朱永明，紀(jì)常偉，梁 晨，劉曉龍

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124)

前言

隨著石化燃料的緊缺和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，發(fā)展高效的車輛節(jié)能技術(shù)成為共識(shí)[1-2]?；旌蟿?dòng)力技術(shù)能優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行工況、回收再利用車輛的制動(dòng)能量，被認(rèn)為是短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)能減排的最有效方式之一[3-5]。

在過去的十幾年里，電動(dòng)混合動(dòng)力汽車(HEV)優(yōu)越的燃油經(jīng)濟(jì)性，得到人們更多的關(guān)注，同時(shí)各大整車企業(yè)也都相繼研發(fā)并投放了相應(yīng)的電動(dòng)混合動(dòng)力車型。然而，受蓄電池充放電特性的限制，HEV不能在短時(shí)間內(nèi)回收大量的車輛制動(dòng)能量，并且所采用的電動(dòng)混合動(dòng)力技術(shù)使得整車的成本高，在一定程度上阻礙了HEV燃油經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步提升和市場(chǎng)份額的進(jìn)一步擴(kuò)大。液壓傳動(dòng)裝置因其功率密度大，成本低，特別是液壓蓄能器能夠承受頻繁的能量充放，并且不必考慮報(bào)廢蓄電池的環(huán)保處理問題，使得液壓混合動(dòng)力汽車在頻繁起停的城市工況中表現(xiàn)出一定的相對(duì)優(yōu)勢(shì)[6-11]。

近些年，液壓混合動(dòng)力技術(shù)在全球各科研機(jī)構(gòu)受到越來越多的關(guān)注。美國環(huán)保署及其合作單位自2003年起，研發(fā)出5款不同的液壓混合動(dòng)力車型，其試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)車輛，液壓混合動(dòng)力汽車具有20%～100%的節(jié)能效果。文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]中研究了一輛并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力重型貨車的燃油經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明，該混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性提高了28%～47%。文獻(xiàn)[14]中設(shè)計(jì)了一種油-電-液三元混合動(dòng)力汽車，其試驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，該混合動(dòng)力汽車能有效回收再利用車輛的制動(dòng)能量，并顯著改善了內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[15]中將一輛現(xiàn)有大型客車改造成并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力汽車，其仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，該混合動(dòng)力客車的節(jié)能效果達(dá)到28%。文獻(xiàn)[16]中設(shè)計(jì)了一款多回路的液壓變速器，其研究結(jié)果表明，該液壓變速器的平均工作效率在90%以上。

本文中針對(duì)北京市擁堵的交通環(huán)境，提出一種液壓混合動(dòng)力無級(jí)變速傳動(dòng)系統(tǒng)，并在典型的城市運(yùn)行工況下，對(duì)該液壓混合動(dòng)力汽車的工作特性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真分析。

1 系統(tǒng)模型搭建

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理分析

本液壓混合動(dòng)力汽車選用北京現(xiàn)代生產(chǎn)的擁有1.6L排量汽油機(jī)的某乘用車作為原型車，對(duì)其傳動(dòng)系進(jìn)行了改造，原理示意圖如圖1所示。原車的5速手動(dòng)變速器由開發(fā)的液壓無級(jí)變速器取替，該液壓無級(jí)變速器由一套行星輪系、兩個(gè)液壓泵/馬達(dá)和一個(gè)2速變速機(jī)構(gòu)組成。行星輪系的行星架作為該變速器的輸入端，齒圈通過一對(duì)惰輪與液壓泵相連，太陽輪則與2速變速機(jī)構(gòu)相連，液壓泵與液壓馬達(dá)通過液壓管路和控制閥相連，液壓馬達(dá)通過一對(duì)惰輪與2速變速機(jī)構(gòu)的輸出端相連。這樣，來自內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力經(jīng)行星輪系后分解為液壓功率流和機(jī)械功率流，二者在主減速器之前進(jìn)行耦合。通過調(diào)整兩項(xiàng)功率流的大小比值，能夠改變?cè)撟兯倨鞯妮斎胼敵鲛D(zhuǎn)速比，即改變了該變速器的傳動(dòng)比。2速變速機(jī)構(gòu)決定了變速器傳動(dòng)比的變化范圍，由手動(dòng)控制用于“經(jīng)濟(jì)”和“動(dòng)力”兩種工作模式，在一般城市道路運(yùn)行工況中，該變速器工作在“經(jīng)濟(jì)模式”下即可，無需手動(dòng)調(diào)整。

該液壓無級(jí)變速器在裝車之前，對(duì)低壓蓄能器預(yù)充0.5MPa壓力，以降低液壓系統(tǒng)的氣穴現(xiàn)象影響，對(duì)高壓蓄能器預(yù)充10MPa壓力，以提高液壓系統(tǒng)的工作壓力。液壓泵的最大工作排量為28mL/r，液壓馬達(dá)的最大工作排量為35mL/r。液壓混合動(dòng)力汽車的主要參數(shù)如表1所示。

表1 液壓混合動(dòng)力汽車部分參數(shù)

1.2 主要部件模型

系統(tǒng)采用前向建模方式，以模擬真實(shí)車輛運(yùn)行情況。駕駛員模型控制加速踏板和制動(dòng)踏板的位置，同時(shí)將駕駛員的駕駛意圖傳送給混合動(dòng)力控制單元。混合動(dòng)力控制單元依據(jù)設(shè)計(jì)的能量管理控制策略，以及當(dāng)前車輛狀態(tài)、蓄能器蓄能狀態(tài)等，確定內(nèi)燃機(jī)、液壓泵和液壓馬達(dá)的輸出功率，使得液壓無級(jí)變速器的傳動(dòng)比得到調(diào)整，在滿足行駛要求的情況下優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)工況。

液壓泵/馬達(dá)采用斜盤式四象限軸向柱塞變量泵/馬達(dá)，其理論功率取決于當(dāng)前流過的液壓油流量和進(jìn)出口的壓力差，可由式(1)表示。實(shí)際上，由于機(jī)械損失和液壓油泄漏，液壓泵/馬達(dá)的當(dāng)前排量、轉(zhuǎn)速、壓差、工作模式都對(duì)其機(jī)械效率和容積效率影響較大。

(1)

式中：Pth為理論功率，pAB為進(jìn)出口壓差，Qth為理論流量。斜盤式液壓泵/馬達(dá)的排量由斜盤角度β確定，其角度變化范圍為-βmax≤β≤βmax，則液壓泵/馬達(dá)的理論流量可表示為

(2)

式中：npump/motor為液壓泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)速；Vdmax為液壓泵/馬達(dá)處于最大斜盤角時(shí)的排量。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，液壓泵/馬達(dá)的工作效率受當(dāng)前壓差、轉(zhuǎn)速和排量的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[17]，液壓泵/馬達(dá)的容積效率ηvol和機(jī)械效率ηhm分別為

(3)

式中：ηref是參考效率值，在本文中取值0.94；χn和χβ,p為效率系數(shù)，可通過試驗(yàn)或生產(chǎn)商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)獲得。液壓泵馬達(dá)的工作效率可表示為

ηpump/motor=ηvolηhm

(4)

該液壓混合動(dòng)力汽車采用了囊式液壓蓄能器，是液壓系統(tǒng)的蓄能裝置，高壓和低壓蓄能器具有相同的尺寸，并都被安裝在車輛的后備箱中。由于液壓油的相對(duì)不可壓縮性，液壓蓄能器的儲(chǔ)能與釋能主要通過儲(chǔ)存在氣囊中的氮?dú)鈮嚎s和膨脹實(shí)現(xiàn)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，液壓蓄能器中氮?dú)鈨?nèi)能U的變化等于其機(jī)械功率Pmech與傳熱功率Ptherm之和，即

(5)

其中機(jī)械功率等于氮?dú)獾膶?duì)外膨脹做功功率，即

Pmech=-pdVN2/dt

(6)

忽略液壓油的可壓縮性，高壓和低壓蓄能器的氣囊體積變化相等，同時(shí)等于液壓泵和液壓馬達(dá)的流量之差：

第一類人好辦。大家的意見也是我的想法，我的觀點(diǎn)。舉手同意，心安理得。第二類人，表面看起來，也不難。多數(shù)人舉手我舉手，多數(shù)人反對(duì)我反對(duì)。對(duì)了，我跟著沾光；錯(cuò)了，我也無大責(zé)。即使要追責(zé)，天塌下來，有高個(gè)子頂著?！安粸槿质?，不為禍?zhǔn)??！保斞浮度A蓋集·這個(gè)與那個(gè)》）看起來，既順理，又成章。而其實(shí)，這類人也是不易。人，可以欺騙全世界，但唯獨(dú)不能欺騙自己，除非他有兩副心肝。也因此，當(dāng)自己的觀點(diǎn)不被采納，當(dāng)自己的意見被否定，還要裝模作樣地表示，同意大家的意見，是很痛苦的事，是極不情愿的事。當(dāng)夜深人靜之時(shí)，捫心自問，可能不是失眠，就是惡夢(mèng)。

(7)

對(duì)蓄能器中的高壓氮?dú)猓鋲毫、體積VN2和溫度tN2之間的關(guān)系可表示為

(8)

式中：a、b為常數(shù);MN2為氮?dú)夥肿恿?m為其囊中氮?dú)赓|(zhì)量。

根據(jù)傳熱學(xué)原理，蓄能器和周邊環(huán)境的傳熱功率可表示為

Ptherm=αA(tam-tN2)

(9)

由于蓄能器的換熱系數(shù)α和換熱面積A都不易測(cè)得，引入換熱時(shí)間常數(shù)τth和氮?dú)獗葻醕[18]，式(9)可表示為

(10)

則液壓蓄能器的蓄能狀態(tài)SOC可表示為

(11)

式中：Uta,pmax是在當(dāng)前環(huán)境溫度下，蓄能器達(dá)到熱平衡時(shí)所具有的最大內(nèi)能。

1.3 運(yùn)行模式分析

文中所提出的液壓混合動(dòng)力汽車，其運(yùn)行模式可由圖2表示。由于液壓蓄能器的能量密度較低，故不單獨(dú)采用液壓能對(duì)車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而僅對(duì)內(nèi)燃機(jī)提供輔助動(dòng)力，并調(diào)整液壓無級(jí)變速器的傳動(dòng)比。

混動(dòng)力控制單元模型通過讀取加速踏板位置、制動(dòng)踏板位置、當(dāng)前車速、內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓無級(jí)變速器傳動(dòng)比，計(jì)算得到目標(biāo)需求驅(qū)動(dòng)功率Preq。如果Preq不小于零，則表明車輛處于加速或勻速狀態(tài)。此時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的輸出功率經(jīng)行星輪系統(tǒng)，分流成液壓功率流Ph和機(jī)械功率流Pm，前者經(jīng)液壓管路驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)或?qū)Ω邏盒钅芷餍钅?，后者與液壓馬達(dá)的輸出功率Pmotor在主減速器之前耦合并驅(qū)動(dòng)車輛行駛。該過程可表示為

(12)

(13)

定義功率分流比φ和功率耦合比γ，如式(13)所示，則式(12)可表示為

(14)

主要計(jì)算過程可描述為：首先基于混合動(dòng)力汽車的各部件的當(dāng)前運(yùn)行情況，計(jì)算出目標(biāo)所需驅(qū)動(dòng)功率和液壓無級(jí)變速器速比，然后根據(jù)SOC值、上一步的功率分離比φj-1和功率耦合比γj-1計(jì)算出目標(biāo)功率分離比φj和功率耦合比γj。功率分離比φ和功率耦合比γ由液壓泵/馬達(dá)的輸出功率決定，根據(jù)式(1)和式(2)，調(diào)整液壓泵/馬達(dá)的斜盤角度到目標(biāo)值。接著根據(jù)式(14)計(jì)算出內(nèi)燃機(jī)的輸出功率，而內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩則送入內(nèi)燃機(jī)模型，從而得到內(nèi)燃機(jī)的燃油消耗率。在液壓無級(jí)變速模型中，若γ>1，表明蓄能器正在釋能輔助驅(qū)動(dòng)；若γ<1，則表明高壓蓄能器正在儲(chǔ)能。功率分離比φ的增加，則說明有更多的能量通過液壓路徑傳遞。

結(jié)合圖1所示的結(jié)構(gòu)圖，星形輪系各齒輪轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系：ns+knr-(1+k)np=0，則該液壓無級(jí)變速器的傳動(dòng)比可表示為

(15)

式中：k為行星輪系特征值;np、nr和ns分別為行星架、齒圈和太陽輪轉(zhuǎn)速；i1為齒圈與液壓泵之間的傳動(dòng)比；i2為液壓馬達(dá)與輸出軸之間的傳動(dòng)比；im為2速變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比；iφ為液壓泵和液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速比。式(15)表征了液壓無級(jí)變速器的傳動(dòng)比關(guān)系，由于液壓泵和液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速在不同負(fù)載下取決于斜盤角度，使得iφ是一個(gè)由液壓泵/馬達(dá)斜盤角控制的變量，即該液壓無級(jí)變速的傳動(dòng)比可通過調(diào)整兩個(gè)液壓泵/馬達(dá)的斜盤角度來實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。

在車輛制動(dòng)過程中，松開加速踏板后內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速下降，單向離合器分離，這樣可降低內(nèi)燃機(jī)的制動(dòng)效應(yīng)，使液壓系統(tǒng)盡可能多地回收車輛制動(dòng)能量。此時(shí)，內(nèi)燃機(jī)處于怠速或熄火狀態(tài)，而液壓泵的斜盤角調(diào)整為零，液壓馬達(dá)則工作為泵模式，并將車輛的慣性能量轉(zhuǎn)化為液壓能儲(chǔ)存在液壓蓄能器中。制動(dòng)過程的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配可表示為

(16)

式中：Tb為車輛總制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Tb,1、Tb,2分別為前后軸制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Treg為可再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Tfri,1、Tfri,2分別為前后軸制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

在一般制動(dòng)過程中(減速度大于-2m/s2)，車輛的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩全部由液壓馬達(dá)提供，根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)圖，在一般制動(dòng)過程中，整車的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅作用于前軸；而在緊急制動(dòng)時(shí)(減速度小于-2m/s2)，額外的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由原車摩擦式制動(dòng)器提供，但考慮到乘坐舒適性和車輛穩(wěn)定性，此時(shí)前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分配將有別于原車，須重新分配。

2 結(jié)果分析

在典型城市工況下，對(duì)該液壓混合動(dòng)力汽車進(jìn)行了性能仿真試驗(yàn)，車輛行駛工況如圖3所示。整個(gè)過程包含了從車輛起步加速至70km/h勻速行駛，而后減速至停車。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行模式分析，在液壓蓄能器SOC值接近0時(shí)，車輛僅有內(nèi)燃機(jī)通過無級(jí)變速器驅(qū)動(dòng)行駛，文中稱為M1情形；在液壓蓄能器具有一定能量時(shí)，車輛由液壓蓄能器釋能輔助內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛，文中稱為M2情形。在仿真模型運(yùn)行之前，在兩種情形下液壓蓄能器SOC值分別設(shè)定為0和0.8，同時(shí)環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，并且內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)正常起動(dòng)并保持怠速，在車輛制動(dòng)減速過程中，內(nèi)燃機(jī)同樣保持怠速而不熄火，2速變速機(jī)構(gòu)則一直維持在經(jīng)濟(jì)擋。

2.1 變速器性能

圖4給出的是液壓無級(jí)變速器的傳動(dòng)比、功率分流比隨測(cè)試時(shí)間的變化曲線。從圖4(a)可看出，該液壓無級(jí)變速器可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比從0.833～3.462的無級(jí)變化。而在相同車速情況下，M2情形下的傳動(dòng)比要比M1時(shí)小，這主要是因?yàn)镸2情形下液壓蓄能器提供了輔助驅(qū)動(dòng)能量，使得內(nèi)燃機(jī)可工作在較小的輸出功率下驅(qū)動(dòng)車輛行駛，此時(shí)降低了內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速，但另一方面小幅提高了內(nèi)燃機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，調(diào)整內(nèi)燃機(jī)的工作點(diǎn)至更經(jīng)濟(jì)區(qū)，在一定程度上也提高了內(nèi)燃機(jī)的工作效率。圖4(b)是液壓無級(jí)變速器對(duì)內(nèi)燃機(jī)輸出功率的分流結(jié)果。從圖4(b)中可看出，在車輛起步加速的過程中，隨著車速的升高，液壓功率分流比隨之減少，并且相同行駛情況下，M2情形下的液壓功率分流比也要小于M1。考慮到液壓蓄能器的能量密度較小，在設(shè)計(jì)能量管理策略時(shí)，只要蓄能器中有能量，都需要優(yōu)先利用蓄能器中的能量驅(qū)動(dòng)車輛。這是出于兩方面的原因：一是盡可能騰空液壓蓄能器以便于在接下來的制動(dòng)減速時(shí)回收儲(chǔ)存更多的制動(dòng)能量；二是由于液壓能量傳遞路徑的效率相對(duì)較低，特別是車輛行駛在較高車速時(shí)，越少的能量從液壓路徑傳遞，越能提高系統(tǒng)的整體效率。結(jié)合圖4(a)和圖4(b)，可以得到液壓無級(jí)變速器的傳動(dòng)比和功率分流比之間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖4(c)所示。變速器傳動(dòng)比的無級(jí)調(diào)節(jié)，能有效調(diào)整內(nèi)燃機(jī)的工作區(qū)間，在一定程度上提高內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖5(a)給出的是內(nèi)燃機(jī)、液壓泵和液壓馬達(dá)的輸出功率變化曲線?？梢钥闯?，在整個(gè)測(cè)試工況下，車輛的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力主要來自內(nèi)燃機(jī)，而在起步的前5s，內(nèi)燃機(jī)的輸出功率絕大部分經(jīng)液壓路徑傳遞，隨車速的增加，由液壓路徑傳遞的能量隨之降低。這樣，一方面在低速時(shí)可充分發(fā)揮液壓系統(tǒng)的柔性，調(diào)整恰當(dāng)?shù)淖兯倨鱾鲃?dòng)比，并使內(nèi)燃機(jī)工作在相對(duì)更加經(jīng)濟(jì)的工況區(qū)；另一方面液壓系統(tǒng)的瞬間輸出較大，能快速地驅(qū)動(dòng)車輛起步加速。此外，從效率的角度來看，減少液壓路徑的能量傳遞，能提高變速器的工作效率，特別是在高速行駛時(shí)，在保證車輛驅(qū)動(dòng)需求和優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)工作區(qū)間的前提下，應(yīng)盡可能降低液壓路徑的能量傳遞。因此，該液壓混合動(dòng)力汽車在加速到50km/h以上，其液壓分流功率比保持在0.2，此時(shí)變速器傳動(dòng)比為最小值0.833 3。

圖5(b)是高壓蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)與車速的變化曲線圖。在M1情形下，由于車輛在起步前蓄能器SOC值設(shè)定為0，故在車輛行駛過程中液壓蓄能器沒有輔助能量的釋放；在M2情形下，液壓蓄能器SOC在起步加速的前35s內(nèi)從0.8下降到最低值。在制動(dòng)過程中，車輛制動(dòng)能量經(jīng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)化為液壓能儲(chǔ)存在液壓蓄能器中，從圖中可看出，車速從70km/h減速至40km/h的過程中，液壓蓄能器SOC值從最低值上升到最大值，計(jì)算結(jié)果表明有67%的制動(dòng)能量得到了有效回收，但受蓄能器容量的限制，此后蓄能器不能進(jìn)一步儲(chǔ)存剩余的能量。然而，由于蓄能器的釋能和儲(chǔ)能都在短時(shí)間內(nèi)完成，快速膨脹和壓縮，使蓄能器中氮?dú)鉁囟犬a(chǎn)生波動(dòng)。在釋能工程中，氮?dú)饪焖倥蛎浭蛊錅囟鹊陀诃h(huán)境溫度，在釋能結(jié)束后，與環(huán)境溫度的換熱，使得蓄能器SOC值有所回升；同理在制動(dòng)能量回收結(jié)束后，由于氮?dú)獾慕禍?，使SOC值有所回落。

圖6是液壓無級(jí)變速器的系統(tǒng)效率變化曲線圖。結(jié)果表明在液壓功率分流比為0.2時(shí)，該液壓變速器的效率在0.92左右。雖然在起步加速過程中，由于低轉(zhuǎn)速下液壓泵/馬達(dá)的容積效率較低，變速器的總效率低于0.8，但內(nèi)燃機(jī)的工況得到了調(diào)整，同時(shí)有液壓能量的輔助驅(qū)動(dòng)，在一定程度上彌補(bǔ)了液壓變速器低速時(shí)的較低效率弊端。另外，在M2情形下，有液壓蓄能器的輔助釋能，減小了內(nèi)燃機(jī)的液壓分流功率比，相對(duì)M1情形，系統(tǒng)效率有所提升。在第50s左右，車輛由加速進(jìn)入勻速行駛過程，所需驅(qū)動(dòng)功率變小，導(dǎo)致液壓管路中液壓油的回流，造成系統(tǒng)效率的突然下降。而在80s以后的制動(dòng)過程中，系統(tǒng)效率則表現(xiàn)為液壓系統(tǒng)對(duì)車輛制動(dòng)能量的回收效率。

2.2 內(nèi)燃機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性

圖7是內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖。由圖可見，由于液壓變速器沒有換擋過程，并且其傳動(dòng)比可無級(jí)變化，使得內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速連續(xù)變化，避免了換擋過程的動(dòng)力中斷。從圖7還可看出，M2情形下的內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速要遠(yuǎn)低于M1情形，這主要是M2情形下有蓄能器的輔助釋能，變速器工作在較小的傳動(dòng)比下。

圖8是在測(cè)試工況下的內(nèi)燃機(jī)工況點(diǎn)，不同灰度表示內(nèi)燃機(jī)燃油消耗率。由圖可見，在相同行駛工況下，液壓混合動(dòng)力汽車的內(nèi)燃機(jī)燃油消耗率小于原車，且無需換擋使內(nèi)燃機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也是連續(xù)的。圖8說明，液壓混合動(dòng)力能使內(nèi)燃機(jī)工作在更高效的工作區(qū)間，提升了內(nèi)燃機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。

表2為在測(cè)試工況下內(nèi)燃機(jī)燃油消耗量。從表中可看出，M1和M2兩種情形下分別節(jié)油10.4%和16.4%，表明液壓混合動(dòng)力汽車相對(duì)原車具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，其節(jié)油途徑主要有優(yōu)化變速器傳動(dòng)比、調(diào)整內(nèi)燃機(jī)工作區(qū)間以及有效回收再利用車輛制動(dòng)能量，而后者是該液壓混合動(dòng)力汽車節(jié)能的主要方面。須指出的是，本文中所給定的測(cè)試工況并非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況，若在低速、頻繁起停的工況下，該液壓混合動(dòng)力汽車的節(jié)能效果將更加突出。

表2 內(nèi)燃機(jī)燃油消耗量

3 結(jié)論

本文中分析了液壓混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了系統(tǒng)模型，并在典型的城市工況下對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，該液壓混合動(dòng)力汽車所采用的液壓變速器能實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的無級(jí)調(diào)整，優(yōu)化了內(nèi)燃機(jī)的工作區(qū)間，在制動(dòng)過程中，液壓系統(tǒng)能有效回收車輛的制動(dòng)能量，并儲(chǔ)存在液壓蓄能器中用于輔助驅(qū)動(dòng)。仿真結(jié)果說明，單獨(dú)優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)工況點(diǎn)，能有效節(jié)能10.4%，而回收再利用車輛的制動(dòng)能量，能實(shí)現(xiàn)16.4%的節(jié)能，這說明制動(dòng)能量的回收再利用是液壓混合動(dòng)力汽車節(jié)能的主要方面。通過對(duì)液壓混合動(dòng)力汽車在典型城市工況下的性能分析，說明液壓混合動(dòng)力技術(shù)在乘用車上的應(yīng)用同樣具有較好的節(jié)能效果和應(yīng)用前景。

[1] Davis Stacy C, Diegel Susan W, Boundy Robert G. Transportation Energy Data Book, 28th ed[M]. Oak Ridge, 2009.

[2] Andreas S, John B H, Malcolm A W. Future Fuel Cell and Internal Combustion Engine Automobile Technologies:A 25-year Life Cycle and Fleet Impact Assessment[J]. Energy, 2006,31:2064-2087.

[3] Bayindir K C, Gozukucuk M A, Teke A. A Comprehensive Overview of Hybrid Electric Vehicle:Powertrain Configurations, Powertrain Control Techniques and Electronic Control Units[J]. Energy Conversion and Management， 2010, 52:1305-1313.

[4] Karden E, Ploumen S, Fricke B, et al. Energy Storage Devices for Future Hybrid Electric Vehicles[J]. J Power Sources 2007,168:2-11.

[5] Offer G J, Howey D, Contestabile M, et al. Comparative Analysis of Battery Electric, Hydrogen Fuel Cell and Hybrid Vehicles in a Future Sustainable Road Transport System[J]. Energy Policy, 2010,38:24-29.

[6] Lin Tianliang, Wang Qingfeng, Hu Baozan, et al. Development of Hybrid Powered Hydraulic Construction Machinery[J]. Automation in Construction, 2010,19:11-19.

[7] Paul Matheson, Jacek Stechl. Development and Simulation of a Hydraulic-hybrid Powertrain for Use in Commercial Heavy Vehicle[C]. SAE Paper 2003-01-3370.

[8] Amin Mohaghegh-Motlagh, Elahinia Mohammad H. Dynamic Force Profile in Hydraulic Hybrid Vehicles:a Numerical Investigation[J]. Vehicle System Dynamics, 2012, 48:405-428.

[9] Deppen T O, Alleyne A G, Stelson K A, et al. Optimal Energy Use in a Light Weight Hydraulic Hybrid Passenger Vehicle[J]. Journal of Dynamic System Measurement and Control-Transactions of the ASME, 2012, 134:1-11.

[10] Mamcic Stanisilav, Bogdeviclus Marijonas. Simulation of Dynamic Processed in Hydraulic Accumulator[J]. Transport, 2010, 25:215-221.

[11] Ho Triet Hung, Ahn Koung Kwan. Modeling and Simulation of Hydrostatic Transmission System with Energy Regeneration Using Hydraulic Accumulator[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2010, 24:1163-1175.

[12] Filipi Z, Kim Y J. Hydraulic Hybrid Propulsion for Heavy Vehicles:Combining the Simulation and Engine-in-the-loop Techniques to Maximize the Fuel Economy and Emission Benefits[J]. Oil & Gas Science and Technology, 2010, 65:155-178.

[13] Wu Bin, Lin Chan-Chiao, Filipi Zoran, et al. Optimal Power Management for a Hydraulic Hybrid Delivery Truck[J]. Vehicle System Dynamics, 2004, 42:23-40.

[14] Sun Hui, Yang Lifu, Jin Junqing, et al. Control Strategy of Hydraulic/Electric Synergy System in Heavy Hybrid Vehicles[J]. Energy Conversion and Management, 2010, 52:668-674.

[15] Yan Y, Liu G, Chen J. Integrated Modeling and Optimization of a Parallel Hydraulic Hybrid Bus[J]. International Journal of Automotive Technology, 2010, 11:97-104.

[16] Doug Fussner, Glenn Wendel, Chris Wray. Analysis of a Hybrid Multi-mode Hydromechanical Transmission[C]. SAE Paper 2007-01-1455.

[17] Wilson W E. Positive-Displacement Pumps and Fluid Motors[M]. London:Sir Isaac Pitman and Sons, 1950.

[18] Incropera, Frank P. Fundamentals of Heat Transfer[M]. New York :Wiley, 1981.