曲金玉 李訓(xùn)明 任傳波 韓爾樑 劉林

（1.山東理工大學(xué)；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司）

液壓混合動(dòng)力公交車制動(dòng)性能仿真與試驗(yàn)分析＊

曲金玉1李訓(xùn)明1任傳波1韓爾樑2劉林2

（1.山東理工大學(xué)；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司）

針對(duì)城市公交車運(yùn)行特點(diǎn)和在城市運(yùn)行工況下燃油經(jīng)濟(jì)性差的問(wèn)題，提出一種新型液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)，并建立制動(dòng)回收過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型、能量再生過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型和柴油機(jī)液壓起動(dòng)模型等，對(duì)其制動(dòng)性能進(jìn)行仿真，最后進(jìn)行了樣機(jī)臺(tái)架、實(shí)車道路試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該液壓混合動(dòng)力公交車可實(shí)現(xiàn)汽車制動(dòng)能量回收等功能，在典型城市循環(huán)工況下制動(dòng)能量回收率為69.7%，制動(dòng)能量再生率為32.8%，液壓起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)間為1.7 s。

1 前言

液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓動(dòng)力系統(tǒng)，液壓動(dòng)力系統(tǒng)以液壓蓄能器作為儲(chǔ)能元件，以液壓泵/液壓馬達(dá)作為動(dòng)力元件[1,2]。德國(guó)漢堡國(guó)防科技大學(xué)Nikolaus H教授于1977年首創(chuàng)了二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)技術(shù)，為液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)；美國(guó)威斯康星大學(xué)的Beachley Norman H和Fronczak Frank J等于1985年研究開(kāi)發(fā)出了單一液壓泵/液壓馬達(dá)制動(dòng)能量再生系統(tǒng)，并首次應(yīng)用在公共汽車上[3]。由于液壓動(dòng)力系統(tǒng)具有功率密度大、制動(dòng)能量回收率高、安全可靠、成本低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在公交車、郵政車、垃圾車和重型車輛上應(yīng)用廣泛[4,5]。

目前的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中，液壓泵/液壓馬達(dá)通過(guò)傳動(dòng)裝置耦合到車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中，不便于整車布置，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起/?？刂芠6,7]。本文針對(duì)現(xiàn)有并聯(lián)式混合方式存在的不足和城市公交車運(yùn)行特點(diǎn)，提出了一種新型液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)。

2 液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)組成與運(yùn)行模式

2.1 液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)組成

該液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)的組成與布置如圖1所示，其主要由混合動(dòng)力總成、液壓系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)3部分組成。

液壓混合動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示?；旌蟿?dòng)力總成包括發(fā)動(dòng)機(jī)總成、傳動(dòng)裝置、電磁離合器總成、液壓泵/液壓馬達(dá)總成。該總成保持原有發(fā)動(dòng)機(jī)零部件結(jié)構(gòu)不變，將傳動(dòng)裝置裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體與飛輪殼之間，使曲軸通過(guò)傳動(dòng)裝置與電磁離合器、液壓泵/液壓馬達(dá)連接[8]，通過(guò)控制電磁離合器的接合與分離來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓泵/液壓馬達(dá)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的動(dòng)力傳遞。

2.2 液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行模式

a.制動(dòng)能量回收且發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)模式

當(dāng)液壓蓄能器處于低壓狀態(tài)且汽車制動(dòng)時(shí)，電磁離合器接合，汽車慣性力驅(qū)動(dòng)液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)，將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液壓勢(shì)能存儲(chǔ)在蓄能器中，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入停機(jī)模式。終止制動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。在汽車緊急制動(dòng)時(shí)，除進(jìn)行制動(dòng)能量回收且發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)外，汽車制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)保持獨(dú)立運(yùn)行。

b.液壓獨(dú)立驅(qū)動(dòng)且發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)模式

當(dāng)液壓蓄能器處于高壓狀態(tài)且汽車起步時(shí)，掛入前進(jìn)擋，踩下加速踏板，電磁離合器接合，蓄能器存儲(chǔ)的高壓能量驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，將液壓蓄能器存儲(chǔ)的高壓勢(shì)能轉(zhuǎn)化為汽車動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)汽車加速起步，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停止空轉(zhuǎn)。蓄能器的壓力釋放至最低工作壓力時(shí)模式終止，由發(fā)動(dòng)機(jī)正常驅(qū)動(dòng)汽車行駛。

c.發(fā)動(dòng)機(jī)液壓起動(dòng)模式

當(dāng)液壓蓄能器處于中低壓狀態(tài)且汽車起步時(shí)，置變速器于空擋，接通起動(dòng)開(kāi)關(guān)后電磁離合器接合，利用蓄能器存儲(chǔ)的高壓能量驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)液壓起動(dòng)；在蓄能器壓力低于最小工作壓力時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)由起動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

d.制動(dòng)停車發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)模式

當(dāng)液壓蓄能器處于中高壓狀態(tài)且車速低于設(shè)定車速時(shí)，踩下離合器和制動(dòng)踏板，將擋位置于空擋，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

e.發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)模式

在倒擋和其它正常行駛的情況下，汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)行駛。

3 液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)建模與仿真

3.1 液壓蓄能器壓力、氣體體積與儲(chǔ)存能量的關(guān)系

在制動(dòng)能量回收和再生過(guò)程中，液壓泵/液壓馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)使蓄能器中氮?dú)獾捏w積V和壓力p發(fā)生變化。根據(jù)波義耳氣體定律，兩者之間的關(guān)系為[9]:

式中，p0為液壓蓄能器充氣壓力，MPa；p1為液壓蓄能器最低工作壓力，MPa；p2為液壓蓄能器工作壓力，MPa；V0為液壓蓄能器初始?xì)怏w體積，m3；V1為液壓蓄能器最大氣體體積，m3；V2為液壓蓄能器工作氣體體積，m3；n為氣體多變指數(shù)，絕熱過(guò)程取n=1.4[10]。

蓄能器回收和再生過(guò)程中的能量變化ΔE為:

3.2 液壓泵/液壓馬達(dá)流量、轉(zhuǎn)速與車速之間的關(guān)系

制動(dòng)回收再生過(guò)程中液壓泵/液壓馬達(dá)的流量Q為:

式中，npm為液壓泵/液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min；Vg為液壓泵/液壓馬達(dá)額定流量，mL/r；ηv為液壓泵/液壓馬達(dá)容積效率。

制動(dòng)回收再生過(guò)程中，液壓蓄能器氮?dú)怏w積的減少量等于蓄液體積的增加量ΔV:

式中，Npm為液壓泵/液壓馬達(dá)總轉(zhuǎn)數(shù)。液壓泵/液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速npm與車速u(mài)的關(guān)系為:

式中，ig為變速器各擋位傳動(dòng)比；io為主減速器傳動(dòng)比；r為車輪半徑，m；ipm為液壓泵/液壓馬達(dá)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸之間傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比。

3.3 制動(dòng)回收過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型

制動(dòng)回收過(guò)程中，汽車動(dòng)力平衡方程為[11]:

式中，δ為汽車的旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量換算系數(shù)；a1為汽車制動(dòng)減速度，m/s2；m為汽車滿載質(zhì)量，kg；Fp為液壓泵/液壓馬達(dá)制動(dòng)阻力，N；Feo為發(fā)動(dòng)機(jī)停止空轉(zhuǎn)制動(dòng)阻力，N；Ff為汽車滾動(dòng)阻力，N；Fw為空氣阻力，N；f為輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)；Teo為發(fā)動(dòng)機(jī)停止空轉(zhuǎn)制動(dòng)阻力矩，根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，取Teo=200N·m[12]；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2。

其中，液壓泵制動(dòng)阻力矩Tp為:

式中，ηmh為液壓泵/液壓馬達(dá)機(jī)械效率；Δp為液壓蓄能器壓力，MPa。

汽車制動(dòng)過(guò)程行駛距離S1為:

式中，u0為汽車制動(dòng)初速度，km/h；u1為汽車制動(dòng)末速度，km/h。

評(píng)價(jià)制動(dòng)能量回收率η1的計(jì)算公式為:

3.4 能量再生過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型

在制動(dòng)能量再生過(guò)程中液壓獨(dú)立驅(qū)動(dòng)汽車，其動(dòng)力學(xué)平衡方程為[11]:

式中，a2為汽車加速度，m/s2；Fm為液壓馬達(dá)輸出驅(qū)動(dòng)力，N。

其中，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm為:

汽車液壓起步行駛距離S2為:

式中，u2為汽車液壓起步速度，km/h。

評(píng)價(jià)制動(dòng)能量再生率η2的計(jì)算公式為:

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)液壓起動(dòng)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)液壓起動(dòng)過(guò)程液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩Mm為:

式中，ηm為液壓馬達(dá)機(jī)械效率。

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)反拖轉(zhuǎn)矩M關(guān)系式:

式中，i為液壓馬達(dá)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸傳動(dòng)比。發(fā)動(dòng)機(jī)液壓起動(dòng)過(guò)程曲軸驅(qū)動(dòng)方程:

式中，J為發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;Mf為發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)摩擦力矩，N·m；Mc為發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮力矩，N·m；ω為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪角速度，rad/s。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，平均阻力矩經(jīng)驗(yàn)公式[13]:

式中，ne為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速，當(dāng)ne為100～300 r/min時(shí)，ne對(duì)的影響可以忽略；ν為潤(rùn)滑油粘度；為 ν=1 000時(shí)的平均阻力矩，N·m。

3.6 仿真結(jié)果

對(duì)制動(dòng)能量回收和再生過(guò)程進(jìn)行仿真。混合動(dòng)力系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

a.制動(dòng)能量回收過(guò)程仿真

以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ3個(gè)不同擋位，初速度為45 km/h、蓄能器初始充氣壓力為16MPa進(jìn)行制動(dòng)能量回收過(guò)程仿真，得到3個(gè)不同擋位下的汽車減速度、行駛距離變化曲線如圖3和圖4所示。

b.制動(dòng)能量再生過(guò)程仿真

以Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ3個(gè)不同擋位，蓄能器儲(chǔ)存壓力為30MPa、液壓獨(dú)立驅(qū)動(dòng)汽車進(jìn)行起步過(guò)程仿真，得到3個(gè)不同擋位下的汽車起步車速、行駛距離、加速度仿真曲線如圖5～圖7所示。

c.發(fā)動(dòng)機(jī)液壓起動(dòng)過(guò)程仿真

當(dāng)液壓蓄能器內(nèi)的壓力分別為低壓（18MPa）和高壓（25MPa）時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)液壓起動(dòng)模型進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8和圖9所示。由仿真曲線可知，液壓蓄能器內(nèi)壓力的高低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)液壓起動(dòng)沒(méi)有影響，在0.6 s內(nèi)就可使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到700 r/min。

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)

為了測(cè)試該系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)，搭建發(fā)動(dòng)機(jī)—液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架，其主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)—液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)、AVL電渦流測(cè)功機(jī)、AVL PUMP OPEN試驗(yàn)臺(tái)管理控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)以600 r/min怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)功機(jī)給混合動(dòng)力制動(dòng)回收系統(tǒng)增加制動(dòng)扭矩，輸入扭矩為171～701 N·m，測(cè)試系統(tǒng)制動(dòng)回收性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。制動(dòng)過(guò)程中，蓄能器壓力從11.81 MPa上升至14.76MPa，用時(shí)8.8 s，上升速率為0.34MPa/s。

連續(xù)采用液壓驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，即液壓起動(dòng)，測(cè)試液壓起動(dòng)時(shí)間和能量消耗量，結(jié)果如圖12所示。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得每次液壓起動(dòng)時(shí)間為1.8～1.9 s，每次起動(dòng)蓄能器壓力降低0.3～0.5MPa。

4.2 實(shí)車道路試驗(yàn)

對(duì)宇通ZK6126HG公交車加裝該液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)，在典型城市循環(huán)工況下進(jìn)行實(shí)車道路試驗(yàn)以驗(yàn)證該系統(tǒng)在實(shí)車上的各項(xiàng)性能及燃油經(jīng)濟(jì)性。

測(cè)試曲線如圖12～圖14所示，由測(cè)試結(jié)果可知:

a.試驗(yàn)車從初始速度42.15 km/h以5擋制動(dòng)到14.83 km/h，制動(dòng)時(shí)間為12.18 s，平均制動(dòng)減速度為0.63m/s2，蓄能器壓力從16.34MPa上升至27.53MPa，制動(dòng)能量回收率為69.7%；

b.試驗(yàn)車以3擋液壓起步加速，蓄能器壓力從27.5MPa減少到16MPa，車速加速至14.85 km/h，行駛距離為23.5m，平均加速度為0.45m/s2，制動(dòng)能量再生率為32.8%；

c.試驗(yàn)車連續(xù)液壓起動(dòng)，平均每次起動(dòng)蓄能器壓力下降0.36MPa，起動(dòng)時(shí)間為1.7 s。

5 結(jié)束語(yǔ)

a.針對(duì)城市公交車運(yùn)行特點(diǎn)，提出了一種新型液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)，其便于實(shí)車布置且具有發(fā)動(dòng)機(jī)起/停功能，同時(shí)介紹了該系統(tǒng)的組成和工作模式，并對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力性能進(jìn)行仿真。

b.利用臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車道路試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了該混合動(dòng)力系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，驗(yàn)證了混合動(dòng)力試驗(yàn)樣車可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收、液壓驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)起/停、停車停機(jī)等功能。在典型城市循環(huán)工況下的試驗(yàn)結(jié)果表明，制動(dòng)能量回收率和再生率分別為69.7%和32.8%，液壓起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)間為1.7s，達(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)。

1付松青,姜艷,李騰騰,等.液壓混合動(dòng)力技術(shù)研究及展望.汽車工程師,2010（11）:18～22.

2 Baseley S,Ehret C,Greif E,etal.Hydraulic Hybrid Systems for Commercial Vehicles.SAE Paper 2007-01-4150.

3趙春濤,姜繼海,趙克定.二次調(diào)節(jié)靜液傳動(dòng)技術(shù)在城市公交車輛中的應(yīng)用.汽車工程,2001,23（6）:423～426.

4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.中國(guó)機(jī)械工程,2006,17（15）:1645～1648.

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7 Yan Yecui,Liu Guoqing,Chen Jie.Parameter Design Strategies of a Parallel Hydraulic Hybrid Bus.Vehicle Power and Propulsion Conference.VPPC'08.IEEE，2008:1～6.

8韓爾樑,劉林,任傳波,等.發(fā)動(dòng)機(jī)及其后取力輸出系統(tǒng).中國(guó),CN201110335273.8，2012.

9李翔晟,常思勤,韓文.靜液壓儲(chǔ)能傳動(dòng)汽車動(dòng)力源系統(tǒng)匹配及性能分析.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,37（3）:12～16.

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12閆業(yè)翠,劉國(guó)慶,陳杰.液壓混合動(dòng)力公交車動(dòng)力性能仿真與試驗(yàn)研究.汽車工程,2010,32（2）:93～98.

13徐天毅.發(fā)動(dòng)機(jī)電起動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型.內(nèi)燃機(jī)工程, 1983（1）:39～46.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2014年5月22日。

Brake Performance Simulation and Test Analysis of Hydraulic Hybrid Bus

Qu Jinyu1,Li Xunming1,Ren Chuanbo1,Han Erliang2,Liu Lin2
（1.Shang University of Technology;2.Weichai Power Company）

In consideration of city buses operating characteristics and poor fuel economy in urban driving cycles,we present a novel hydraulic hybrid system,and build three models,i.e.brake energy recovery dynamic model,energy regeneration dynamic model and diesel hydraulic startmodel,and then make brake performance simulation.Finally we test performance of the system by bench and road test.The results show that the hydraulic hybrid bus is capable of braking energy recovery,braking energy recovery rate in typical urban driving cycle is up to 69.7%and energy regeneration rate is 32.8%,hydraulic engine start time is 1.7 second.

Hydraulic hybrid bus,Brake perform ance,Simulation,Test

液壓混合動(dòng)力公交車制動(dòng)性能仿真試驗(yàn)

U469.72

A

1000-3703（2014）09-0048-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275280），項(xiàng)目名稱:汽車車身時(shí)滯減振控制理論與試驗(yàn)研究;山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011GGX10505），項(xiàng)目名稱:智能變矩調(diào)速動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其在電動(dòng)車中的應(yīng)用。