液压混合动力公交车制动性能仿真与试验分析.pdf

．新能源技术 ． 液压混合动力公交车制动性能仿真与试验分析 ★ 曲金 玉 1 李训 明 1 任传 波 1 韩 尔操 2 刘 林 2 1 ． 山东 理工 大学 ； 2 ． 潍柴 动力股 份有 限公 司 【 摘要 】 针对城市公交车运行特点和在城市运行工况下燃油经济性差的问题， 提出一种新型液压混合动力系统， 并 建立 制动回收过程 动力 学模 型、 能量再生过程动 力学 模型和柴油机液压起 动模型等 ， 对 其制动性能进行仿真 ． 最 后进行 了样机台架 、 实车道路试验。试验结果表明 ， 该液压混合动力公交车可实现汽车制动能量 回收等功能 ． 在典型 城市循环工况下制动能量 回收率为 6 9 ． 7％． 制动能量再生率为 3 2 ． 8％． 液压起动发动机时间为 1 ．7 S o 主题词 液压混合动力公交车制动性能仿真试验 中图分类号 U 4 6 9 ． 7 2 文献标识码 A文章编号 1 0 0 0 3 7 0 3 2 0 1 4 0 9 0 0 4 8 0 5 Br a k e Pe r f o r ma n c e S i mu l a t i 0 n a n d Te s t An a l y s i s o f Hy dr a u l i c Hy br i d BUS Q u J i n y u ， L i X u n mi n g ， R e n C h u a n b o ， H a n E r l i a n g ， L i u L i n 1 ． S h a n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ； 2 ． We i c h a i P o we r C o mp a n y 【 Ab s t r a c t ] I n c o n s i d e r a t i o n o f c i t y b u s e s o p e r a t i n g c h a r a c t e ri s t i c s a n d p o o r f u e l e c o n o m y i n u r b a n d ri v i n g c y c l e s ， w e p r e s e n t a n o v e l h y d r a u l i c h y b ri d s y s t e m，a n d b u i l d t h r e e mo d e l s ，i ．e ．b r a k e e n e r g y r e c o v e r y d y n a mi c mo d e l ，e n e r g y r e g e n e r a t i o n d y n a mi c mo d e l a n d d i e s e l h y d r a u l i c s t a r t mo d e l ，a n d t h e n ma k e b r a k e p e r f o r ma n c e s i mu l a t i o n ．F i n a l l y we t e s t p e rf o r ma n c e o f t h e s y s t e m b y b e n c h a n d r o a d t e s t ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e h y d r a u l i c h y b ri d b u s i s c a p a b l e o f b r a k i n g e n e r gy r e c o v e r y 。b r a k i n g e n e r g y r e c o v e r y r a t e i n t y p i c a l u r b a n d ri v i n g c y c l e i s u p t o 6 9 ． 7 ％a n d e n e r g y r e g e n e r a t i o n r a t e i s 3 2 ． 8％． h y d r a u l i c e n g i n e s t a rt t i me i s 1 ． 7 s e c o n d ． Ke y wo r ds Hy dr a u l i c h y br i d b us ，Br a ke pe r f o r m a nc e ，S i m u l at i o n，Te s t 1前 言 液 压 混 合 动 力 系 统 包 括 发 动 机 和 液 压 动 力 系 统 ． 液压动力系统以液压蓄能器作为储能元件 ． 以液 压泵／ 液压马达作为动力元件l 1 12 】 德国汉堡国防科技 大学 N i k o l a u s H教授于 1 9 7 7年首创了二次调节静 液传动技术 ．为液压混合动力系统的开发奠定了基 础 美 国威 斯康 星大 学 的 B e a c h l e v N o r I l l a n H和 F r o n c z a k F r a n k J等于 1 9 8 5年研究 开发 出了单一液 压泵／ 液压马达制动能量再生系统 ．并首次应用在公 共汽车上圈 。由于液压动力系统具有功率密度大、 制动 能量回收率高、 安全可靠、 成本低、 节能环保等优点， 在 公交车、 邮政车、 垃圾车和重型车辆上应用广泛 目前 的并联式混合动力汽车中． 液压泵／ 液压马 达通过传动装置耦合到车辆传动系统中．不便于整 车布置 ． 且无法实现发动机起／ 停控制 ] 本文针对 现有并联式混合方式存在的不足和城市公交车运行 特点 ． 提出了一种新型液压混合动力系统 2 液压混合动力 系统组成与运行模式 2 ． 1 液压 混合 动力 系统组 成 该液压混合动力系统 的组成 与布置 如图 1 所 示 ， 其主要 由混合动力总成 、 液压系统 、 电子控制系 统 3部分 组成 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 1 2 7 5 2 8 0 ， 项 目名称 汽车车身时滞减振控制理论与试验研究； 山东省 科技发展计划项 目 2 0 1 1 G G X1 0 5 0 5 ， 项 目名称 智能变矩调速动力驱动系统及其在 电动车中的应用。 一 4 8 一 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 新 能源 技术 ． 1 ． 发 动 机 2 ． 传 动 装 置 3 ． 电磁 离 合 器4 ． 液 压 泵／ 液 压 马 达 5 ． 离合 器6 ． 变 速器7 ． 液 压阀体控制 模块 8 ． 压 力传 感器 9 ． 电液换 向阀 1 O ． 低压 闭式油箱 1 1 ． 混合动 力 E C U 1 2 ． 发 动机 E C U 1 3 ． 离合器踏板开关1 4 ．制动踏板传感器 1 5 ． 油 门 踏板传感器 1 6 ． 起 动开关 1 7 ． 工作状态显示 器 1 8 ． 车速传 感器 1 9 ． N ／ R挡位置传感器2 0 ． 液压蓄能器 图 1 液压混合动力系统组成与布置示意 液压混合动力总成结构框图如图 2 所示 混合动 力总成包括发动机总成、 传动装置 、 电磁离合器总成、 液压泵腋 压马达总成 该总成保持原有发动机零部件 结构不变 ．将 传动装置装配在发动机缸体 与飞轮 壳之 间， 使曲轴通过传动装置与电磁离合器 、 液压泵／ 液压 马达连接18 1 ． 通过控制电磁离合器的接合与分离来实现 液压泵／ 液压马达与发动机之间的动力传递 l Z j 1 ． 发动机2 ． 传动装置3 ． 发动机 飞轮4 ． 电磁离合 器5 ． 液 压泵／ 液压马达 图 2混合动力总成结构框图 2 ． 2液 压混 合 动力 系统 运行 模 式 a ． 制 动 能量 回收且发 动 机停 机模 式 当 液 压 蓄 能 器 处 于 低 压 状 态 且 汽 车 制 动 时 ． 电磁 离合 器接合 ． 汽车惯性力驱动液压泵运转 ． 将 汽车 的动能转 化为液 压势能存 储在 蓄能器 中 ． 同 时发 动机进入停机模式 终止制动后 ． 发动机正常 运 行 。 在 汽 车 紧 急 制 动 时 。 除 进 行 制 动 能 量 回收 且 发 动机停 机外 ． 汽车制动系统 同时保持独立运行 b ． 液压独立驱动且发动机停机模式 当液压蓄能器处于高压状态且汽车起步时． 挂入 前进挡 ， 踩下加速踏板 ． 电磁离合器接合 ． 蓄 能器存 储 的高压能量驱动液压马达运转 ．将液压蓄能器存 储 的高压势能转化为汽车动能 ． 驱动汽车加速起步 ． 2 0 1 4年第 9期 同时发动机停止空转。蓄能器的压力释放至最低工 作压力时模式终止 ， 由发动机正常驱动汽车行驶 c ． 发 动机液 压起 动模 式 当液压蓄能器处于中低压状态且汽车起步时 ． 置变速器于空挡 ， 接通起动开关后 电磁离合器接合 ． 利用蓄能器存储 的高压能量驱 动液压马达运转 ． 实 现 发动 机液压 起 动 在蓄 能器压 力低 于最小 工 作压 力时． 发动机 由起动机起动 d ． 制 动停 车发 动机 停机 模式 当液压蓄能器处于中高压状态且车速低 于设定 车速时， 踩下离合器和制动踏板 ， 将挡位置于空挡 ． 发 动机 熄火 e ． 发 动机独 立驱 动模 式 在 倒挡 和其 它正 常行驶 的情 况下 ．汽 车 由发动 机 独立 驱动行 驶 3 液压 混合动 力系统 建模 与仿真 3 ． 1 液压 蓄 能器压 力 、 气 体体 积 与储存 能量 的关 系 在制动能量 回收和再生过程 中． 液压泵／ 液压马 达 的运转使蓄能器 中氮气 的体积 和压力 P发生 变化。根据波义耳气体定律 ， 两者之间的关系为 P oP V -- p 】 V -- p 2 常数 1 。 常数 1 式 中， p 。 为液压蓄能器充气压力 ， MP a ； p 为液压蓄能 器最低工作压力 ， MP a ； P ， 为液压蓄能器工作压力 ， MP a ； V 。 为液压蓄能器初始气 体体积 ， m ， ； 为液压 蓄能器最大气体体积， m 为液压蓄能器工作气体 体积， m 3 ； n为气体多变指数 ， 绝热过程取 n 1 ． 4 ㈣。 蓄能器 回收和再生过程中的能量变化 A E为 ， r上 1 一 V ，p d V l1_ J ㈤ 3 ． 2 液压泵／ 液压马达流量、 转速与车速之间的关系 制 动 回收再 生 过 程 中液 压泵／ 液 压 马 达 的 流量 p为 Q 3 式 中 ， n 为液 压 泵／ 液压 马 达转 速 ， r ／ m i n ； V 为 液 压 泵／ 液 压 马 达 额定 流量 ， mL ／ r ； r ／ ， 为 液 压泵／ 液 压 马 达 容积 效率 。 制动 回收再生过程 中．液压蓄能器氮气体积的 减少量等于蓄液体积的增加量 A V TA V g “Iv ． d t 4 0 0 0 _． J 4 式 中 ， 为液压 泵／ 液 压 马达 总转数 。 一 49 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．新能源技术 ． 5 m 3 嘶 “ ㈤ r r 1 ．1 制动减速度 ， m ／ s 。 ； m为汽车满载质量 ， k g ； F p 为液压 厂 为轮胎滚动阻力系数； 。 为发动机停止空转制动 ㈩ 上 7 式中， 叼 为液压泵／ 液压马达机械效率； △ p为液压蓄 1 0 0 ％ 9 7 1 哥 } 1 8 m u 1 一 2 一 一 噼 1 0 r r V 上 ．13 汽车液压起步行驶距离 5 为 Is 。 f t d t f f 。 d 1 2 式 中 ， M 为 汽车 液压起 步速 度 ， k m ／ h 。 评价制动能量再生率 的计算公式为 1 1 m P V 1 [1 一 l x 100 ％ 13 发动机液压起动过程液压马达输出转矩 为 1 4 1 4 式中， 7 7 为液压马达机械效率。 式中， i 为液压马达与发动机曲轴传动比。 ． ， 。 一 1 6 式 中， ． ， 为发动机旋转部分转动惯量 ， k g I n ； 为发 动机旋转摩擦力矩 ， N m； 尬 为发动机压缩力矩， N m； 发动机起动时 ， 平均阻力矩经验公式[ 1 3 ] o l3 5 5 5 [1 ‘ 暑 ] 可 1 7 时， n 对 的影响可以忽略； 为润滑油粘度；M 为 1 0 0 0时的平均阻力矩 ， N m。 汽车满载质量， k g l 1 6 5 0 0 发动机额定功率／ k W l 1 8 5 i l 6 ． 1 1 ／ 3 ． 3 9 ／ 2 ． 0 5 ／ 1 ． 3 2 ／ 1 ． O 0 I j 鱼 】 鱼 [ 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．新 能源 技术 ． ’ a．制动能量 回收过程仿真 以Ⅲ、 Ⅳ 、 V 3个不 同挡位 ， 初速度 为 4 5 k m ／ h 、 蓄能器初始充气压力为 1 6 MP a 进行制动能量 回收 过程仿真 ， 得到 3个不同挡位下的汽车减速度 、 行驶 距离变化曲线如 图 3和图 4所示 。 一1 ．4 一 1 ． 2 一1 ． 0 一 0 ． 8 幅 一0 ． 6 磊 一 O ．4 时间／ 图 3不 同挡位下 的汽车制动减速度曲线 1 4 0 1 2 O 1 0 0 囊 磊4 O 2 O O 时 IN／ s 图 4 不 同挡位下 的汽 车制动距离 曲线 b ． 制动能量再生过程仿真 以 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ3个不同挡位 ， 蓄能器储存 压力 为 3 0 MP a 、液压独立驱动汽车进行起步过程仿真 ． 得 到 3个不同挡位下的汽车起步车速、 行驶距离 、 加速 度仿真 曲线如图 5 图 7所示 25 2 0 目 1 5 蔷 1 0 卅5 O 时 间， s 图 5 不同挡位下的液压起 步行驶 车速 曲线 3 0 口2 5 覆2 0 1 5 1 0 5 0 时间／ s 图 6不同挡位下的液压起步行驶距离 曲线 时间／ s 图 7不 同挡位下 的液压起步加速度 曲线 2 0 1 4年第 9期 C ． 发动机液压起动过程仿真 当液压 蓄能器 内的压力分别为低压f 1 8 M P a 和高压 2 5 MP a 时 ， 对发动机液压起动模型进行仿 真 ， 结果如图 8和图 9所示。由仿真曲线可知 ． 液压 蓄能器 内压力 的高低对发动机液压起 动没有影响 ． 在 0 ． 6 s 内就可使发动机转速达到 7 0 0 r ／ m i n 时间／ 图 8 低压时起动转速 与压力关系曲线 时 间／ s 图 9高压时起动转速 与压力关系曲线 4试验测试 4 ． 1 台架 试验 为 了测试 该 系统各 项性 能指 标 ．搭 建 发动机 一 液压混合动力系统试验 台架 ．其主要包括发动机一 液压混合动力 系统、 A V L电涡流测功机、 A V L P U MP O P E N试验 台管理控制和数据采集系统 发 动 机 以 6 0 0 r ／ m i n怠 速 运 转 ． 通 过 测 功 机 给 混合动力制动 回收系统增加制动扭矩 ．输入扭矩 为 1 7 1 ～ 7 0 1 N． m． 测试 系统制动 回收性能 ． 试验结 果 如 图 1 0所 示 。制 动 过 程 中 ，蓄 能 器 压 力 从 1 1 ． 8 1 MP a上升至 1 4 ． 7 6 MP a ． 用时 8 ． 8 s ． 上升速率 为 0 ． 3 4 MP a ／ s 昌 Z 辩 幅 磊 2 O 1 8 皇 1 6 1 4 稚 避 1 2 摊 缸 l O 0 1 0 2 O 3 0 4 0 5 O 6 O 7 O 8 O 9 0 时 间／ s 图 1 0 制动 回收试验曲线 连 续采用 液压 驱 动发 动机起 动 ， 即液 压起 动 ， 测 一 51 一 ∞ ∞ O ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 4 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．新 能 源技术 试 液压 起动 时 间和能量 消耗 量 ．结果 如 图 l 2所 示 。 经试验测得每次液压起动时间为 1 ． 8 ～ 1 ． 9 s ．每次起 动蓄能器压力降低 0 ． 3 ～ 0 ． 5 MP a 。 2 5 2 0 1 5 1 稚 l 0 鞯 皿 5 O 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 时 间 ／ s ．量 巨 士 蛑 需 1 1 液压 起 动 试 验 随线 4 ． 2实车道 路试 验 对宇通 Z K 6 1 2 6 HG公交车加装该 液压混合动 力系统 ．在典型城市循环工况下进行实车道路试验 以验 证该 系统 在实 车上 的各项 性能 及燃 油经济 性 测试 曲线 如 图 l 2 ～ 图 1 4所示 ．由测试 结果 可 知 a． 试验 车 从初 始 速度 4 2 ． 1 5 k m ／ h以 5挡 制 动 到 l 4 ． 8 3 k m ／ h ． 制动时间为 1 2 ． 1 8 S ． 平均制动减速度 为 0 ．6 3 n 4 s ．蓄能器压力从 1 6 ．3 4 MP a 上升至 2 7 5 3 MP a ． 制动能量 回收率为 6 9 ． 7％ b ． 试验车以 3挡液压起步加速．蓄能器压力 从 2 7 ． 5 MP a 减少到 1 6 MP a ． 车速加速至 l 4 ． 8 5 k m ／ h ． 行驶 距 离为 2 3 ． 5 m． 平 均加 速度 为 0 ． 4 5 m ／ s 2 ． 制 动能 量再 生率 为 3 2 ． 8 ％ C ． 试验车连续液压起动 ．平均每次起动蓄能 器压 力下 降 0 ． 3 6 M P a ． 起 动 时间为 1 ． 7 s 5 0 4 0 塞 3 0 黯2 0 1 O O 4 0 善 3 O 出2 0 疆1 0 0 暑 褪 一 5 2 一 时间， s 图 1 2 实车制动能量 回收测试曲线 3 0 2 0 妲 l 0 叠 O 图 1 3实车液压起步测试曲线 2 2 1 8 窖 杂 1 4 曩1 0 蕊 2 1 O 迎 垦 0 暴 囊- 5 1 0 时 l 司／ s 图 1 4 实车连续液压起动测试 曲线 5 结束语 a ． 针 对城 市公 交 车运 行 特点 ．提 出 了一 种 新 型液压混合动力系统 ．其便于实车布置且具有发动 机起／ 停 功能 ．同时介绍 了该系统的组成和 工作模 式 ． 并对系统动力性能进行仿真 b ． 利用台架试验和实车道路试验测试验证了该 混合动力系统的各项性能 ．验证了混合动力试验样车 可实现制动能量回收 、 液压驱动、 发动机起／ 停、 停车停 机等功能。在典型城市循环工况下的试验结果表明 ． 制 动 能量 回收 率 和再 生 率 分 别 为 6 9 ． 7％和 3 2 ． 8 ％． 液压起动发动机时间为 1 ．7 s ． 达到了节能减排的目标 参 考 文 献 1 付松青 ． 姜艳． 李腾 腾． 等． 液压混合动 力技术研 究及 展望． 汽车工程师．2 0 1 0 1 1 1 8 - 2 2 ． 2 B a s e l e y S ，E h r e t C， G r e i f E， e t a 1 ． Hy d r a u l i c Hy b r i d S y s t e ms f o r Co mme r c i a l Ve hi c l e s ．SAE Pa pe r 2 0 07- 01 - 41 50 ． 3 赵春涛． 姜继海， 赵 克定 ． 二次调节静 液传 动技术在城市公 交车辆中的应用． 汽车工程， 2 0 0 1 ， 2 3 6 4 2 3 ～ 4 2 6 ． 4 魏英俊．新型液压驱动混合动力运动型多用途 车的研究． 中 国机 械 工程 ， 2 0 0 6 ， 1 7 1 5 1 6 4 5 ～1 6 4 8 ． 5 C h a r l e s L Gr a y ，J r Hy d r a u l i c Hy b r i d s ．E P A Hy b r i d T r u c k I n i t i a t i v e．Cl e a n Au t o mo t i v e Te c h n o l o g y ，2 00 6． 6 刘 国庆。 闰叶翠- 陈杰． 等． 液压混合动力公交车液压再生 系 统耦合方案研究． 汽车T程． 2 0 1 0 ． 3 2 4 2 7 7 ～ 2 8 2 ． 7 Ya n Ye c u i ，L i u Gu o q i n g ，C h e n J i e ． P a r a me t e r De s i g n S t r a t e g i e s o f a P a r a l l e l Hy d r a u l i c Hy b r i d B u s ． Ve h i c l e P o w e r a n d Pr o p u l s i o n Co n f e r e n c e ．VPP C 08 ．I EEE， 2 00 81 - 6． 8韩尔棵 刘林。 任传 波． 等． 发 动机及其 后取力输 出系统． 中 国． C N2 01 1 1 0 3 3 5 2 7 3 ． 8 ． 2 0 1 2 ． 9 李翔晟． 常思勤． 韩文． 静液压储能传 动汽车动力源系统 匹 配 及 性 能分 析 ． 农 业 机 械 学 报 ， 2 0 0 6 3 7 3 1 2 ～ 1 6 ． 1 0 封士彩． 气囊式蓄能器气体多变指数理论值 和实际值 的 确定． 液压与气动． 2 0 0 2 5 3 - 5 ． 1 1 余志生． 汽车理论． 北京 机械工业出版社． 2 0 0 5 ． 1 2 闫业翠 刘 国庆- 陈杰． 液压混合动力 公交 车动力性 能仿 真 与试验研究． 汽车工程． 2 0 1 0 ． 3 2 2 9 3 ～ 9 8 ． 1 3 徐 天毅．发动机 电起 动过 程的数学 模型．内燃机工 程． 1 9 8 3 1 3 9 4 6 ． 责任编辑晨曦 修改稿收到 日期为 2 0 1 4年 5月 2 2日 汽车技术 一 g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m