劉 濤，姜繼海

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院，山東威海264209，lt4325@163.com;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)流體傳動(dòng)與控制研究所，哈爾濱150001)

全球化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、能源匱乏、環(huán)境污染等問(wèn)題促使人們考慮車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題.作為混合動(dòng)力技術(shù)的一個(gè)重要分支，靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力車輛也逐漸引起了各國(guó)政府、研究機(jī)構(gòu)及汽車制造商的高度重視［1-2］.由發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵/馬達(dá)組成的并聯(lián)式靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)并可在車輛減速過(guò)程中回收制動(dòng)能量，因此可顯著提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性.液壓蓄能器具有功率密度大、充放能量速度和頻率比蓄電池快得多的優(yōu)點(diǎn)［3-4］.因此，對(duì)于公交客車、SUV和重型商用車，靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力技術(shù)具有較好的適用性［5-6］.液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于提高燃油經(jīng)濟(jì)性和制動(dòng)性能起著重要的作用，但目前相關(guān)研究的文獻(xiàn)較少.

由液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的摩擦制動(dòng)系統(tǒng)組成的靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力車輛制動(dòng)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)車輛.液壓蓄能器高功率密度的特點(diǎn)以及液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)系統(tǒng)之間復(fù)雜的協(xié)調(diào)工作要求對(duì)制動(dòng)控制策略進(jìn)行研究，協(xié)調(diào)所有的制動(dòng)系統(tǒng)都處于最佳的方式，在獲得滿意的制動(dòng)效果的同時(shí)回收最多的制動(dòng)能［7-8］.

本文結(jié)合能量再生系統(tǒng)功率密度大的特點(diǎn)，分析靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力車輛在城市行駛工況下的制動(dòng)特征，提出了一種新的制動(dòng)控制策略，并確定了并聯(lián)式靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力車輛再生制動(dòng)控制方法以提高制動(dòng)能量的回收.通過(guò)仿真和試驗(yàn)研究驗(yàn)證了該控制策略進(jìn)一步提高制動(dòng)能量回收和制動(dòng)性能的有效性.

1 PHHV的結(jié)構(gòu)原理

前輪驅(qū)動(dòng)靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力車輛(見(jiàn)圖1)主要由內(nèi)燃機(jī)、高壓蓄能器、低壓蓄能器和可變排量的液壓泵/馬達(dá)組成.主要?jiǎng)恿υ礊閭鹘y(tǒng)車輛的柴油機(jī)，液壓泵/馬達(dá)通過(guò)扭矩耦合器與傳動(dòng)軸連接.

圖1 PHHV結(jié)構(gòu)原理圖

在車輛減速過(guò)程中，液壓泵/馬達(dá)工作在泵工況，可收集通常被傳統(tǒng)車輛摩擦制動(dòng)耗散掉的能量.當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，液壓泵/馬達(dá)利用制動(dòng)能量使液壓油液由低壓蓄能器轉(zhuǎn)入高壓蓄能器，高壓蓄能器油液壓力升高.高壓油液在車輛再次起步、加速過(guò)程中可以驅(qū)動(dòng)液壓泵/馬達(dá)提供轉(zhuǎn)矩［9］.通常設(shè)定在常規(guī)、中等制動(dòng)強(qiáng)度時(shí)回收制動(dòng)能量并由摩擦制動(dòng)提供補(bǔ)充.

PHHV前輪制動(dòng)力Ff1和后輪制動(dòng)力Ff2為

式中:φ為地面附著系數(shù)，G為汽車重力(N)，m為汽車總質(zhì)量(kg)，a為汽車質(zhì)心至前軸中心線距離(m)，b為汽車質(zhì)心至后軸中心線距離(m)， L為汽車軸距(m)，u為汽車行駛速度(m/s)，hg為汽車質(zhì)心高度(m).

制動(dòng)過(guò)程中，汽車的前軸軸荷增加而后軸軸荷減少，因此采用前軸驅(qū)動(dòng)的車輛具有更大的制動(dòng)能量回收潛力，制動(dòng)性能更佳.

2 關(guān)鍵元件的選擇準(zhǔn)則

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)功率的選擇

PHHV發(fā)動(dòng)機(jī)功率的選擇主要保證當(dāng)車輛勻速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在中/高載荷的高效區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)功率Pe為

式中:f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，Cd為空氣阻力系數(shù)，A為汽車正面投影面積(m2).

考慮到2%的爬坡功率裕量、空調(diào)功率和10%液壓蓄能器主動(dòng)充壓功率裕量，式(1)可表示為

式中:Pemax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率(kW)，Pacc為蓄能器主動(dòng)充壓功率(kW)，Pi為爬坡功率(kW)，Pchr為空調(diào)等附件功率(kW).

事實(shí)上，巡航功率是一個(gè)功率帶，應(yīng)保證該功率帶穿越發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖上經(jīng)濟(jì)性較好的區(qū)域.

2.2 液壓蓄能器的選擇

液壓蓄能器容積的確定應(yīng)以回收車輛在巡航速度下的動(dòng)能為準(zhǔn)，其容積可由下式確定:

式中:E為可回收的能量(J)，p為蓄能器工作壓力(MPa)，p1為蓄能器最高工作壓力(MPa)，V1為最高壓力時(shí)氣體體積(m3)，n為氣體指數(shù).

蓄能器最低工作壓力pacc-min由下式確定:

式中:r為車輪滾動(dòng)半徑(m)，i0為汽車主減速比，iP/M為耦合器傳動(dòng)比;VP/M為液壓泵 /馬達(dá)排量(mL/r).

蓄能器最高工作壓力pacc-max不得超過(guò)系統(tǒng)許用工作壓力pmax，即

2.3 液壓泵/馬達(dá)的選擇

車輛起步時(shí)，液壓泵/馬達(dá)要提供全部牽引功率，車輛制動(dòng)時(shí)，液壓泵/馬達(dá)工作在泵工況回收制動(dòng)能量.因此，液壓泵/馬達(dá)最小排量為

式中:ηP/M為液壓泵/馬達(dá)效率，i0為汽車主減速比，iP/M為耦合器傳動(dòng)比.

2.4 扭矩耦合器傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

扭矩耦合器傳動(dòng)比用來(lái)保證液壓泵/馬達(dá)在制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)時(shí)始終工作在高效區(qū)，可由下式確定:

式中:ng為液壓泵/馬達(dá)在高效區(qū)的轉(zhuǎn)速(r/min).

3 液壓再生制動(dòng)控制策略

3.1 再生制動(dòng)力分配原則

對(duì)于靜液傳動(dòng)車輛，由于液壓泵/馬達(dá)可以回收部分制動(dòng)能量，其制動(dòng)力分配與傳統(tǒng)車輛不同［10］.對(duì)于重型貨車在空載或滿載時(shí)制動(dòng)力矩有很大差異.PHHV的制動(dòng)力分配策略如圖2所示，其制動(dòng)力分配原則如下:

1)當(dāng)車輛滿載且制動(dòng)強(qiáng)度z≤0.06或空載且制動(dòng)強(qiáng)度z≤0.1時(shí)，液壓再生制動(dòng)能滿足整車制動(dòng)強(qiáng)度需要，提供全部制動(dòng)力.

2)當(dāng)車輛滿載且制動(dòng)強(qiáng)度0.1＜z＜0.5或空載且制動(dòng)強(qiáng)度0.1＜z＜0.7時(shí)，采用聯(lián)合制動(dòng)方式，液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)與摩擦制動(dòng)系統(tǒng)共同提供全部制動(dòng)力.如果液壓泵 /馬達(dá)所能提供的最大力超過(guò)所需求的前軸制動(dòng)力，則前軸制動(dòng)力全部由液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)提供，否則由液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)和摩擦制動(dòng)系統(tǒng)共同提供.

3)當(dāng)車輛滿載且制動(dòng)強(qiáng)度z＞0.5或空載且制動(dòng)強(qiáng)度z＞0.7時(shí)，制動(dòng)力全部由摩擦制動(dòng)系統(tǒng)提供，以保證緊急制動(dòng)的安全性.

圖2 PHHV制動(dòng)力分配曲線

3.2 PHHV的再生制動(dòng)控制策略

基于對(duì)PHHV的再生制動(dòng)力分配的分析，提出了液壓再生制動(dòng)的控制策略，如表1所示.

表1 PHHV的再生制動(dòng)控制策略

制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)控制器通過(guò)駕駛員踩制動(dòng)踏板的幅度、速度和加速度感知駕駛員的制動(dòng)意圖(重、輕度制動(dòng)等)并計(jì)算所需制動(dòng)力矩.前、后輪制動(dòng)力按照PHHV的制動(dòng)力分配原則確定.如果由液壓泵/馬達(dá)提供的最大再生制動(dòng)力矩小于所要求的前輪制動(dòng)力矩，其差值由摩擦制動(dòng)系統(tǒng)提供.再生制動(dòng)力矩的時(shí)變特性，要求摩擦制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦制動(dòng)力矩必須能相應(yīng)地改變以保證乘坐舒適性.同時(shí)，液壓再生制動(dòng)控制策略中還引入了輪胎滑移率，當(dāng)滑移率超過(guò)預(yù)定值0.2，考慮車輛制動(dòng)的安全性，再生制動(dòng)不參與工作，制動(dòng)力全部由摩擦制動(dòng)提供.

4 仿真與試驗(yàn)研究

4.1 仿真模型和參數(shù)

為驗(yàn)證所提出的再生制動(dòng)控制策略的有效性，在Matlab/simulink中建立了靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力車輛的后向仿真模型，進(jìn)行仿真研究.整車基本參數(shù)如表2所示.

表2 整車及部件參數(shù)

4.2 不同行駛方式制動(dòng)能量再生研究

前輪和后輪驅(qū)動(dòng)模式下的再生制動(dòng)能量如圖3所示，在制動(dòng)過(guò)程中，前軸載荷增加而后軸載荷減少，因此前輪驅(qū)動(dòng)靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力車輛可回收更多制動(dòng)能量.

圖3 前輪和后輪驅(qū)動(dòng)模式下的再生制動(dòng)能量

4.3 不同制動(dòng)強(qiáng)度下再生制動(dòng)能量研究

當(dāng)車輛在空載且制動(dòng)強(qiáng)度z＜0.1時(shí)，由液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)提供全部制動(dòng)力，其仿真結(jié)果如圖4所示.

制動(dòng)能量回收率定義為

式中:Er為車輛動(dòng)能(J)為液壓蓄能器回收的制動(dòng)能量(J)，

圖4 z＜0.1時(shí)液壓再生制動(dòng)仿真曲線

由仿真數(shù)據(jù)計(jì)算可知，輕度制動(dòng)時(shí)靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)制動(dòng)能量回收率為

當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度0.1＜z＜0.5時(shí)，液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)與摩擦制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同工作提供全部制動(dòng)力矩，仿真結(jié)果如圖5所示.

圖5 0.1＜z＜0.5時(shí)液壓再生制動(dòng)仿真曲線

由仿真數(shù)據(jù)計(jì)算可知，在中度制動(dòng)時(shí)，靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)制動(dòng)能量回收率為36.93%和25.28%.

4.4 試驗(yàn)研究

靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架如圖6所示.

圖6 靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力車輛試驗(yàn)臺(tái)架

變量泵為液壓泵/馬達(dá)提供恒壓壓力，測(cè)功機(jī)提供負(fù)載轉(zhuǎn)矩，飛輪用于模擬車輛慣量.

典型駕駛循環(huán)下的液壓再生制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示.

圖7 飛輪速度和道路阻力

圖8 液壓泵/馬達(dá)功率和蓄能器壓力

蓄能器壓力的大范圍波動(dòng)證明制動(dòng)能量有效的再生和重新利用.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可得在z≤0.1時(shí)靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)制動(dòng)能量回收率為

5 結(jié)語(yǔ)

前輪驅(qū)動(dòng)靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力車輛在制動(dòng)能量回收和制動(dòng)效果方面更具潛力，所提出的液壓再生制動(dòng)控制策略可以適當(dāng)?shù)胤峙湓偕苿?dòng)轉(zhuǎn)矩和傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在保證制動(dòng)安全性的前提下有效地回收制動(dòng)能量，提高車輛的制動(dòng)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，為并聯(lián)式靜液傳動(dòng)混合動(dòng)力車輛提供了切實(shí)可行的方法，具有較大的應(yīng)用價(jià)值.

［1］HEWKO L O，WEBER T R.Hydraulic Energy Storage Based Hybrid Propulsion System for a Terrestrial Vehicle［C］//Proceedings of the Intersociety Energy Conversion Engineering Conference.Reno，NV，USA:［s.n.］，1990:99-105.

［2］魏英俊.新型液壓驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力運(yùn)動(dòng)型多用途車的研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2006，17(15):1645-1648.

［3］SIMON B，CHRISTINE E，EDWARD G，et al.Hydraulic Hybrid Systems for Commercial Vehicles［C］//SAE paper，No.2007-01-4150.

［4］LYNN A，SMID E，ESHRAGHI M，et al.Modeling hydraulic regenerative hybrid vehicles using AMESim and Matlab/Simulink［C］//Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering.Orlando，F(xiàn)L，United states:［s.n.］，2005:24-40.

［5］MATHESON P，STECKI J.Modeling and simulation of a fuzzy logic controller for a hydraulic-hybrid powertrain for use in heavy commercial vehicles［C］//SAE Paper，No.2003-01-3275.

［6］HIROKI S，SHIGERUH I，EITARO K，et al.Study on hybrid vehicle using constant pressure hydraulic system with fly wheel for energy storage［C］//SAE Paper，No. 2004-01-3064.

［7］PENG D，YIN C L，ZHANGh J W.Advanced Braking Control System for Hybrid Electric Vehicle Using Fuzzy Control Logic［C］//SAE paper，No.2006-01-3583.

［8］YE M，GUO Z Y，CHENGh B，et al.Hybrid robust control for regenerative braking of electric vehicles based on parameter perturbation［J］.Journal of XI’AN JIAOTONG University，2007，41(1):64-68.

［9］KIM Y J，F(xiàn)ILIPI Z.Simulation Study of a Series Hydraulic Hybrid Propulsion System for a Light Truck［C］//SAE paper，No.2007-01-4151.

［10］SUN H，JIANG J H，WANG X.Parameters matching and control method for hydraulic hybrid vehicle with secondary regulation technology［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering(English Edition)，2009，22 (1):57-63.