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第 40卷 第 6期 吉 林 大 學(xué) 學(xué) 報 (工 學(xué) 版 ) Vol.40 No.6 2010年 11月 Journal of Jilin Universit y ( Engineering and Technology Edition ) Nov.2010 收稿日期 :2007 -11-23. 基金項目 :國家自然科學(xué)基金項目 (50875054);山東省自然科學(xué)基金項目 (ZR2009FL002).. 作者簡介 :劉濤 (1966 - ),男 ,副教授 .研究方向 :流體傳動與控制 .E-mail : liutao@hitwh.edu.cn 并聯(lián)式液壓混合動力車輛再生制動的影響因素 劉 濤 1 ,劉清河 1 ,姜繼海 2 ( 1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 汽車工程學(xué)院 ,山東 威海 264209 ; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院 ,哈爾濱 150001 ) 摘 要 :分析了并聯(lián)式液壓混合動力車輛制動過程的能量損耗 ,確定了液壓混合動力系統(tǒng)節(jié)能 研究的重要方向 。通過對比計算和仿真研究 ,分析了驅(qū)動方式 、運行工況 、扭矩耦合器傳動比 等因素對并聯(lián)式液壓混合動力車輛制動性能的影響 。結(jié)果表明 ,采用前軸驅(qū)動方式 ,適當增大 扭矩耦合器傳動比 ,合理地選擇液壓蓄能器容積和工作壓力有利于提高車輛在城市運行工況 下的再生制動性能 。 關(guān)鍵詞 :車輛工程 ;再生制動 ;仿真 ;液壓混合動力車輛 中圖分類號 : U491.5 文獻標志碼 : A 文章編號 : 1671-5497 ( 2010 ) 06-1473-05 Factors influencin g re g enerative brakin g of p aralel h y draulic h y brid vehicles LIU Tao 1 , LIU Qing-he 1 , JIANG Ji-hai 2 ( 1.School of Automobile Engineering , Harbin Institute of Technology , Weihai 264209 , China ; 2.School of Mechatronics Engineering , Harbin Institute of Technology , Harbin150001 , China ) Abstract : The energy losses in the paralel hydraulic hybrid vehicle ( PHHV ) during braking were analyzed and the magor directions of the energy-saving research for the hydraulic hybrid power system were derived.The effects of the driving mode , the driving cycle , the transmission ratio of torque coupler on the regenerative braking behavior of PHHV were studied by contrast calculation and simulation.The results showed that adopting the front wheel driving mode , increasing appropriately the transmission ratio of torque coupler and selecting reasonably the volume and working p ressure of hydraulic accumulator are helpful to improve the regenerative braking p erformance of PHHV , especialy under urban driving cycles. Key words : vehicle engineering ; regenerative braking ; simulation ; hydraulic hybrid vehicle ( HHV ) 相對于電動混合動力技術(shù) ,液壓混合動力技 術(shù)具有功率密度大 [1 -2 ] ,充放能量速度快 ,能量回 收效率高等特點 ,在工程機械行走裝置和軍用車 輛的驅(qū)動系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用 [3] 。 影響液壓混合動力車輛 ( HHV )動力系統(tǒng)的 因素十分復(fù)雜 [4 -5 ] 。本文分析了液壓混合動力車 輛制動過程的能量損耗 ,確定了液壓混合動力系 統(tǒng)節(jié)能研究的重要方向 ,重點分析了驅(qū)動方式 、循 環(huán)工況 、扭矩耦合器傳動比 、液壓蓄能器容積和工 作壓力等對再生制動的影響 ,試驗結(jié)果為并聯(lián)式 液壓混合動力車輛的研制和開發(fā)奠定了基礎(chǔ) 。 1 工作原理 并聯(lián)式液壓混合動力車輛 ( PHHV )主要由 吉 林 大 學(xué) 學(xué) 報 (工 學(xué) 版 ) 第 40 卷 發(fā)動機 、變速箱 、主減速器 、液壓蓄能器 、扭矩耦合 器和液壓泵 /馬達等組成 (見圖 1 )。 圖 1 并聯(lián)式液壓混合動力車輛工作原理圖 Fig.1 Configuration of PHHV 液壓再生系統(tǒng)由雙向變量泵 /馬達以及液壓 蓄能器和溢流閥等構(gòu)成 ,形成雙動力驅(qū)動 。在車 輛制動和下坡時 ,液壓泵 /馬達工作于泵工況 ,回 收車輛的制動能和位能 ,并將其存儲于高壓蓄能 器中 ;在車輛起動和加速時 ,液壓泵 /馬達工作于 馬達工況 ,利用回收的能量為車輛提供輔助功率 , 實現(xiàn)余能的再次利用 [6 -7 ] 。 2 再生制動過程能量損耗分析 液壓混合動力車輛的制動系統(tǒng)由液壓再生系 統(tǒng)和機械摩擦制動系統(tǒng)組成 ,再生制動對混合動 力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性 、排放性和行駛安全性有著 直接的影響 。在不同的制動初速度下 ,車輛再生 制動過程的能量回收與損耗如表 1 和表 2 所示 。 表 1 制動過程基本參數(shù) Table 1 Parameters during braking 序號 制動初速度 /( km · h -1 ) 減速度 /( m · s -2 ) 制動 時間 /s 制動動能 / MJ 可回收 能量 /MJ 1 36 0.78 12 0.700 0.529 2 36 1.65 6 0.700 0.615 3 50 0.90 15 1.35 1.056 4 50 1.71 8 1.35 1.195 表 2 再生制動能量消耗 Table 2 Consumed regenerative braking energy 序號 蓄能器壓 力 /MPa 車阻耗損 能量 /MJ 制動系統(tǒng) 能量耗損 / MJ 再生系統(tǒng) 能量耗損 / MJ 制動能回 收率 /% 1 30.7 0.170 0.000 0.102 61.03 2 27.8 0.085 0.208 0.081 46.51 3 35.0 0.294 0.351 0.141 41.78 4 29.6 0.156 0.707 0.097 28.86 不同制動工況下 ,車輛減速頻率不一樣 ,再生 能量占整個制動能量的比例也有很大的不同 。另 外 ,混合動力系統(tǒng)雖然具有能量回收的功能 ,但并 不是所有的制動能量都能回收 ,主要原因是 : ① 只 能從驅(qū)動輪處回收再生能量 ,并且制動強度大于 0.1 時 [6] ,摩擦制動系統(tǒng)參與工作 ; ② 受液壓蓄能 器的充放能效率 、液壓泵 /馬達效率的限制 ; ③ 車 輛在每次制動過程中由于初速度 、制動強度 、制動 時間不同 ,再生功率大小呈現(xiàn)很大差別 。 在各部分能量損耗中 ,液壓蓄能器和液壓泵 / 馬達等的能量損失主要與元件的工作性能有關(guān) , 而元件的工作性能受工作原理 、材料性能和加工 工藝的限制 。車阻的能量損耗與車輛的行駛速度 和整車重量有關(guān) ,由于技術(shù)相對比較成熟 ,提高的 幅度也比較有限 。因此 ,制動能的高效回收 、再生 能量的有效利用 、整車關(guān)鍵元件的優(yōu)化匹配是液 壓混合動力車輛節(jié)能研究的重要方向 。 3 再生制動的影響因素分析 3.1 驅(qū)動方式的影響 并聯(lián)式液壓混合動力車輛的部分驅(qū)動和制動 功能由液壓再生系統(tǒng)完成 ,液壓再生系統(tǒng)通過扭 矩耦合器與驅(qū)動橋前的傳動軸連接 。在制動工況 時 ,車輛的動能通過車輪傳遞到主減速器和扭矩 耦合器 ,然后帶動處于泵工況的液壓泵 /馬達進行 能量回收 。因此車輛的驅(qū)動模式對制動能的回收 和制動效果有著直接的影響 。制動過程中 ,車輛 的前軸軸荷增加而后軸軸荷減少 ,因此在配備相 同液壓再生系統(tǒng)的情況下 ,前軸驅(qū)動的液壓混合 動力車輛具有更大的制動能回收潛力 。前軸驅(qū)動 和后軸驅(qū)動對再生制動效果的影響如圖 2 所示 。 可見 ,前軸驅(qū)動的并聯(lián)式液壓混合動力車輛在制 動過程中能夠提供更大的再生制動轉(zhuǎn)矩 ,回收更 多的制動動能 ,因此節(jié)能效果更明顯 。 3.2 行駛工況的影響 混合動力系統(tǒng)的循環(huán)工況主要分為市區(qū)循環(huán) 工況和高速循環(huán)工況 。在市區(qū)循環(huán)工況下 ,車輛 平均車速低 ,負載需求轉(zhuǎn)矩較小 ,發(fā)動機經(jīng)常工作 在低效率區(qū)域 ;高速循環(huán)工況的平均車速高 ,負載 需求轉(zhuǎn)矩高 ,發(fā)動機經(jīng)常工作在高效率區(qū)域 [4] 。 行駛工況對并聯(lián)式液壓混合動力車輛制動能回收 效果的影響如表 3 所示 。 表 3 中 , 1015 表示零或近似零道路等級的市 區(qū)循環(huán) ; NYCC 表示紐約市區(qū)工況 ; UDDS 表示 · 4741 · 第 6 期 劉 濤 ,等 :并聯(lián)式液壓混合動力車輛再生制動的影響因素 ( a )前軸驅(qū)動 ( b )后軸驅(qū)動 圖 2 驅(qū)動方式對再生制動的影響 Fig.2 Influences of driven mode to regenerative braking 表 3 循環(huán)工況對車輛制動能回收效果的影響 Table 3 Influences of driving cycles to braking energy regeneration 循環(huán)工況 Vavg / ( km · h -1 ) Vmax / ( km · h -1 ) aavg / ( m · s -2 ) amax /( m · s -2 ) z≤0.1% εr% εv% 1015 22.7 70 0.57 / -0.65 0.8 / -0.8 96.2 68.49 21.77 NYCC 11.4 45 0.62 / -0.61 2.7 / -2.6 75.5 54.44 28.62 UDDS 31.5 91 0.51 / -0.58 1.48 / -1.48 74.5 43.18 13.05 HWFET 77.6 96 0.19 / -0.22 1.4 / -1.5 84.02 43.25 3.07 高速城郊行駛循環(huán) ; HWFET 為模擬車輛在高速 公路上行駛的情況 ; Vav g 為車輛平均速度 ; aav g 為 車輛平均加速度 ; amax 為車輛最大加速度 ; z 為制 動強度 。 εr 為制動能回收率 ,等于回收能量與制 動消耗總能量之比 ,反映回收能量占制動消耗總 能量的比例 ; εv 為能量回收率 ,等于回收能量與驅(qū) 動總能量之比 ??梢钥闯?,循環(huán)工況影響整車制 動能回收的主要因素為 : ① 在城市行駛工況中 ,制 動強度 z≤0.1 所占的比例大 ,整車制動強度越 低 ,則制動能回收率越高 。如 NYCC 行駛工況 下 ,制動能回收率達到了 68.49% 。 ② 整車制動 過程在行駛工況中所占的比例越大 ,整車制動能 回收的潛力越大 。在城市驅(qū)動循環(huán)下整車能量回 收率普遍超過 21.77% ,而在高速公路循環(huán)下 ,由 于車輛很少制動 ,能量回收率較低 ,如 HWFET 循環(huán) ,整車能量回收率僅為 3.07% 。 3.3 扭矩耦合器傳動比的影響 扭矩耦合器傳動比的設(shè)定對車輛制動能的回 收和液壓泵 /馬達的工作效率有著直接的影響 。 扭矩耦合器傳動比增大有助于在更大的功率范圍 內(nèi)回收制動能量 ,并且采用功率較小的發(fā)動機來減 少或消除內(nèi)燃機的怠速工況 ,從而達到提高車輛燃 油經(jīng)濟性和降低排放的目的 。扭矩耦合器傳動比 降低有助于提高液壓泵 /馬達的工作效率 ,但制動 能的回收會受到一定的影響 。扭矩耦合器傳動比 對液壓泵 /馬達的工作效率和制動能回收情況的影 響如圖 3 所示 ,圖中曲線上的數(shù)字為傳動比 。 ( a )制動能回收情況 ( b )液壓泵 /馬達工作效率 圖 3 再生制動中泵 /馬達的工作效率和能量回收 Fig.3 Instance of braking energy regeneration and work efficiency of hydraulic pump / motor during regenerative braking · 5741 · 吉 林 大 學(xué) 學(xué) 報 (工 學(xué) 版 ) 第 40 卷 由仿真結(jié)果可見 ,隨著傳動比的增加 ,制動動 能的回收能力逐漸提高 ,但液壓泵 /馬達的工作效 率稍微降低 。當傳動比達到理想值 (如 3.0 )后 , 隨著傳動比值的繼續(xù)增加 ,制動能的回收率基本 保持不變 ,但液壓泵 /馬達的工作效率則繼續(xù)降 低 。因此 ,當傳動比為 3.0 時是扭矩耦合器一檔 傳動比的最佳值 。 3.4 液壓蓄能器容積和工作壓力的影響 并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)利用液壓蓄能器儲 存回收的能量和提供可重新利用的能量 。在蓄能 器回收和釋放能量的過程中 ,液壓蓄能器的容積 、 工作壓力將直接影響系統(tǒng)的各方面性能 。圖 4 為 ( a )容積對驅(qū)動性能的影響 ( b )容積對制動的影響 ( c )工作壓力對系統(tǒng)的影響 圖 4 蓄能器工作壓力和容積對系統(tǒng)再生制動力的影響 Fig.4 Influence of accumulator pressure and cubage to system 液壓蓄能器的容積和工作壓力對車輛再生制動的 影響 ,圖 5 為蓄能器容積對制動能回收效果的影 響 。 圖 5 蓄能器容積對系統(tǒng)制動能回收的影響 Fig.5 Influence of accumulator cubage to braking energy regeneration 由仿真結(jié)果可見 :在液壓蓄能器最高壓力一 定的情況下 ,液壓蓄能器容量越大 ,單獨驅(qū)動車輛 起動行駛的能力越強 ;在液壓蓄能器容積一定的 情況下 ,液壓蓄能器的最高工作壓力越高 ,單獨驅(qū) 動車輛起動行駛的能力越強 ;在液壓蓄能器最低 工作壓力一定時 ,液壓蓄能器的容量越大 ,系統(tǒng)壓 力在回收能量的過程中變化幅度越小 ,系統(tǒng)的能 量回收能力越強 ;采用大容積的液壓蓄能器 ,系統(tǒng) 的制動能回收率明顯提高 ,但蓄能器的容積達到 一定值后 (如 50L ),制動能的回收率基本保持不 變 。 3.5 再生制動策略的影響 液壓泵 /馬達的制動力為 FP/M= TP/Mi0i g η r r ( 1 ) 式中 : TP/M 為液壓泵 /馬達的制動轉(zhuǎn)矩 ; i0 為主減 速器減速比 ; i g 為扭矩耦合器變速比 ; η r 為傳動 系效率 ; r 為輪胎滾動半徑 。 液壓泵 /馬達單獨制動時的整車制動強度為 z= FP/M G ( 2 ) 式中 : G 為整車重量 。 城市運行工況下的計算結(jié)果表明 ,整車基本 上屬于低強度制動 ( z≤0.3 ),其中制動強度 z≤ 0.1 的情況占 74% 以上 ,因此在城市循環(huán)工況下 可以充分利用液壓泵 /馬達實現(xiàn)再生制動 。 混合動力車輛滿載和空載的重量相差很大 , 并且滿載情況下車輛的最大制動強度受到一定的 限制 。因此液壓泵 /馬達單獨制動時的制動強度 · 6741 · 第 6 期 劉 濤 ,等 :并聯(lián)式液壓混合動力車輛再生制動的影響因素 設(shè)定值應(yīng)適當降低 。圖 6 和圖 7 分別為液壓泵 / 馬達單獨制動時的制動強度設(shè)定值變化和保持不 變時的仿真曲線 。 空載時保持制動強度設(shè)定值不變時 ,前軸的 液壓再生制動力和后軸的摩擦制動力按照制動力 分配曲線進行分配 ,即使液壓泵 /馬達具備單獨制 動車輛的能力 ,后軸摩擦制動系統(tǒng)也要參與工作 , 圖 6 制動強度設(shè)定值變化的仿真曲線 Fig.6 Simulation curves under variety braking intensity 圖 7 制動強度設(shè)定值不變的仿真曲線 Fig.7 Simulation curves under aptotic braking intensity 因此制動能回收率不高 (液壓蓄能器最高壓力達 32MPa );空載時增大制動強度設(shè)定值 ,液壓泵 / 馬達單獨制動車輛 ,后軸的摩擦制動系統(tǒng)不參加 工作 ,前軸摩擦制動系統(tǒng)提供剩余的制動轉(zhuǎn)矩 ,液 壓再生系統(tǒng)可更多地回收車輛的制動動能 (液壓 蓄能器最高壓力達 35MPa )。因此根據(jù)車輛滿載 和空載工況 ,適當?shù)馗淖円簤罕?/馬達單獨制動的 制動強度設(shè)定值 ,可在保證安全制動的前提下 ,回 收盡可能多的車輛制動動能 。 4 結(jié)束語 對并聯(lián)式液壓混合動力車輛制動過程的能量 消耗進行了分析 ,找出了提高車輛性能的研究方 向 ,具體分析了驅(qū)動方式 、運行工況的特性 、扭矩 耦合器傳動比等因素對車輛再生制動性能的影 響 ,計算和仿真結(jié)果表明 :采用前軸驅(qū)動方式 ,適 當增大扭矩耦合器傳動比 ,合理地選擇液壓蓄能 器容積和工作壓力有利于提高車輛在城市運行工 況下的制動能回收率 。 參考文獻 : [ 1 ] Kim Y J , Filipi Z.Simulation study of a series hy- draulic hybrid propulsion system for a light truck [ C ] ∥SAE Paper , 2007-01-4151. 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