履带车辆液压储能式制动能量再生系统效率计算与分析.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N o ． 9 ．2 0 1 1 履带车辆液压储能式制动能量再生系统 效率计算与分析 赵广俊 吕建刚 滕 飞 郭劭琰 军械工程学院火炮工程系 ， 河北石家庄0 5 0 0 0 3 摘 要 为 了对履带 车辆制动能量进行 回收利用 ， 根据某型履带车辆传 动系统特点 ， 建立 了履带 车辆 液压 储能式制 动能量再生系统 ， 分析 了系统的工作原理 ， 介绍 了系统的工作模式 。基于踏板行程逻辑 门限值 的模糊控制策略 ， 分别建立 了履带车辆制 动工况 和驱动工 况控制策略 ． 构建 了两种工况下 的控制系统 S i m u l i n k模块 。 对履带车辆辅助 制动 和辅助驱动工况进行了仿 真分析 ， 得出车速 、 系统压力 和燃油消耗率等参数的变化规律 。设计并建立了系统模 型实验 台， 对制动能量 回收和再利用过程进行 了原理性实验 ， 计算 了液压储 能 式制动能量再生系统总效率。通过比较仿 真和实验结果 ， 分析了影响系统 总效率 的因素 ， 得 出系统 的实际可行性等结论 。 关键词 履带车辆 ； 制 动能量再生 ； 控制策略 ； 仿真分析 ； 实验研究 中图分类 号T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 9 0 0 4 1 0 5 Ef fi c i e nc y Ca l c u l a t i o n a nd An a l y s i s o f Hy d r a u h c Re g e ne r a t i v e Br a k i ng S y s t e m i n Tr a c k e d Ve hi c l e Z H A0 G u a n g - j u n L V J i a n - g a n g T E N G F e i G U O S h a o - y a n D e p a r t me n t o f A rt i l l e r y E n g i n e e r i n g ，O r d n a n c e E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e c o v e r b r a k i n g e n e r g y o f t r a c k e d v e h i c l e ， a c c o r d i n g t o t h e d ri v e s y s t e m c h a r a c t e ri s t i c s o f a t r a c k e d v e h i c l e ， t h e h y d r a u l i c r e g e n e r a t i v e b r a k i n g s y s t e m wa s f o u n d e d ．T h e n t h e w o r k i n g p r i n c i p l e a n d r u n p a t t e r n we r e e x p l a i n e d a n d a n a l y z e d ．T h i r d l y ， t h e c o n t r o l m e t h o d s o f b r a k i n g p r o c e s s a n d d ri v i n g p r o c e s s b a s e d o n f u z z y c o n t r o l s t r a t e g y o f p e d a l j o u rne y l o g i c t h r e s h o l d w e r e p u t f o r w a r d ， o f wh i c h s i mu l i n k mo d u l e s we r e s e t u p ． T h r o u g h s i mu l a t i n g o n t h e t wo p r o c e s s e s ， t h e v a r y i n g d i s c i p l i n e s o f s p e e d ， s y s t e m p r e s s u r e a n d f u e l c o n s u mp t i o n r a t e we r e a c h i e v e d ． F i n a l l y ，we b u i l t u p mo d e l t e s t b e d o f t h e s y s t e m， a n d t h e t o t a l e ffic i e n c y o f h y d r a u l i c r e g e n e r a t i v e b r a k i n g s y s t e m wa s c a l c u l a t e d ． B y c o mp a ri n g s i mu l a t i o n r e s u l t s wi t h e x p e ri me n t r e s u l t s ， t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r s o n t o t a l e ffic i e n c y a n d t h e p r a c t i c a l f e a s i b i l i t y o f t h e s y s t e m we r e a n a l y z e d ． Ke y W o r d s tra c k e d v e h i c l e； b r a k i n g e n e r gy r e g e n e r a t i o n； c o n t r o l me t h o d； s i mu l a t i o n a n aly s i s ； e x p e ri me n t a l i n v e s t i g a t i o n 0 引言 现代军用履带车辆 日益朝着 高机动性和高防护性 发展 ，车速和车重 的不断提高对车辆制动性能的要求 也越来越高 ，同时对车辆制动能量进行 回收和再利用 也逐渐显现出其经济和战略价值Ⅲ 。履带车辆采用液压 储能式制动能量再生技术一方面可以减少机械摩擦制 动器使用频率 ， 降低其磨损程度 ， 提高制动安全性 ； 另 一 方面利用制动能量再生系统辅助驱动车辆 ，可以显 著提高履带车辆 的行驶动力性和燃油经济性[2 - 3 ] 。 1 系统工作原理 根据某型履带车辆传动系统特点 ，液压储能式制 基金项 目 军 内科研计划 资助项 目 2 0 0 9 2 4 6 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 - 1 9 作者简介 赵广俊 ， 硕士生 ， 主要从事车辆机电液控制与 自动化研 究。 动能量再生系统传动系统结构采用并联式液压混合动 力传动形式 ， 其系统结构图如图 1 所示。 图 1 履 带 车辆 液 压 混 合 动 力 传 动 系 统 结 构 图 其中， 动力耦合装置由一对锥齿轮组成 ， 液力偶合 器为带有闭锁离合装置的调速型液力偶合器 ．增速器 由增速齿轮箱组成 ，其作用为增大液压泵对履带车辆 的制动力和驱动力 ， 提高系统吸收和输出功率 的能力。 液压储能式制动能量再生系统实现对制动能量 的转换 41 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 1年 第 9期 和储存 ， 主要 由液压泵／ 马达 、 蓄能器和各类阀装组件构 成 。电子控制系统 E C U 包括车辆联合制动控制系统 、 车辆混合动力控制系统和各类传感器 、 控制器 。如 制 动踏板角位移传感器 、 油 门踏板角位移传感器 、 蓄能器 压力传感器和车速传感器 ， 以及对液力偶合器充液量 、 液压泵／ 马达排量和电磁离合器开关控制装置。 在履带车辆制动过程中的高速阶段 ，适当调整液 力偶合器充液量 ，保证液压泵的转速在额定转速范围 之内， 同时主要由液压泵， 马达提供制动力矩 ． 并回收制 动能量 ； 在履带车辆制动的低速 阶段 ， 主要 由机械摩擦 制动器提供制动力矩。非紧急制动情况下 ， 液压储能式 制动能量再生系统和机械制动系统组成联合制动系统 对履带车辆进行联合制动。紧急制动情况下 ． 为保证车 辆制动的安全性 ，仅使用机械摩擦制动系统对车辆进 行制动， 此时不进行制动能量的回收。履带车辆起动或 加速时 ， 闭锁离合器对液力偶合器进行 闭锁 ， 此时液力 偶合器刚性传递动力 。发动机动力和液压泵， 马达输 出 动力进行耦合后 ， 提供车辆起动或加速时的牵引力。 制动能量再生系统的液压系统结构图如图 2所示明 。 l 一 变 量 泉／ 马 达2 一 番 能 器3 一 溢 溉 闭4 -口 J 控 节 流 I伐 I 5 一 液控单 向阀6 一 背压 阀7 一 过滤器8 一 压力传感器9 一 闭式油箱 图 2 制动能量再生系统结构图 2 系统控制策略 2 ． 1 制动 工况控 制 策略 履带车辆制动工况的踏板行程逻辑 门限值模糊控 制策略控制过程为 首先设定制动踏板行程逻辑门限 值 ， 依据踏板开度大小对驾驶员的制动需求进行判断 ， 并对紧急制动过程和制动力分配过程采用模 糊控制。 当驾驶员踩动制动踏板 ，踏板角位移传感器将制动踏 板的角位移信号输送给控制系统 ，控制系统依据制动 踏板行程对制动需求进行分类 ， 判断是否为紧急制动。 若制动踏板行程 大于行程逻辑门限值 。 则为紧急制动 ， 能量再生制动系统不参与车辆制动 ，单一 由机械制动 系统对车辆进行制动 ；若制动踏板行程小于行程逻辑 4 2 门限值 ， 则为非紧急制动 ， 此时采用联合制动系统对车 辆进行制动，控制系统根据车速和蓄能器压力计算制 动力分配系数 ，调节脚制动阀输入电压和液压泵的排 量。同时 ， 在对制动力矩进行分配时 ， 若能量再生制动 力矩达到能量再生制动系统 当前压力下的最大值 ， 而 总制动力尚不能满足制动需求 ，则由机械制动系统补 充所需制动力不足部分。 设制动踏板行程为 ， 制动踏板行程逻辑门限值为 O L 。 ， 、 T m , 和 分别为折合至动力耦合器输 出轴 的总 制动力矩 、机械摩擦制动力矩和能量再 生制动力矩 ． 则 1 若 ， 则为紧急制动 ， 有 r m 1 2 若 o o t ， 则为非紧急制动 ， 有 假设在采样周期 时间 内，总制动力矩变化量为 △ ，机械制动力矩和能量再生制动力矩变化量分别为 和 △ 和 ， 制动力分配系数为 ， 其大小随车速和 蓄能器压力的变化而改变 ， ∈【 _ 0 ． 5 0 ． 5 l ， 则有以下关 系式成立【5 1 △ △ 一 △ 叼 。 叼 A T - 1 2 式中叩 车辆侧传动效率； 7 7 履带的行驶效率。 在 MA T L A B ／ S i m u l i n k环境下．建立 的履带车辆制 动工况控制系统模块如图 3所示[6 1 。 图 3履 带 车 辆 制 动 工 况控 制 系统 模 块 2 ． 2 驱 动工 况控 制策 略 履带车辆驱动工况的踏板行程逻辑门限值模糊控 制策略控制过程为 首先设定油门踏板行程逻辑 门限 值及油门踏板行程变化率逻辑 门限值 ．对驾驶员 的加 速需求进行判断。并对驱动力矩分配过程采用模糊控 制 。当驾驶员踩动油门踏板 ， 踏板角位移传感器将油门 踏板的开度信号传送给控制系统。若油门踏板角度小 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， N O ．9．2 0 1 1 于行程逻辑 门限值 ， 在车辆起步行程 内， 则控制系统判 断为车辆起步工作模式 ，由制动能量再生系统单独提 供车辆起动过程驱动力 。若油门踏板开度大于行程逻 辑门限值 ， 在非起步加速行程 内， 同时踏板行程变化率 超过行程变化率逻辑 门限值 ， 则判断为车辆加速模式 ； 否则 ， 判断为车辆匀速行驶模式。车辆加速模式下 ， 发 动机和制动能量再生系统共同提供车辆加速工况所需 驱动力矩。车辆匀速行驶模式下 ， 仅利用发动机驱动车 辆。 设油门踏板行程为 ， 行程变化率为 ， 油 门踏板 行程逻辑 门限值为 ， 行程变化率逻辑门限值 为卢， 0 ， 、 和 分别为折合 至动力耦合器输出轴的总驱动 转矩 、 发动机输出转矩和制动能量再生系统输 出转矩 ． 则 1 若／ 3 B o ， 卢 0 ， 则为车辆匀速行驶工况， 有 rq - - 5 此时 ，根据车速变化判断车辆需求驱动力是否小 于发动机在 当前转速下的输出转矩 。若车速升高 ， 则控 制系统结合电磁离合器 ，将发动机多余动力输送给制 动能量再生系统进行储存 ，同时根据系统压力和车辆 加速度信号调节液压泵／ 马达的排量[7 -0 ] 。 在 M A T L A B ／ S i m u l i n k环境下 。建立的履带车辆驱 动工况控制系统模块如图 4所示。 图 4 履带 车辆驱动工况控制 系统模块 3 仿真及结果分析 3 ． 1 制动停车工况仿真 在 履 带 车 辆 初 速度 为 I - 6 0 k m ／ h ， 制 动 强 度 为 z 1 ． 5 m ／ s z 的情况下 ， 蓄能器初始压力为 1 2 MP a ， 对履带 车辆制动过程进行仿真 ， 得到能量再生制动力矩 、 机械 制动力矩总制动力矩 的变化曲线 ，以及蓄能器压力 的 变化 曲线。仿真结果如 图 5 、 图 6所示。 图 5制动力矩变化曲线 图 6蓄 能 器 压 力 变 化 曲线 3 ． 2辅助 起 动工 况仿真 在蓄能器初始压力为 3 1 ． 5 MP a ，液压马达排量为 1 0 7 m L ／ r 的条件下 ， 利用液压储能对履带车辆进行辅助 起动 ， 以将车速加速到车辆二档车速范围为 目标 ， 对车 辆的起动过程进行仿真 。得到车速和蓄能器压力的变 化曲线 ， 如图 7 、 图 8所示 。 图 7 车速变化曲线 X T i me ／ s 图 8 蓄能器压力变化曲线 4 3 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 1年 第 9期 3 ． 3系统效率计算 履带车辆液压储能式制动能量再生系统的制动能 量 回收效率 叼 计算公式为 A E 手 m 一 △ 一 f 盟 一 1 0 一l 【 Pin i Pt J 式中△ E 蓄能器所储存的能量； △ E 车辆动能变化量 ； p 。 蓄能器充气压力 ， 取 9 ． 7 MP a ； 蓄能器体积 ， 取 6 0 L ； P i n i 蓄能器初始压力 ． 取 1 4 MP a p 。 蓄能器 t 时刻压力； 时刻车辆速度。 根据履带车辆辅助制动过程仿真结果 ， 的制动能量回收效率， 得 叼 1 6 ． 8 2 ％。 6 计算系统 履带车辆液压储能式制动能量再生系统的制动能 量再利用效率 叼 计算公式为 7 其 中， 各参数的含义和取值同上。 根据履带 车辆辅助起动过程仿真结果 ，计算 系统 的制动能量再利用效率 ， 得 r ／ 6 5 ． 1 ％。 因此 ， 仿真条件下 的系统总效率为 7 7 叼 1 0 ． 9 5 ％ 。 4 实验及结果分析 4 ． 1 制动能量再生系统实验台 依据相似原理， 建立的液压储能式制动能量再生系统 原理性实验台硬件及测控系统实物图如图9 、 1 0所示。 图 9 硬件系统实物图 图 1 O 测控系统实物图 4 ． 2辅助 制 动工况 实验 在 蓄 能器 充气 压 力 P。 5 MP a ， 飞轮 初 始转 速 为 1 5 0 0 r ／ m i n ， 液压泵排量为 1 5 mI _ ／ r ， 液力偶合器全充液条件 44 下， 进行辅助制动工况试验 ， 实验结果如图 1 1 、 1 2所示。 图 1 1 飞轮转速 曲线 图 l 2蓄能器压力曲线 腔 I 4 ． 3辅助 加速 工况 实验 利 用 在 飞 轮初 始 转 速 为 1 5 0 0 r ／ mi n和液 压 泵 排 量 为 1 5 mL ／ r 时制动能量再生系统所 回收的制动能量 ， 对 旋转飞轮进行加速 ， 进行辅助加速工况实验 ， 实验结果 如 图 l 3 、 l 4所示 。 图 1 3 飞轮转 速曲线 图 图 1 4蓄能器压力曲线图 一 4 ． 4 系统效率计算 ， 。 针对12k _ 实验 ， 将制动能量回收效率 叼 定义为 制 动过程 中，蓄能器最高压力下所储存的能量与飞轮组 初始转速下动能的比值 。其计算公式为 旦 『 一 1 1 餐 8 式中E 蓄能器储存能量 ； E ； 飞轮组初始动能 ； P 蓄能器充气压力 ； 蓄能器容积 ； 多变指数 ， 在此取 n 1 ． 4； p 蓄能器最高压力 ； ， n 飞轮组旋转惯量； ∞ 飞轮组初始转动角速度。 依据上述公式 ，计算实验条件下 的制动能量回收 效率 ， 得 叼 2 8 ． 5 ％。 将制动能量再利用效率 叼 定义为 加速过程中，I I ～ 一 。 一2 一 ～ 一一 二二 一 h 一△ U Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 9 ． 2 01 1 轮组最高转速下的动能和蓄能器初始压力下所储存能 量的比值 。其计算公式为 等 毋n-1 【、p 一J 9 式中 飞轮组被加速过程 中的最大动能； P 蓄能器初始压力； 飞轮组最大转动角速度。 依据上述公式 ．计算实验条件下 的制动能量再利 用效率 ， 得 叼 4 2 ． 6 ％。 因此 ， 实验条件下的系统总效率为 ‘ 叩 1 2． 1 4％ 。 6 结果对 比分析 仿真和实验条件下的系统总效率的计算结果相差 不超过 1 0 ％， 可见仿真结果和实验结果一致性较强 ， 可 信度较高 ，证明仿真模型和依据相似原理建立的实验 模型的正确性 。 同时还可 以看出，实验和仿真条件下的制动能量 回收效率都较低 ，从履带车辆实际行驶状况和液压储 能式制动能量再生系统实际运行过程来看 ．其原因大 致可归结为以下几个方面①制动过程中外界阻力的 影响， 包括空气阻力、 地面行驶阻力以及坡度阻力。② 机械传动系统效率的影响 ， 包括增速器 、 动力耦合装置 和侧传动以及履带行走装置 的机械效率 。③液压传动 系统效率的影响 ．包括液压泵／ 马达 的机械效率和容积 效率 ， 液压管路和阀组元件的液阻损失。④液力偶合器 效率的影响。液力偶合器传递效率等于传动 比『 l 0 1 ， 在泵 轮和涡轮的传动 比较小时 ， 液力偶合器消耗大部分的制 动能量， 并转化为工作液体的内能。 ⑤控制策略的影响。 由制动工况控制策略可知 ，在车速较低情况下制动时 ， 由于能量再生制动效率和制动强度下降 ， 为保证停车的 安全性和可靠性 ，主要使用机械制动系统进行制动 ； 在 蓄能器压力较高时 ， 为保证液压系统安全性 ， 主要采用 机械摩擦制动 ， 较少或不使用能量再生制动系统。 制动能量的再利用效率主要受外界阻力做功 和动 力传动系统传递效率 的影 响，与履带车辆 自身参数和 行驶状况有关 ， 一般变化不大。 7结论 虽然履带车辆液压储能式制动能量再生系统 的总 效率只有 1 0 ％左右 ， 但其仍然具有可行性和应用价值 ， 下面从 以下几个 方 面进行 分析 1 该系统的制动能量再利用效率较为稳定 ， 制动 能量 回收效率的高低是影 响总效率大小 的主要因素 ， 在履带车辆高速小幅制动时 ， 制动能量 回收效率较高。 2 利用液压储能式制动系统对履带车辆进行 制 动 ， 可大大减少机械制动器的使用频率 ， 尤其在车速较 高时可以有效降低摩擦制动器的滑摩程度 ，提高制动 安全性 ， 同时增长机械制动器的使用寿命 。由辅助制动 工况仿真结果可以看出 ， 在小幅制动下 ， 在车辆制动的 高速阶段 ， 极大减小了机械摩擦制动器的使用程度 。 3 利用液压储能辅助驱动车辆 ， 可极大的提高履 带车辆的燃油经济性 、 动力性和战场生存能力 。由实验 及仿真结果可知 ，系统对液压储能的再利用效率相对 较高 ； 由辅助起动工况 的仿真结果可知 ， 制动能量再生 系统能够有效提高履带车辆的加速启动能力 ，在相 同 的行驶工况下 ． 能够 明显减少燃油消耗 ， 保证了履带车 辆 的行 驶安 全性 和机 动性 能 。 参 考 文 献 【 1 】 吕建刚 ， 何忠波 ， 张培林 ， 等． 车辆结构与原理[ M 】 ． 北 京 国防 工 业 出版 社 ． 2 0 0 7 ． 【 2 】 张银彩 ， 苑士华 ， 魏超 ， 等． 制 动能量 回收 系统车辆制动 工况 研究『 J ] ． 机械设计 与制造 ， 2 0 0 8 8 ． 【 3 】 刘昕晖． 液压混合动力技术及其工程应用【 R 】 ． 长春 吉林 大学 机械科学与工程学院 ． 2 0 0 6 ． [ 4 ] 张岚， 弓海霞， 刘 宇辉 ． 新编实用 液压技术手册【 M 】 ． 北京 人民 邮电出版社。 2 0 0 8 ． 【 5 ] Z H A O G u a n g j u n ， L V J i a n g a n g ． F u z z y P I D C o n t r o l o n C o mb i n e d B r a k i n g S y s t e m o f T r a c k e d Ve h i c l e wi t h B r a k i n g E n e r g y R e c o v e r y S y s t e m[ C ] ． C MC E 2 0 1 0 ， J i l i n ， Chi na ， 2 32 5 Au g us t ， 2 01 0 51 5 51 8． [ 6 ] N a d e ri P e y m a n ，Mi r s a l i m Mo j t a b a ， B a t h a e e M． T a g h i ， e t a 1 ． F u z z y c o n t r o l l e r d e s i g n f o r p a r a l l e l h y b ri d v e h i c l e a n a l y s i s u s i n g f o r w a r d s i m u l a t i o n [ C ] ．I E E E V e h i c l e P o w e r a n d P r o p u l s i o n C o n f e r e n c e ， D e a r b o r n ， MI u s ， 0 7- 1 0 S e p t e mb e r ， 2 0 0 9 2 3 4 - 2 4 1 ． [ 7 ] 何仁 ， 陈庆樟． 汽车制动 能量再生系统制动 力分 配研究【 J J ． 兵 工学报 ． 2 0 0 9 2 ． 【 8 】 彭栋 ， 殷承 良， 张建武． 混合 动力 汽车制动力矩 动态 分配控制 策略研究[ J ] ． 系统仿真学报 ， 2 0 0 7 2 2 ． 【 9 】 H a mi d K h a y y a m ， A b b a s Z ． K o u z a n i ， E r i c J ． H u ． A n I n t e l l i g e nt En e r g y Ma n a g e men t Mo d e l f o r a Pa r a l l e l H y b ri d V e h i c l e U n d e r C o mb i n e d L o a d s [ C ] ．I C V E S 2 0 0 8 ． C o l u mb u s ，OH，US A，2 2 2 4 S e p t e mb e r ，2 0 0 8 1 0 0 1 0 5 ． [ 1 0 】 刘应 诚 ， 等． 液力偶 合器 实用手 册[ M] ． 北 京 化学工 业 出版 社 ． 2 0 0 8 ． 45