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2016 年 4 月 第 44 卷 第 8 期 机床与液压 MACHINE TOOL & HYDRAULICS Apr 2016 Vol 44 No 8 DOI10.3969/ j issn 1001-3881 2016 08 016 收稿日期 2015-03-30 基金项目 四川省科技厅科技支撑项目 (2010GZ0173) 作者简介 伍迪 (1982) 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为机械传动。 E-mail zhediwubowen@ 126 com。 基于 AMESim 的串联型液压混合动力传动系统建模与仿真 伍迪1, 姚进2, 李华2 (1 西华大学能源与动力工程学院, 四川成都 610039; 2 四川大学制造科学与工程学院, 四川成都 610065) 摘要 针对频繁启停运行汽车设计了一种串联型液压混合动力传动系统, 以此为基础设计了该混合动力系统能量管理 策略, 该控制策略通过设定发动机介入压力以保证储能器能量耗尽时发动机及时介入供能。 运用 AMESim 系统仿真软件建 立了系统仿真模型进行仿真分析, 并对储能器充气压力、 发动机介入压力等设计参数对节能效果的影响进行研究, 仿真结 果表明 所设计的混合动力系统能够有效回收与再利用车辆制动能, 保证储能器能量消尽时发动机及时供能, 降低汽车行 驶过程中的能源消耗。 关键词 串联型; 液压混合动力传动系统; AMESim 仿真; 能量管理 中图分类号 TH137 1 文献标志码 A 文章编号 1001-3881 (2016) 08-045-4 Modeling and Simulation of Series Hydraulic Hybrid Power System Based on AMESim WU Di1, YAO Jin2, LI Hua2 (1 School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu Sichuan 610039, China; 2 School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China) Abstract A series hydraulic hybrid power system was designed for the vehicles frequent start and stop. Based on the system, an energy management strategy for the vehicle with the system was proposed in which a pressure of accumulator was set for engine power supply. The simulation model of the series hydraulic hybrid power system was constructed by using AMESim, and the energy saving in⁃ fluenced by gas precharge pressure of accumulator and other parameter were discussed. The simulation results show that the system can recover and reuse energy during the vehicle barking and driving, ensure the engine working when the accumulator energy is given out, and reduce vehicle energy consumption. Keywords Series tyoe; Hydraulic hybrid system; AMESim simulation; Energy management 自 2003 年以来我国汽车销售量逐年增长, 据统 计 2014 年我国汽车全年销售总量已经达到 2 400 万 辆左右[1], 汽车行业已经成为我国能源消耗大户, 资 料显示汽车行业石油消耗约占我国石油消耗总量的 31 5%左右[2], 但我国国产汽车节能减排较发达国家 尚有差距, 据比较我国小型汽油机汽车能耗比国外先 进国家要高出 10%~20%, 采用大型柴油机汽车能耗 则要高出 20% ~ 30%[3]。 因此提高汽车能源使用效 率, 降低排放量已成为我国汽车研究领域急需解决的 问题。 对于频繁启停行驶汽车, 发动机所提供的驱动 能大多在制动过程中以摩擦热能的形式消耗殆尽[4], 若能将消耗在刹车片上的制动能回收, 并用于行驶驱 动, 不仅能有效节约燃油, 还能减少排放量。 因此本 文针对静液压传动汽车, 将制动能再生技术与静液压 传动技术结合, 设计了一种串联型液压混合动力传动 系统, 并针对该混合动力传动系统提出能量管理策 略, 最后运用 AMESim 仿真软件进行仿真分析, 为该 类混合动力传动系统在车辆工程中进一步应用提供理 论依据。 1 串联型混合动力系统工作原理 系统简图如图 1 所示。 图 1 串联型液压混合动力传动系统简图 高压储能器 1 汽车制动时回收制动能并在汽车行 驶时为汽车供能驱动。 低压储能器 2 为整个传动系统 提供液压油。 当汽车制动时, 液压泵/ 马达 10 以泵工 况工作, 方向阀 3 打开, 液压泵 9 斜盘倾角为 0 液压 泵不工作, 离合器 8 断开, 液压泵/ 马达 10 将汽车行 驶的动能转换为液压能并进行储存, 当汽车行驶时, 液压泵/ 马达 10 以马达工况工作, 若储能器 1 中所储 存的液压能较高, 发动机不工作, 离合器 8 断开, 液 压泵 9 斜盘倾角为 0 液压泵不工作, 方向阀 3 打开, 工作在马达工况下的液压泵/ 马达 10 将储能器 1 中的 液压能转换为机械能驱动汽车行驶, 若储能器 1 中所 储存的液压能较低, 为了使得发动机在储能器能量耗 尽时及时介入, 发动机应在储能器能量消耗殆尽前介 入供能, 此时离合器 8 结合, 液压泵 9 斜盘倾角不为 0 液压泵工作, 方向阀 3 打开, 发动机 7 和高压储能 器 1 同时供能驱动汽车, 若储能器 1 储存的液压能消 耗殆尽, 方向阀 3 关闭, 此时离合器 8 结合, 液压泵 9 斜盘倾角不为 0 液压泵工作, 此时汽车行驶所需的 能量全部由发动机 7 提供。 其各种工况工作简图如图 2 (a)、 (b)、 (c) 和 (d) 所示。 图 2 串联型液压混合动力传动系统工作简图 2 串联型混合动力系统数学模型 2 1 液压泵和液压马达数学模型 根据斜盘式柱塞泵和马达理论流量和容积效率计 算式可以得到流经液压泵和液压马达的实际流量分 别为[5-9] Qp =η VpumpepωpDpmax/2π (1) Qm =e mωmDm max/2πηVmotor (2) ηVpump=1 - Cs epS - Δp β - Cst epσ (3) ηVmotor =1 1+ Cs emS+ Δp β + Cst emσ (4) 式中 ep、 em、 ωp、 ωm、 Dpmax、 Dmmax、 ηVpump和 ηVmotor 分别为泵和马达的排量比、 角速度、 最大排量和容积 效率; Cs、 Cst为泄漏系数 (层流和湍流); S= μω/ Δp, σ=ωD1/3 pmax/ (2Δp/ ρ) 1/2; β、 μ、 ρ 分别为液压油的 体积模量、 动力黏度系数和密度; Δp 为泵和马达高 压侧与低压侧的压差。 泵和马达的排量比取值为 [-1, 1] 之间。 考虑到斜盘式柱塞泵、 液压泵和液压马达各部件 之间的相互摩擦力, 以及液压油的黏性和动态性对工 作力矩的影响, 可以得到液压泵和马达的工作力矩为 Tp =e pΔpDpmax/2πηTpump (5) Tm =e mΔpηTmotorDmmax/2π (6) ηTpump = 1 1 + CV ep + Cf ep + C he 2 pσ 2 (7) ηTmotor=1- CVS em - Cf em - C he 2 mσ 2 (8) 式中 ηTpump、 ηTmotor分别为泵和马达的转矩效率; CV 为液压油的黏性阻尼系数; Cf为摩擦因数; Ch为液 压油动态转矩影响系数。 2 2 储能器数学模型 储能器数学模型可根据工程热力学等熵法则得 到, 由等熵法则可知, 对于忽略了气体分子的体积和 相互之间的内聚力的理想气体其气体压力和体积满足 pVγ=const, 另外储能器中气体的压力与液压油压力 相等及 pgas =p acc, 储能器中的液压油与气体的体积变 化率等于流入或流出储能器的液压油流量, 即 dVoil/ dt=-dVgas/ dt=Qacc。 综上所述可以得到储能器中液压 油压力与流量之间的关系为[9-10] dpacc dt = (γQacc(pacc) (1+1/ γ) / ((V0gas) γp 0gas) 1/ γ (9) 式中 V0gas、 p0gas分别为储能器中气体初始体积和压 力; Voil、 pacc分别为储能器中液压油的体积和压力; Qacc为储能器进出口流量; Vgas、 pgas分别为储能器中 气体的体积和压力; γ 为储能器中气体指数, 通常情 况下储能器中充入的气体为氮气, 因此 γ=1 4。 3 串联型液压混合动力传动系统能量管理策略 文中所提的系统能量管理是通过高压储能器工作 压力进行判断, 在能量管理时预设一个储能器最高工 作压力 ph、 一个最低工作压力 pl和一个保证发动机 及时介入的临界压力 pc, 汽车在行驶过程中通过安置 在高压储能器进出口处的压力传感器反馈储能器工作 压力 pacc, 当 pacc≥pc储能器单独为汽车行驶供能, 当 pl≤pacc<pc时储能器与发动机同时供能驱动汽车, 当 pacc<pl时发动机单独供能。 当汽车制动时, 当 pacc<ph 并储能器工作压力能够满足汽车制动需求及 ΔpDpmax/ 2πηTpump≥M (M 为汽车所需制动力矩) 时, 储能器 回收汽车制动能并单独为汽车提供制动力矩, 当pacc< ph、 储能器工作压力不能够满足汽车制动需求及 ΔpDpmax/2πηTpump<M 时, 储能器与刹车片共同为汽车 提供制动力矩, 当 pacc≥ph, 储能器不工作, 刹车片 单独为汽车提供制动力矩。 串联型液压混合动力传动 系统能量管理策略如图 3 所示, 汽车制动力矩 M 的 计算如下式所示 M = fmgcosα + mgsinα + ρaircxAx 2 (vc + v wind) 2 - m dvc dt rw (10) 64机床与液压第 44 卷 式中 f 为车轮与地面之间的滚动摩擦因数; m 为汽 车行驶质量; α 为汽车爬坡角; ρair、 cx分别为空气密 度和渗透系数; vc为汽车行驶速度; vwind为汽车行驶 时刻的风速; rw为车轮半径。 图 3 串联型液压混合动力传动系统能量管理策略 4 仿真模型建立 运用 AMESim 建立串联型液压混合动力传动系统 仿真模型, 如图 4 所示。 图 4 串联型液压混合动力传动系统仿真模型 为了仿真方便设汽车行驶时爬坡角 α = 0, 风速 vwind=0, 变速箱传动比 ig= 1, 其他仿真参数设置如 表 1 所示。 表 1 系统仿真参数表 ρ/ (kgm -3 )850 pl/ MPa23 β/ MPa1 700ph/ MPa40 μ/ (Pas)0 051pc/ MPa26 Dpmax/ (m3rad -1 )3 59110 -5 rw/ m0 381 Dp/ m_max/ (m3rad -1 )3 59110 -5 m/ kg1 470 cx0 3f0 001 Vacc/ L30ppre/ MPa20 注 Vacc为高压储能器容积, ppre为储能器充气压力。 5 仿真结果分析 对串联型液压混合动力传动系统进行仿真时, 设 汽车行驶车速如图 5 (a) 所示; 图 5 (b) 为整个行 驶过程中每一时刻汽车行驶的功率需求, 其中正值为 汽车加速或匀速行驶时的功率需求, 负值表示汽车减 速制动时每一时刻所需消耗的功率; 图 5 (c) 为汽 车行驶过程中高压储能器工作压力变化情况; 图 5 (d)为发动机输出功率。 可以看出 当汽车加速和 匀速行驶、 液压储能器压力较高时, 储能器放能驱动 汽车行驶而发动机不对汽车提供能量, 当液压储能器 压力较低及液压储能器中的所储存的能量即将耗尽发 动介入与液压储能器共同驱动汽车行驶, 当液压储能 器压力小于或等于最低工作压力及储能器中所回收的 车辆制动能耗尽, 液压储能器停止向车辆供能, 此时 发动机为汽车行驶唯一动力源。 图 5 系统仿真曲线图 图 6 (a) 和 (b) 为汽车整个行驶过程中所消 耗的能量。 由图 6 (a) 可以看出 ppre越大, 汽车在 制动过程中储能器储存的能量越多, 发动机输出的能 74第 8 期伍迪 等 基于 AMESim 的串联型液压混合动力传动系统建模与仿真 量越少, 但总体对节能影响效果较小; 从图 6 (b) 可以看出 pc越大, 发动机在汽车行驶过程中输出 能量越多但相差较小。 出现这种差别主要是因为 ppre 越大发动机介入越早, 过早的介入会使得储能器放能 速度变缓, 待汽车制动回能时, 储能器中的能量并未 耗尽所致。 通过能量曲线可以看出整个车辆行驶过程 中串联型液压混合动力传动系统比传统的静液压传动 系统节能 40%左右。 图 6 汽车耗能与发动机供能曲线 6 结论 设计了一种串联型液压混合动力传动系统, 分析 了该系统的各种工作状况, 提出了相应的能量管理策 略, 以此为基础使用 AMESim 仿真软件建立了系统仿 真模型, 仿真结果表明所设计的串联型液压混合动力 传动系统比传统的静液压传动系统节能 40%左右, 通过对不同储能器的充气压力和发动机介入压力仿 真曲线的比较发现 充气压力越大和发动机介入压 力越小, 系统节能效果越好, 但总体影响较小。 由 于汽车行驶工况变化复杂, 针对不同的行驶工况, 如何使得发动机和液压储能器供能分配达到最优, 以及该能量管理策略的优化和发动机匹配等问题需 进一步研究。 参考文献 [1] 中国汽车工业协会.2014 年 12 月汽车工业产销情况简析 [EB/ OL].http/ / www.caam.org.cn/ zhengche/20150112 / 1705144351.html,2015-01-12. 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(上接第 33 页) 艺方案, 实践证明 此工艺方案大幅提高了生产效率 及产品合格率, 产品合格率在 98%以上; (2) 通过对机床工艺方法、 运动装配、 精度要 求、 自动化程度及生产效率等的分析, 确定了机床的 整体布局, 实现了多副连杆的同时加工, 既保证了生 产效率, 又保证了工件的精度; (3) 设计了机床主轴箱及进给数控滑台等关键 部件的结构; (4) 实际生产加工表明 工件的各项精度指标 均达到或超过工件精度要求。 参考文献 [1] 王晓峰,黄磊,杨静,等.汽车发动机连杆断裂失效分析 [J].金属热处理,2013,38(7)122-124. [2] 郑黎明.发动机连杆的螺栓装配设备与工艺[J].机械工 程师,2014(6)64-65. [3] 田乐意.体上攻丝连杆螺栓孔加工工艺研究[J].煤矿机 械,2013,34(9)141-142. [4] 王正刚,葛友华,朱龙英,等.连杆盖螺栓孔钻削专机夹 具的设计[J].煤矿机械,2012,33(6)132-134. [5] 杨杰.防爆柴油机连杆加工工艺[J].煤矿机械,2012,33 (8)119-120. [6] 杨金凤,胡兆国,韩雄伟,等.精密曲轴连杆颈磨削加工 技术的研究[J].现代制造工程,2012(8)80-82. [7] 陈湛军.发动机连杆拆盖工装设计及难点探讨[J].组合 机床与自动化加工技术,2011(8)80-82. [8] 李金莹,陈辉.高速高精度连杆精镗机床的设计[J].组 合机床与自动化加工技术,2011(6)87-90. [9] 张树礼,黄耀明.曲轴圆角滚压机床的设计与研究[J]. 制造技术与机床,2012(7)43-45. 84机床与液压第 44 卷
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