液驅(qū)混合動力車輛制動能量回收仿真分析

液驅(qū)混合動力車輛制動能量回收仿真分析

混合動力車輛比傳統(tǒng)動態(tài)車輛差兩個主要體現(xiàn)在以下兩個方面：車輛負(fù)荷和車輛噪聲的解決方案；在動態(tài)激勵引導(dǎo)過程中，車輛的動能（稱為動態(tài)能量）可以得到有效的恢復(fù)，這非常重要。動態(tài)能量回收過程中的能量損失、能量回收和動態(tài)性能的研究非常重要。本文不考慮車輛常規(guī)制動系統(tǒng),假設(shè)車輛在低制動強度下制動,深入研究液驅(qū)混合動力車輛的制動能量回收過程,建立數(shù)學(xué)模型,定義制動過程評價參數(shù).對制動過程中能量的損耗、能量回收和制動性能進(jìn)行研究,對主要設(shè)計參數(shù)對評價參數(shù)的影響進(jìn)行分析.1能量損耗分析液驅(qū)混合動力車輛的制動能量回收主要由雙向變量馬達(dá)以及液壓管路、蓄能器和溢流閥等構(gòu)成的液壓系統(tǒng)完成.當(dāng)車輛制動時,雙向變量馬達(dá)以泵工況模式工作,輸出的高壓油經(jīng)液壓管路進(jìn)入蓄能器,轉(zhuǎn)化為液壓能儲存在液壓蓄能器內(nèi),溢流閥用來限定系統(tǒng)的最大工作壓力.在制動能回收的過程中,液壓系統(tǒng)的能量損耗主要包括蓄能器損失、流動阻力損失、液壓馬達(dá)損失、車輛阻力損失和溢流損失等,影響制動能量回收效率.混合動力汽車的能量消耗分析是通過對制動能量回收過程中的各部分的損耗功率進(jìn)行積分計算得到,且建立在傳動系之間功率流的基礎(chǔ)之上.圖1中,F,v分別為車輛制動過程中的行駛阻力和車輛速度;n,T分別為雙向變量馬達(dá)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速;pm,qm分別為雙向變量馬達(dá)的輸出壓力和流量;pa,qa分別為蓄能器的壓力和輸出流量;pr,qr分別為通過溢流閥的壓力和流量.1.1u2a+mgf在制動過程中,車輛動能仍有一部分用于克服車輛行駛阻力,為F=Fw+Ff=CDA21.15u2a+mgf(1)式中:Fw為空氣阻力;Ff為滾動阻力;CD為空氣阻力系數(shù);A為車輛迎風(fēng)面積;ua為車輛速度;m為汽車質(zhì)量;f為滾動阻力系數(shù).空氣阻力和滾動阻力消耗車輛的動能,其能量損耗為Wmf=∫t0Fua3.6dt=∫t0(Fw+Ff)ua3.6dt(2)1.2雙向變量傳感器1.2.1機械阻力系數(shù)cs在回收制動能時,雙向變量馬達(dá)作為泵工況工作.其容積效率ηV和機械效率ηt可表達(dá)為以下形式:ηV=1-CsΔpmμn1β(3)ηt=11+CV(μnΔpm)(1β)+Cf(1β)+(2πΤcΔpmQm)(1β)(4)式(3),(4)中:Cs為層流泄漏系數(shù);Δpm為進(jìn)出口壓差;μ為油液動力黏度;n為馬達(dá)轉(zhuǎn)速;β為排量比,β=Q/Qm,Q為馬達(dá)的工作排量,Qm為變量馬達(dá)最大排量;CV為層流阻力系數(shù);Cf為機械阻力系數(shù);Tc為轉(zhuǎn)矩?fù)p失.1.2.2馬達(dá)輸出軸處的轉(zhuǎn)動慣量雙向液壓變量馬達(dá)輸出軸的力矩平衡方程如下:QΔpm2πηt=Jdωdt+RΗω+ΜL(5)式中:J為馬達(dá)轉(zhuǎn)動慣量和外界負(fù)載質(zhì)量換算成馬達(dá)輸出軸處的轉(zhuǎn)動慣量之和;RH為轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù);ω為馬達(dá)輸出角速度;ML為負(fù)載轉(zhuǎn)矩.則得到雙向變量馬達(dá)及其輸出軸的能量損耗之和為Wms=∫t0[QΔpm2π(1-ηoηt)+RΗω]ωdt(6)式中:ηo為雙向液壓變量馬達(dá)作為泵工況時的總效率,且有ηo=ηVηt.關(guān)系式(3)和(4)中的相關(guān)系數(shù)根據(jù)實際馬達(dá)的效率測試值,通過數(shù)據(jù)擬合得到.1.3蓄能器出口出口模擬蓄能器的能量損失包括散熱損失和流動損失.其流動損失主要與蓄能器連接管路的長度、直徑等有關(guān)系.模型中將連接管路從蓄能器獨立出來,視為主管路的一部分,對蓄能器僅計算其散熱損失.1.3.1蓄能器氣體體積在制動過程中液壓蓄能器貯存的能量為Er=∫V2V1pdV=∫V2V1p0(V0V)ndV(7)式中:Er為蓄能器吸收的能量;V1,V2分別為蓄能器工作過程始末狀態(tài)下對應(yīng)的氣體體積;p,V分別為蓄能器氣囊內(nèi)氣體的壓力及對應(yīng)的氣體體積;p0,V0分別為蓄能器充氣壓力及對應(yīng)的氣體體積;n為氣體多變指數(shù).1.3.2蓄能器雙向壓力(ps-p)A2a=madqadt+Baqa(8)式中:ps為蓄能器連接管路內(nèi)油液壓力;Aa為折算到蓄能器油液腔的截面積;ma為折算到蓄能器蓄能腔的液體當(dāng)量質(zhì)量;Ba為蓄能器的當(dāng)量阻尼系數(shù);qa為油液流量.1.3.3氣體可變指數(shù)液壓蓄能器內(nèi)氣體變化的熱力過程介于等溫過程(過程進(jìn)行極慢)與絕熱過程(過程進(jìn)行極快)之間.在以往的建模中,將制動過程視為絕熱過程,忽略了流速的變化,使建模不太準(zhǔn)確.氣體變化的熱力過程主要由多變指數(shù)來表示,而多變指數(shù)則視為與液壓蓄能器內(nèi)氣體體積變化率相關(guān)的變量.設(shè)定流過液壓蓄能器連接管路最大流量為qmax.則當(dāng)流量為qa時,氣體多變指數(shù)的取值為n=0.4qmaxqa+1(9)1.3.4蓄能器v0v溫度傳導(dǎo)下氣動能量由式(1)和式(2)可知,考慮散熱損失,制動能量回收過程中,蓄能器實際吸收的能量為Er=∫V2V1p0(V0V)ndV=∫V2V1p0(V0V)0.4qmaxqa+1dV(10)而不考慮熱損失,氣體在絕熱條件下工作,n=1.4,此時蓄能器吸收的能量為E=∫V2V1p0(V0V)ndV=∫V2V1p0(V0V)1.4dV=p0V00.4[(p2p0)0.41.4-(p1p0)0.41.4](11)從而得到蓄能器的散熱損失為ΔE=E-Er(12)1.4壓力損失的計算流動損失主要包括直管流動時的沿程壓力損失以及管路的接頭、彎頭、濾清器等處的局部壓力損失.此處將彎頭等處的局部壓力損失用等效直管長度來代替,只需要考慮沿程壓力損失.任意2個系統(tǒng)元件間的壓力損失可表示為ΔpL=ρfLLeffq2L2DA2(13)式中:ρ為液壓油密度;fL為管路流體摩擦因子;Leff為管路有效長度;qL為流經(jīng)管路的流量;D為管路內(nèi)徑;A為管路截面積.得到液壓系統(tǒng)的流動損失為WmL=∫t0ΔpLqLdt(14)2模擬方法和評估參數(shù)2.1bcs-東南角算法液壓系統(tǒng)動態(tài)過程還存在本質(zhì)非線性特征,如溢流閥的啟閉過程及馬達(dá)排量過零點的情況等,使模型中存在奇點.仿真中會出現(xiàn)仿真時間過長或仿真值無限增大的不穩(wěn)定現(xiàn)象.因此,在仿真時,一是使用變步長的波音計算服務(wù)公司(BCS)-吉爾(Gear)算法以提高計算效率,二是在仿真時使用開關(guān)狀態(tài)(switchstates)的概念.BCS-Gear算法是變步長積分算法,對于剛性系統(tǒng)非常適用.該算法在每個積分步長評估局部舍入誤差,接受或者拒絕逼近值,并預(yù)測下一個采用的步長.這種算法能夠保持積分步長足夠小以確保合理的局部誤差,最終產(chǎn)生一個小的全局誤差.開關(guān)狀態(tài)量用來標(biāo)識系統(tǒng)中的非連續(xù)性事件和狀態(tài)轉(zhuǎn)移.例如用來跟蹤雷諾數(shù),用來判斷流體流動狀態(tài)或用來判斷馬達(dá)排量是否到達(dá)零位等.當(dāng)這些狀態(tài)量的值發(fā)生變化時,仿真軟件自動跟蹤這些狀態(tài)量并快速進(jìn)行積分,加快仿真速度.2.2制動能量回收效率計算對制動能量回收過程采用制動能量回收率和制動時間來進(jìn)行評價.制動能量回收效率定義為蓄能器回收能量與制動過程中車輛動能的變化量的比值.由式(7),可得到制動能量回收效率為ηr=∫V1V2pdV12m(v12-v22)=∫V1V2p0(V0V)0.4qmaxqa+1dV12m(v12-v22)(15)式中:ηr為制動能量回收效率;m為車輛質(zhì)量;v1,v2分別為車輛制動時的始末速度.車輛的制動減速度為a=1δm[(QΔpm2πηt-RΗω)igr-mgf-CDA21.15ua2]式中:a為減速度;δ為質(zhì)量換算系數(shù);Q為馬達(dá)排量,制動時為負(fù)值;ig為車輛主減速比;r為車輪半徑;f為滾動阻力系數(shù).制動時間為車輛從開始制動到速度為零所經(jīng)歷的時間.制動時間與車輛初速度和制動減速度有關(guān).文中所用的元件模型及其參數(shù)已在試驗室經(jīng)過試驗臺驗證,試驗結(jié)果表明文中所選參數(shù)數(shù)值與實際情況符合較好.3制動能量回收系統(tǒng)動態(tài)特性以某一客車為研究對象,汽車總質(zhì)量m=3147kg,迎風(fēng)面積A=4.7m2,滾動阻力系數(shù)f=0.014,空氣阻力系數(shù)CD=0.55,旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ=1.01.蓄能器的容積V0=40L,充氣壓力p0=18MPa.設(shè)定車輛在50km·h-1的速度下進(jìn)行制動,此時車輛的制動動能為E=12δmv12=306565.394J,而液壓變量馬達(dá)在最大排量下制動.圖2為制動能量回收過程中各部分能量損耗及車輛動能和蓄能器回收能量的變化.此時制動能量回收效率為75.916%,制動時間為9.36s.從圖2可以看出,雙向變量馬達(dá)的損耗和車輛阻力損耗占能量損耗的主要部分.由于液壓蓄能器功率密度高的特點,所以在短時間內(nèi)可以回收大部分的車輛動能.對于相同的車輛,雙向變量馬達(dá)對制動能量回收率和制動性能影響較大.可以采用制動能量回收的方法來完成車輛的制動過程,在非緊急制動情況下取代常規(guī)制動.圖3為再生制動過程中多變指數(shù)n的變化.從中可以看出,隨著流量的變化,多變指數(shù)的數(shù)值相應(yīng)地改變,并不是一個固定的值.可以看到,此時氣態(tài)熱力過程介于等溫和絕熱過程之間,與油液的流速相關(guān),蓄能器不能完全回收管路中的壓力能.通過式(9)的計算,避免了以往計算中將多變指數(shù)視為固定數(shù)值而帶來的模型不夠精確的缺點,最大限度地模擬了實際情況.得到多變指數(shù)n的數(shù)值,由式(7)～(12)就可以得到蓄能器的回收能量及回收過程中產(chǎn)生的損耗.液驅(qū)混合動力車輛在最大排量和2/3最大排量制動時的制動減速度如圖4所示.由圖4可以看出,在工作壓力相同的情況下,制動減速度隨著制動時馬達(dá)排量的增大而增大.在進(jìn)行制動能量回收而不考慮常規(guī)制動的情況下,最大排量時車輛的減速時間為9.36s,在2/3最大排量時減速時間為10.8s.因此,可以在減速與非緊急制動時,由雙向變量馬達(dá)回收制動能量來取代常規(guī)制動系統(tǒng).也可以考慮采用輔助制動裝置或再適當(dāng)加大雙向馬達(dá)的排量等措施進(jìn)一步提高緊急制動時的性能.3.1制動初始壓力對制動能量回收系統(tǒng)的影響對文中的制動能量回收液壓系統(tǒng),考慮其在制動初始不同壓力的情況下,制動能量回收率和制動時間的變化.車輛制動初速度為50km·h-1,在雙向變量馬達(dá)最大排量下制動.制動初始壓力分別為10,15,20,25MPa,其制動時間和制動能量回收率如表2所示.隨著制動時初始壓力的提高,制動時間相應(yīng)地減小,消耗在滾動阻力和空氣阻力上的能量越小.制動能量的回收率隨著制動初始壓力的提高而增大.因此可以通過加大制動初始壓力來提高制動能量回收率和減小制動時間.但制動初始壓力的數(shù)值必須考慮液壓系統(tǒng)工作壓力范圍的大小.制動初始壓力的提高導(dǎo)致系統(tǒng)工作壓力相應(yīng)增大,對液壓元件密封、制造精度要求就高,必然加大了制造成本.圖5是不同制動初始壓力下的制動減速度.從中可以看出,在蓄能器容積不變的情況下,制動初始壓力為10,15,20MPa時制動減速度的變化趨勢是一致的.若制動能量回收時的初始壓力較大,在管路壓力達(dá)到其設(shè)定最高壓力后,雙向變量馬達(dá)不能再向蓄能器反饋能量,高壓油將通過溢流閥排出,降低了制動能量回收效率.如圖5所示,在制動壓力為25MPa時,出現(xiàn)了溢流的情況.因此在控制策略上考慮此情況,綜合考慮制動初始壓力對制動能量回收系統(tǒng)的影響.3.2雙向變量馬達(dá)工況制動減加速度隨蓄能器容積的變化特性,車輛對蓄能器容積分別為40L和63L兩種情況下的能量損耗及能量回收率進(jìn)行計算,在其他條件相同的情況下得到如表3所示數(shù)據(jù).從表3可以看出,能量回收系統(tǒng)中各部分的能量損耗相差不大,容積大的蓄能器制動能量回收率略小一些,制動時間有小幅度的增加.由式(16)可知,制動減速度與雙向變量馬達(dá)的排量和壓力、滾動阻力和空氣阻力有關(guān).忽略空氣阻力,而滾動阻力為常數(shù).因此對于給定的車輛,在雙向變量馬達(dá)排量一定的情況下,制動減速度只與系統(tǒng)壓力有關(guān).圖6為制動初始壓力相同的情況下,蓄能器不同容積下的壓力變化.容積不同的蓄能器,在其他條件相同的情況下制動,壓力的變化幅度隨蓄能器容積的增大而減小,相應(yīng)的其制動減加速度也隨之減小.對于本文所研究的車輛,由于車輛的質(zhì)量較大,且制動車速不高,因此其減加速度和制動時間相差不大.由于液壓蓄能器與蓄電池相比功率密度較高,使液驅(qū)混合動力車輛在制動能量回收效率上遠(yuǎn)高于電動混合動力車輛,在制動較為頻繁的城市工況下這一優(yōu)點將使液驅(qū)混合動力車輛具有更好的節(jié)能環(huán)保性能.同時,也可以將再生制動技術(shù)應(yīng)用于工程機械,必將提高車輛的運行效率,節(jié)省燃料,減少廢氣排放和降低噪聲.在能源日益短缺,環(huán)境逐漸惡化的形式下,該項技術(shù)的應(yīng)用具有極大的經(jīng)濟效益和社會效益.4制動能量回收增加了回收率(1)系統(tǒng)能量損耗產(chǎn)生于雙向變量馬達(dá)、車輛阻力、蓄能器和管路損耗,其中雙向變量馬達(dá)的損耗占主要部分.在車輛制動時,應(yīng)當(dāng)使雙