大值630 kJ。根據(jù)仿真結(jié)果可知，飛輪釋放能量為1 293 kJ，系統(tǒng)回收能量1 095 kJ，回收率為84.7%。液壓系統(tǒng)存儲(chǔ)效率為630÷1 095×100%=57.6%，氣壓系統(tǒng)存儲(chǔ)效率為123÷1 095×100%=11.2%，混合動(dòng)力系統(tǒng)存儲(chǔ)效率為57.6%+11.2%=68.8%。

圖6 制動(dòng)時(shí)蓄能器中壓力值

圖7 制動(dòng)時(shí)儲(chǔ)氣罐中壓力值

圖8 制動(dòng)時(shí)儲(chǔ)氣罐中能量變化曲線

圖9 制動(dòng)時(shí)蓄能器中能量變化曲線

4 結(jié)論

在主要針對(duì)液壓混合能量再生問題進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了一種用于車輛的液壓-氣壓能量再生系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由液壓子系統(tǒng)、氣壓子系統(tǒng)等組成。當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)液壓子系統(tǒng)的蓄能器儲(chǔ)存能量，由泵/馬達(dá)帶動(dòng)氣壓子系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，壓縮空氣注入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)，提升扭矩，改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。從仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，文中所設(shè)計(jì)方案在制動(dòng)過程中對(duì)系統(tǒng)能量回收率可達(dá)84.7%，從而驗(yàn)證了所采用數(shù)學(xué)模型的有效性，控制方案設(shè)計(jì)的科學(xué)性。不足之處是受現(xiàn)實(shí)條件所限，系統(tǒng)以飛輪替代實(shí)際旋轉(zhuǎn)負(fù)載，沒有在實(shí)際中進(jìn)行有效驗(yàn)證。