仝猛，趙慧，Monika IVANTYSYNOVA

(1.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院，湖北武漢430081;2.普度大學(xué)Maha流體動力研究中心，拉法葉47905，美國)

隨著能源危機(jī)的加劇和環(huán)保問題日益嚴(yán)峻，對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能有極大提高和改善的混合動力傳動技術(shù)逐漸引起了各國政府、研究機(jī)構(gòu)及汽車制造商的高度重視，并得到越來越廣泛的應(yīng)用。

制動能再生技術(shù)為混合動力汽車的一項(xiàng)關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)，與蓄電池、飛輪和超級電容等幾種常用蓄能元件相比，液壓蓄能器具有高比功率、高循環(huán)效率、長時間儲能以及全充和全放能力強(qiáng)等特點(diǎn)［1］。因此，液壓混合動力技術(shù)得到日益廣泛的關(guān)注。

目前，世界各國研究開發(fā)的混合動力汽車根據(jù)動力系統(tǒng)的連接方式不同，可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式3種組合方式［2］。國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)對液壓混合動力的研究主要集中在串聯(lián)式和并聯(lián)式，混聯(lián)式技術(shù)則發(fā)展緩慢。

混聯(lián)式液壓混合動力也稱功率分流液壓混合動力，是串聯(lián)式系統(tǒng)和并聯(lián)式系統(tǒng)的綜合。它體現(xiàn)了串聯(lián)式和并聯(lián)式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，功率分流機(jī)構(gòu)的引入，使傳動系統(tǒng)效率更高，可傳遞的功率也較大，并可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無級調(diào)速［2］。但相比于串聯(lián)式和并聯(lián)式系統(tǒng)，功率分流液壓混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都更加復(fù)雜。因此，功率分流液壓混合動力系統(tǒng)工作模式的確定是對該類系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)，能量管理策略是對該系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

功率分流液壓混合動力傳動系統(tǒng)是以功率分流傳動系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過加入液壓蓄能器，實(shí)現(xiàn)制動能回收和再利用。功率分流傳動系統(tǒng)根據(jù)分流機(jī)構(gòu)和匯流機(jī)構(gòu)的不同有輸出耦合和輸入耦合等幾種基本結(jié)構(gòu)形式［3－4］，文中主要以輸出耦合功率分流液壓混合動力系統(tǒng)為例展開研究。首先在第1節(jié)中分析了輸出耦合功率分流傳動系統(tǒng) (不含液壓蓄能器，不存在能量的回收與再利用)的組成、工作模式、功率流及控制策略，并以此為基礎(chǔ)，在第2節(jié)中進(jìn)一步分析了輸出耦合功率分流液壓混合力傳動系統(tǒng)的工作模式及控制策略。

1 輸出耦合功率分流傳動系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為輸出耦合功率分流傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。圖中液壓元件1和元件2分別為變排量液壓泵/馬達(dá)。發(fā)動機(jī)輸出軸與行星排行星架相連，液壓元件1轉(zhuǎn)軸與行星排齒圈相連，液壓元件2轉(zhuǎn)軸與行星排太陽輪相連，行星排太陽輪通過主減速器與車輛驅(qū)動軸相連［3］。圖中功率分流機(jī)構(gòu)為內(nèi)外嚙合單行星排，功率匯流機(jī)構(gòu)為固定軸齒輪，發(fā)動機(jī)輸出功率被行星齒輪排分為兩路，一路直接由機(jī)械軸傳遞，一路由液壓系統(tǒng)傳遞，而后再由固定軸齒輪耦合傳遞至車輛驅(qū)動軸。

圖1 功率分流傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 單行星排工作模式分析

輸出耦合式功率分流傳動系統(tǒng)中分流機(jī)構(gòu)單行星排的結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，單行星排由太陽輪A、行星架B、齒圈C 3個元件組成，各元件之間的轉(zhuǎn)速特性與轉(zhuǎn)矩特性方程式如下［5］:

式中:ωA、ωB、ωC為行星排三元件旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s;

MA、MB、MC為行星排三元件轉(zhuǎn)矩，N/m;

i0為行星排結(jié)構(gòu)傳動比;

ZA、ZB、ZC為行星排三元件齒數(shù)。

因行星排結(jié)構(gòu)傳動比i0為負(fù)值，可知太陽輪與齒圈轉(zhuǎn)矩方向相同，行星架轉(zhuǎn)矩方向與其相反。

單行星排三元件轉(zhuǎn)速方向可用圖解法來確定，3個速度向量起點(diǎn)在同一條垂線上，終點(diǎn)可用直線連接［5］。如圖 2(b)所示。

圖2 單行星排結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)向示意圖

現(xiàn)假設(shè)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速確定，可知行星排行星架B轉(zhuǎn)速ωB確定，定義發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為正，發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為正，即行星排行星架轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)矩為正，功率通過行星架輸入行星排。

根據(jù)車輛在不同工況下的行駛速度要求和行星排特性，分析行星排的工作模式如下:

(1)車輛倒車

行星排太陽輪與行星架轉(zhuǎn)向相反，而齒圈與行星架轉(zhuǎn)向相同。太陽輪轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)矩同為負(fù)，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相同，輸入功率;而齒圈轉(zhuǎn)速為正，轉(zhuǎn)矩為負(fù)，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向相反，輸出功率。

(2)車輛怠速

太陽輪轉(zhuǎn)速為零，無功率流;齒圈與行星架轉(zhuǎn)向相同，齒圈轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向相反，輸出功率。

(3)車輛起步加速

太陽輪轉(zhuǎn)速由零逐漸增大，其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向相反，輸出功率;而齒圈轉(zhuǎn)速逐漸減小，其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向亦相反，輸出功率。

(4)全機(jī)械工作點(diǎn)

當(dāng)車速增加到一個確定速度時，齒圈轉(zhuǎn)速減小為零，無功率流。此時太陽輪依然輸出功率，定義此時車速為全機(jī)械工作點(diǎn)速度 (vm)。

(5)車輛正向加速

車輛繼續(xù)加速，太陽輪速度持續(xù)增加，直到太陽輪速度達(dá)到最大，此過程中太陽輪依然輸出功率;而齒圈轉(zhuǎn)速負(fù)方向增加，其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向相同，輸入功率。

綜上，輸出耦合功率分流傳動系統(tǒng)中單行星排的工作模式和三元件的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率流方向如表1所示。

表1 單行星排三元件工作模式

1.3 系統(tǒng)工作模式及控制策略

行星排是2自由度機(jī)構(gòu)，必須有兩個約束才能確定其動作。行星架由發(fā)動機(jī)控制其轉(zhuǎn)速，假設(shè)發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速確定，則行星架轉(zhuǎn)速可確定，此為行星排提供第一個約束;太陽輪與齒圈通過液壓系統(tǒng)相連，由兩個液壓泵/馬達(dá)之間的傳動比來決定太陽輪、齒圈的轉(zhuǎn)速關(guān)系，此傳動比為行星排提供第二個約束。由以上分析可知車輛速度可由液壓系統(tǒng)的傳動比控制，而該傳動比是通過調(diào)節(jié)兩泵/馬達(dá)的排量來控制，即可用期望車速做為泵/馬達(dá)排量控制輸入信號來實(shí)現(xiàn)車速控制。

定義V表示液壓元件排量，Vmax表示泵/馬達(dá)的最大排量，ε=V/Vmax表示變量泵/馬達(dá)的相對變量率，則ε滿足－1≤ε≤1。當(dāng)ε=0時，泵/馬達(dá)排量為零，當(dāng)ε=－1或ε=1時，泵/馬達(dá)排量最大。設(shè)液壓元件1與液壓元件2之間的傳動比為iy，則iy∝ε2/ε1。

結(jié)合行星排工作模式來確定傳動系統(tǒng)工作模式及車輛速度控制策略如下:

(1)車輛倒車

車輛倒車時行星排太陽輪轉(zhuǎn)速與齒圈轉(zhuǎn)速相反，因此iy小于零，則ε2/ε1＜0。車輛車速從零至倒車最大速度的變化過程中，太陽輪、齒圈轉(zhuǎn)速增大，但齒圈轉(zhuǎn)速變化率大于太陽輪。可得iy絕對值減小，此時ε1負(fù)向增大可實(shí)現(xiàn)車速要求。

(2)車輛怠速

車輛怠速時，太陽輪轉(zhuǎn)速為零，齒圈轉(zhuǎn)速為正。液壓系統(tǒng)傳動比iy為無窮大，則ε2/ε1無窮大，此時ε1=0，ε2=1可實(shí)現(xiàn)車速要求。

(3)車輛起步加速 (v＜vm)

車輛起步加速，太陽輪轉(zhuǎn)速正向增大，齒圈轉(zhuǎn)速正向減小。iy從無窮大逐漸減小，則ε2/ε1＞0，此時ε2正向減小或ε1正向增大可實(shí)現(xiàn)車速要求。

(4)全機(jī)械工作點(diǎn) (v=vm)

當(dāng)太陽輪轉(zhuǎn)速增大到一個確定值，齒圈轉(zhuǎn)速減小到零時，液壓元件1轉(zhuǎn)速為零，液壓系統(tǒng)不再傳遞功率，達(dá)到系統(tǒng)全機(jī)械工作點(diǎn)。傳動比iy減小至零，則ε2/ε1=0，此時ε2=0，ε1=1可實(shí)現(xiàn)車速要求。

(5)車輛正向加速 (v＞vm)

若要求車速繼續(xù)增加，即太陽輪轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，則需齒圈轉(zhuǎn)速負(fù)方向增加?？芍獋鲃颖萯y小于零，且絕對值增大。此時ε2負(fù)向增大可實(shí)現(xiàn)車速要求。

通過對車輛不同行駛工況下液壓元件1、2排量變化的分析，再考慮到液壓元件排量調(diào)節(jié)的連續(xù)性，可確定液壓元件排量的調(diào)節(jié)方式隨期望車速的變化曲線如圖3所示。

圖3 液壓元件排量調(diào)節(jié)曲線

通過上述分析，可確定輸出耦合功率分流傳動系統(tǒng)的速度控制策略為:在不同的期望車速范圍內(nèi)，依據(jù)圖3所示車速與液壓元件排量的關(guān)系，分別調(diào)節(jié)液壓元件1、2的排量，以實(shí)現(xiàn)期望車速。這種控制方法稱為順序控制模式。系統(tǒng)控制方框圖如圖4所示。

圖4 功率分流傳動系統(tǒng)控制方框圖

1.4 系統(tǒng)功率流分析

根據(jù)上述對行星排功率流方向的分析，可得出輸出耦合式功率分流傳動系統(tǒng)的功率流程，如圖5所示。

圖5 功率分流傳動系統(tǒng)功率流圖

車輛倒車時系統(tǒng)輸入功率通過液壓通道傳遞至輸出端，但有部分功率通過機(jī)械通道流回輸入端，如圖5(a)所示;車輛正向前進(jìn)過程中共有3種功率流模式，車速小于全機(jī)械工作點(diǎn)車速時系統(tǒng)輸入功率通過液壓、機(jī)械兩個通道傳遞至輸出端，如圖5(b)所示;車輛在全機(jī)械工作點(diǎn)時系統(tǒng)輸入功率只通過機(jī)械通道傳遞至輸出端，如圖5(c)所示;當(dāng)車速大于全機(jī)械工作點(diǎn)車速時，輸入功率通過機(jī)械通道傳遞至輸出端，有部分功率通過液壓通道流回輸入端，如圖5(d)所示。

2 輸出耦合功率分流液壓混合動力傳動系統(tǒng)分析

輸出耦合功率分流液壓混合動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，系統(tǒng)中蓄能器用于能量的回收與儲存。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，該系統(tǒng)與輸出耦合功率分流傳動系統(tǒng)完全相同。在液壓系統(tǒng)方面，輸出耦合功率分流液壓混合動力傳動系統(tǒng)包含一個高壓蓄能器和一個低壓蓄能器。高低壓蓄能器分別連接在油路A和油路B上。利用液壓閥來控制蓄能器與液壓回路的通斷。

圖6 輸出耦合功率分流液壓混合動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

為了提高效率，減少排量，要盡可能地回收制動能量，用于驅(qū)動汽車起步加速。相比于輸出耦合功率分流傳動系統(tǒng)，輸出耦合功率分流液壓混合動力傳動系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)能量的回收和再利用，必須使用更復(fù)雜的控制策略，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更多的工作模式［6－7］。

(1)車輛起步

車輛起步過程發(fā)動機(jī)處于高油耗工況，如果采用蓄能器驅(qū)動車輛起步，當(dāng)車速達(dá)到一定速度 (va)后，再關(guān)閉蓄能器由發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輛，這樣則可節(jié)省燃油，提高燃油利用率。在這種工作模式中高壓蓄能器內(nèi)壓力必須保持在一定壓力 (ps)之上，以確保液壓元件2能夠輸出足夠大的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動汽車加速。在此工作模式下系統(tǒng)的功率流如圖7所示。

圖7 蓄能器驅(qū)動模式系統(tǒng)功率流圖

液壓元件1的排量由車速及高壓蓄能器壓力控制，即車速小于va、高壓蓄能器壓力大于ps時液壓元件1的排量為零，發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)，由蓄能器驅(qū)動車輛。液壓元件2的排量由期望車輛牽引力和高壓蓄能器壓力控制，以確保液壓元件2能提供足夠轉(zhuǎn)矩。

(2)發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式

如果車輛以一定的速度行駛，或者加速過程中車速大于va或高壓蓄能器壓力小于ps時，蓄能器系統(tǒng)關(guān)閉，車輛完全由發(fā)動機(jī)驅(qū)動。此時，輸出耦合功率分流液壓混合動力傳動系統(tǒng)與輸出耦合功率分流傳動系統(tǒng)工作模式和控制策略完全相同。

(3)再生制動模式

在車輛剎車時，液壓元件2必須以泵模式工作，為驅(qū)動軸提供一個負(fù)轉(zhuǎn)矩，液壓元件1的排量為零。系統(tǒng)功率流如圖8所示。從液壓元件2流出的高壓油將為高壓蓄能器充能，實(shí)現(xiàn)對剎車能的回收、儲存。液壓元件2的排量及其輸出的轉(zhuǎn)矩由期望車速控制。高壓蓄能器充滿后高壓油將通過溢流閥流入低壓蓄能器。此時沒有能量傳遞至液壓元件1或發(fā)動機(jī)?？紤]到安全性能和車輛緊急制動的情況，系統(tǒng)應(yīng)該加入附加制動器。

圖8 再生制動模式系統(tǒng)功率流

綜上所述，混合動力傳動系統(tǒng)控制策略的關(guān)鍵問題是在不同車輛行駛工況下對兩種動力源的選擇。輸出耦合功率分流液壓混合動力傳動系統(tǒng)以期望車速作為控制輸入信號，并實(shí)時監(jiān)控高壓蓄能器的儲能狀態(tài)和實(shí)際車速，作為能源選擇的依據(jù)。在起步加速時，若高壓蓄能器內(nèi)壓力大于ps，用蓄能器驅(qū)動車輛。此時液壓元件1排量為零，發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)。當(dāng)蓄能器中壓力小于ps或車速達(dá)到一定速度 (va)時關(guān)閉蓄能器，由發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輛，使用順序控制策略，控制流程如圖9(a)所示。車輛倒車時的控制策略與起步加速相同。車輛剎車時，可根據(jù)實(shí)際情況判斷是否需要緊急制動。非緊急制動時采用能量再生制動，回收車輛動能儲存于蓄能器中，緊急制動時采用摩擦制動器制動，控制流程如圖9(b)所示。

圖9 輸出耦合功率分流液壓混合動力傳動系統(tǒng)控制流程圖

3 總結(jié)

以輸出耦合功率分流傳動系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分別分析了該傳動系統(tǒng)在車輛倒車、怠速、起步加速、全機(jī)械工作點(diǎn)、正向加速等不同工況下的工作模式、功率流特性，提出了針對該系統(tǒng)的順序控制策略。并以此為基礎(chǔ)，分析了輸出耦合功率分流液壓混合動力傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作模式，初步探討了兩種能源的選擇方法和控制方法，提出了針對輸出耦合功率分流液壓混合動力傳動系統(tǒng)的控制流程，使該系統(tǒng)能夠綜合串聯(lián)式和并聯(lián)式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，更好地實(shí)現(xiàn)車輛排放和燃油消耗的控制目標(biāo)。

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