气动汽车制动能量回收仿真研究.pdf

气 动 汽 车 制 动 能 量 回 收 仿 真 研 究 口荣翠梨 口谈乐斌 口潘孝斌 南京理工大学 机 械工程学 院 南京2 1 0 0 9 4 摘要 以气动汽车为研 究对象 在对其 制动过程分析的基础上 ， 建立数学模型彳0 用 M A T L A B软件 ， 对制动能量再生 过程 中蓄能 器的体积 、 压强以及气动汽车速度随 时间的 变化进行仿真研 究， 分析得 出影响能量回收效率及制动 时间的主 要 因素。 关键词 气动汽车能量 回收蓄能器仿真 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 - 4 9 9 8 2 0 1 4 0 3 0 0 2 6 0 3 1 概述 车制动器的使用寿命。 随 着 汽 车 行 业 的 不 断 发 展 ， 能 源 问 题 和 环 境 污 染 问 题 日益 严 重 。 气 动 汽 车 是 一 种 采 用 高 压 压 缩 空 气 为 动 力 源 ， 真 正 零 污 染 的 新 能 源 汽 车 。 现 在 汽 车 拥 有 量 逐 渐 增 多 ， 车 流 密 度 越 来 越 大 ， 交 通 日渐 拥 挤 ， 汽 车 需 要 经 常 进 行 减 速 、 起 步 和 加 速 ， 制 动 极 为 频 繁 ， 因 此 制 动 器 的使 用 寿 命 大 大 降 低 ， 汽 车 行 驶 的 安 全 性 得 不 到 保 证 ． 同 时 汽 车 的 油 耗 增 加 ， 制 动 时 汽 车 的 能 量 转 化 为 摩 擦 的 热 能 而 被 消 耗 ， 造 成 能 量 的 极 大 浪 费 。 本 文 以 气 动 汽 车 为 例 ， 对 其 制 动 能 量 的 回 收 进 行 研 究 ， 图 1为 制 动 能 量 回 收 系 统 原 理 图 。 在 减 速 和 制 动 时 ．液 压 泵 可 以 将 机 械 能 转 换 为 液 压 能 ， 同 时 利 用 蓄 能 器 进 行 储 存 ， 在 汽 车 起 步 或 需 要 加 速 的 时 候 ， 液 压 泵 将 液 压 能 转 换 为 机 械 能 进 行 释 放 利 用 ， 使 汽 车 获 得 加 速 度 。一 方 面 ， 汽 车 制 动 时 的 能 量 得 到 充 分 的 利 用 ，改 善 了 汽 车 的 燃 油 经 济 性 能 ， 同 时 也 改 善 车 辆 的 排 放 性 能 ； 另 一 方 面 ， 可 显 著 提 高 汽 收稿 日期 2 0 1 3年 9月 ； [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] ； 2制动 过程的动力学分析 假 设 气 动 汽 车 制 动 工 况 如 图 2所 示 ，气 动 汽 车 制 动 过 程 中 的 能 量 平 衡 方 程 为 [ 2 3 m1 w 1 r a ／ r 式 中 m 为 气 动 汽 车 的 质 量 ， k g； ， w 为 气 动 汽 车 的 扭 矩 ， N m； r为 气 动 汽 车 的 车 轮 半 径 ， m； 为 气 动 汽 车 的 速 度 ， m／ s ； 为 气 动 汽 车 的 转 矩 ， N m； 为 空 气 阻 力 ， N； 为 汽 车 所 受 的 滚 动 阻 力 ， N。 由 于 车 轮 及 传 动 轴 的惯 性 矩 远 小 于 车 辆 自身 惯 性 郑津洋， 缪存坚， 寿 比南． 轻型化一 压力容器的发展方 向[ J ] ． 压力容器， 2 0 0 9 ， 2 6 9 4 2 4 8 ． 邓 阳 春，陈钢 ， 杨 笑 峰， 等 ． 确 定 压力 容 器 安 全 系数 原 则[ J ] ． 中 国安全科学学报， 2 0 0 8 ， 1 8 6 8 4 8 8 ． 赵亚凡． 可靠性方法在压力容 器设 计中的应用及探 讨[ J ] ． 机械设计 与制造， 2 0 0 2 4 5 - 6 ． Z F P a n g ，C L Z h a n g ，Z Q Z h a o ，e t a l ，R e s e a r c h o n Re l i a b i l i t y S a f e t y F a c t o r De s i g n Me t h o d a n d I t s Ap p l i c a t i o n 『 C] ． 2 0 1 0 I E EE I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Me c h a n i c 2 0 1 4 ／ 3 A u t o ma t i o n a n d C o n t r o l En g i n e e r i n g ，W u h a n ， Ch i n a ， 2 01 0 ． [ 7 ] G B 1 5 0 ． 1 ～ 4 2 0 1 1 ． 压力容器 [ S ]． [ 8 ] 于明． 管路保温层的选择与布置[ J ] ． 化工生产与技术， 1 9 9 6 2 4 9 - 5 2 ． [ 9 ] 姚玉英．化 工原理 上册 [ M] ． 天津科 学技术 出版社 ， 2 o o 4 2 1 0 2 5 7 ． [ 1 0 ] 郭莉 ． 保温材料 的概况及选择 [ J ] ． 四川 电力技 术， 2 0 0 5 1 52 5 5． 编 辑 功 成 机 械 制 造5 2 卷第5 9 5 期a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 矩 ， 在 此 可 以 忽 略 。 同 时 ， 由 于 车 辆 在 低 速 情 况 下 制 动 ， 其 中 ， 空 阻 设 为 定 值 ， 和滚 动 阻 力 的 合 力 为 。 根 据 上 述 条 件 ， 对 式 1 进 行 化 简 d x ／ d t a d v ／ d t m } 2 3 4 式 中 i 为 传 动 比 ， i 1 0； 为 二 次 元 件 的 转 矩 ， N m。 3 液压传动的数学建模 液 压 传 动 部 分 是 制 动 能 量 回 收 系 统 中 的关 键 组 成 部 分 ， 主 要 由二 次 元 件 及 蓄 能 器 组 成 。 二 次 元 件 将 动 力 矩 转 化 为 液 压 能 ， 蓄 能 器 储 存 所 得 到 的 液 压 能 。 液 压 泵 作 为 二 次 元 件 ， 回 收 的 机 械 能 是 通 过 车 轮 、 主 减 速 器 、 传 动 轴 和 附 加 齿 轮 传 给 泵 轴 的 。 液 压 泵 的 力 矩 平 衡 方 程 为 [ 3 ] V sp b J p％ 5 式 中 为 二 次 元 件 的 排 量 ， mL ／ r ； p 为 二 次 元 件 的 出 油 口油 压 ， P a； 为 二 次 元 件 转 动 惯 量 ， k g m2 ； W 为 二 次 元 件 的 转 速 。 r a d ／ s 。 由 于 非 常 小 ， 可 以 忽 略 。 则 式 5 化 简 为 V p b 6 液 压 泵 的 流 量 方 程 [ q g Wp -- C i p C l印 p b 7 式 中 g 为 二 次 元 件 的输 出 流 量 ， mL ／ r a d ； c {p 、 C 为 二 次 元 件 的 内外 泄 露 系 数 ， mL r a d P a ～ 。 由 于 G 、 c 印非 常小 ， 因 此 可 以忽 略 不 计 。故 可 化 简 为 q p V W 8 蓄 能 器 在 系 统 中 的 主 要 功 能 是 将 系 统 的 能 量 储 存 起 来 ， 在 需 要 时 又 能 释 放 一 定 的 能 量 ， 使 系 统 压 力 稳 定 在 一 定 的 范 围 内 。 蓄 能 器 的压 力 变 化 方 程 P n o ／ 1 0 式 中 P b 为 蓄 能 器 内 气 体 压 力 ， P a ； P o为 蓄 能 器 内 充 气 压 力 ， P a ； V 为 蓄 能 器 内 皮 囊 容 积 ， m ； V 。 为 蓄 能 器 内 皮 囊 容 积 ， m ； k为 气 体 多 变 指 数 ， 因 释 放 能 量 较 快 ， 可 认 为 气 体 在 绝 热 条 件 下 工 作 ， 1 ． 4。 蓄 能 器 的 容 量 V b V o f q 。 d t 1 1 绝 热 过 程 气 体 理 论 上 输 出 的 总 能 量 为 【 l_ 鲁丁 J 综 上 ， 对 式 2 、 式 3 、 式 4 、 式 6 、 式 8 、 式 1 O、 式 1 1 进 行 联 立 ， 组 成 方 程 组 ， 利 用 MAT L AB ／ S i mu l i n k建 模 与 仿 真 ， 得 到 如 图 3所 示 的仿 真 模 型 。 4仿真结果 蓄 能 器 工 作 压 力 的 大 小 要 根 据 汽 车 转 矩 来 选 择 ． 但 是 必 须 在 一 定 的 范 围 内 。 系 统 工 作 的 压 力 越 低 ， 则 执 行 元 件 的 容 量 越 大 ， 系 统 所 需 要 的 流 量 也 会 变 大 ， 这 样 会 加 大 液 压 元 件 的 尺 寸 ．但 是 气 动 汽 车 的 底 盘 空 间 则 不 允 许 。 因 此 应 在 满 足 要 求 的 前 提 下 ， 尽 量 提 高 系 统 的 工 作 压 力 。 当 蓄 能 器 的 初 始 压 力 不 同 、 初 始 速 度 相 同 时 ， 车 辆 制 动 过 程 中 蓄 能 器 压 力 P及 速 度 随 时 间 t的 变 化 曲 线 及 速 度 变 化 曲线 如 图 4所 示 。 由 图 4 a 可 知 蓄 能 器 初 始 压 力 为 4 MP a时 ， 蓄 能 器 中 压 力 缓 慢 上 升 ， 最 终 蓄 能 器 压 力 达 到 约l 2 MP a， 由 图 4 b 可 知 ， 此 时 汽 车 制 动 过 程 时 间 约 为 9 s 。 当 初 始 压 力 增 大 分 别 为 8 MP a和 1 2 MP a时 ， 对 应 图 4 b ， 汽 车 的 制 动 时 间 分 别 缩 短 为 6 s和 5 s 。 经 分 析 可 初 步 断 定 ， 蓄 能 器 的 初 始 压 力 越 大 ， 充 压 越 快 ， 制 动 时 间 越 短 。 速 度 下 降 越 快 。 P o V o P h 9 时 ， 气 动 汽 车 制 动 初 速 度 分 别 为 1 4 m／ s 、 1 5 m／ s 、 1 6 m／ s 蓄能 器 体积 变化 的特 性 曲线 随时 间 的变化 规律 如 机械制造5 2 卷 第5 9 5 期 2 O 1 4 ／ 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 4 c 、 图 4 d 。 分 析 图 4 c 可 得 ， 气 动 汽 车 的 制 动 初 速 度 为 1 4 m／ s时 ， 经 过 5 S ， 速 度 降 为 0。 由 图 4 d 可 知 ， 所 对 应 蓄 能 器 的 体 积 经 过 5 S达 到 5 L． 冲 压 结 束 。同 理 ， 当 初 速 度 为 1 5 m／ s和 l 6 m／ s时 ． 所 对 应 蓄 能 器 的 体 积 分 别 经 过 6 S和 8 S达 到 6 L和 8 L。 由 于 蓄 能 器 的初 始 速 度 的 不 同 ， 蓄 能 器 的 冲 压 时 间 也 不 同 ， 制 动时 间 也 有 所 差 别 。 蓄 能 器 系 统 所 回 收 的 能 量 越 多 ． 同 样 时 间 也 随 着 加 长 ， 当 速 度 过 大 时 ， 可 能 会 造 成 能 量 的 不 完 全 回 收 由 以 上 分 析 初 选 液 压 马 达 泵 的 排 量 为3X1 0 m3 ／ r a d ，初 始 压 强 P o 8 MP a ， 初 始 体 积 V 0 3 L， 得 到 压 强 P 和 体 积 的 关 系 如 图 5所 示 。 蓄 能 器 所 作 的 功 为 _1- 鲁 丁 ．1 1．3 5 J 当 汽 车 的 质 量 设 为 m 3 0 0 k g 、初 速 度 为 v 1 6 m／ s 时 ， 汽 车 的 初 始 能 量 可 估 算 为 E％ - - mv Z 3． 8 41 0 J 其 效 率 r I W ／ E3 5 ． 1 6 ％ 汽 车 的 能 量 除 了 蓄 能 器 所 回 收 以 外 ，其 它 能 量 的 损 失 主 要 是 消 耗 在 克 服 空 气 阻 力 以及 地 面 摩 擦 上 。 5分析 汽 车 在 进 行 能 量 回 收 制 动 过 程 中 ， 如 果 蓄 能 器 的 压 力 上 升 平 缓 ， 并 且 没 有 压 力 突 变 ． 则 不 会 造 成 剧 烈 振 动 而 导 致 制 动 过 程 不 平 稳 。 而 由上 述 仿 真 可 知 ． 在 蓄 能 f圆 2 0 1 4 ／ 3 器 初 始压 力 不 同 的情 况 下 ， 能 量 的 回 收 效 率 和 制 动 时 间 变 化 也 是 不 同 的 。 当 蓄 能 器 的初 始 压 力 较 大 时 ， 整 个 系 统 工 作 压 力 也 会 相 应 提 高 ， 当 蓄 能 器 的初 始 压 力 较 小 时 ， 液 压 系 统 工 作 压 力 也 较 小 ， 制 动 过 程 缓 慢 。 随 着 初 始 压 力 的 提 高 ， 制 动 时 间 会 相 应 缩 小 ， 消 耗 在 空 气 阻 力 和 滚 动 阻 力 上 的 能 量 越 小 ，制 动 能 量 的 回收 效 率 会 随 着 制 动 初 始 压 力 的 提 高 而 增 大 。 因 此 ， 增 大 蓄 能 器 的 初 始 压 力 可 以 提 高 能 量 的 回 收 效 率 ， 缩 短 制 动 时 间 ， 但 蓄 能 器 制 动 初 始 压 力 必 须 考 虑 液 压 系 统 工 作 压 力 的 大 小 。 由于 气 动 汽 车 的 质 量 较 轻 ， 体 积 较 小 ， 因 此 在 满 足 要 求 的 前 提 下 ， 应 尽 量 选 择 小 体 积 的 蓄 能 器 。 但 体 积 越 小 ， 意 味 着 蓄 能 器 的 压 力 越 大 。 蓄 能 器 初 始 压 力 的 提 高 会 导 致 系 统 整 体 工 作 压 力 的 提 高 ．进 而 会 对 液 压 元 件 密 封 以 及 制 造 精 度 有 较 高 的 要 求 ， 必 然 增 大 所 需 成 本 。 6 总结 通 过 对 气 动 汽 车 能 量 回 收 系 统 的研 究 表 明 ，采 用 能 量 回收 系 统 后 ， 汽 车 的 性 能 得 到 了改 善 ， 能 量 回 收 的 效 率 是 比 较 高 的 ， 特 别 对 城 市 运 行 比 较 拥 挤 的 车 辆 或 上 下 坡 比 较 多 的 山 区 车 辆 ，其 节 能 的 效 果 是 非 常 明 显 的 ， 并 且 降 低 了 对 城 市 的 废 气 排 放 ， 对 于 保 护 环 境 ． 具 有 重 要 的 意 义 ， 因此 该 系 统 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 。 参 考 文 献 [ 1 ] 何 仁． 汽车制 动能量 再生 方法 的探讨 [ J ] ． 江苏大 学学 报 ， 2 0 0 3， 2 4 6 1 _ 4 ． [ 2 ] 邵建桥 ， 杨前 明． 车辆 能量 回收系统的建模与仿真 [ J ] ． 流体 传动与控 制 ， 2 0 1 0 ，4 0 3 2 3 2 6 ． [ 3 ] 姚怀新 ． 工程 车辆液压 动力学 与控 制原理 [ M] ． 北京 人 民 交通出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 严 金坤． 液 压动 力控制 [ M] ． 上 海 上 海交通 大学 出版 社 ， 1 98 6． [ 5 ] 许福玲 ， 陈尧明． 液压与气压传动 [ M] ． 北 京 机 械工 业出版 社 ． 2 0 0 8 ． △ 编 辑 小 前 机械制造5 2 卷 第 5 9 5 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m