王 戈， 楊 坤， 馬 超， 王 杰， 王紅敏， 王記磊

(1.山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255000； 2.山東理工大學 機械工程學院， 山東 淄博 255000；3.廣東省珠海市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，廣東 珠海 519060)

引言

隨著能源短缺、環(huán)境污染兩大問題日趨嚴重，提高車輛燃油經(jīng)濟性并降低尾氣中污染物的排放尤為重要，而混合動力技術(shù)因具有提高經(jīng)濟性和降低排放的優(yōu)點成為研究的熱點[1]。

液壓混合動力系統(tǒng)作為混合動力技術(shù)的一種方案，將發(fā)動機與二次元件(液壓泵/馬達)組合在一起，可實現(xiàn)單獨或混合驅(qū)動車輛[2]。相對于油電混合動力系統(tǒng)，液壓混合動力系統(tǒng)具有功率密度大、清潔等特點[3]，且液壓混合動力系統(tǒng)具有提高車輛燃油經(jīng)濟性、減少汽車尾氣排放等優(yōu)勢[4]。液壓混合動力系統(tǒng)分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式三種方案。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)簡單，車輛驅(qū)動功率全部來自液壓泵/馬達，能量需要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換，效率較低；混聯(lián)式結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，控制方式多變難控，制造成本高；并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)包含兩個動力源，通過控制策略，協(xié)調(diào)雙動力源工作，實現(xiàn)液壓單獨驅(qū)動、發(fā)動機單獨驅(qū)動、混合驅(qū)動、制動能量回收等模式[5-6]。液壓混合動力汽車液壓元器件成本較低，且日常維護維修費用較低，保值率較高。對比趙鑫所優(yōu)化的油電混合動力系統(tǒng)汽車，液壓混合動力系統(tǒng)汽車節(jié)油約1.71 L/100 km，且降低了尾氣中污染物的排放[7]。劉洋針對液壓混合動力系統(tǒng)汽車中存在燃油經(jīng)濟性較差和制動能量回收率低的問題，提出了一種適用于液壓混合動力車能量管理控制策略[8]。張丹丹采用2個蓄能器代替1個蓄能器的方案，結(jié)果顯示低速制動時制動性能顯著提高，高速制動有效提高能量回收率[9-10]。陳有權(quán)通過NSGA-Ⅱ算法對液壓混合動力系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化，使得優(yōu)化后的液壓混合動力汽車的燃油消耗損失率最低為3.5%，同時也提高了整車的動力性能[11]。丁靜通過仿真分析二次元件(液壓泵/馬達)與發(fā)動機的能量輸出，結(jié)果表明對于不同載荷、不同車速下的工程車節(jié)油效果都比較理想，根據(jù)實車運行結(jié)果顯示，該系統(tǒng)節(jié)油率為31.25%[12]，綜上所述，學者們主要在液壓混合動力車的構(gòu)型、改變蓄能器數(shù)量、參數(shù)優(yōu)化以及能量管理等方面進行了研究。但是如何基于復(fù)合蓄能器的壓力情況，實現(xiàn)工作模式切換的控制策略研究較少。

針對城市公交車以上問題，基于并聯(lián)式液壓混合動力公交車構(gòu)型，提出一種基于邏輯門限值的能量管理控制策略，通過MATLAB/Stateflow搭建基于邏輯門限值的控制策略，通過AMESim搭建雙動力源模型，基于中國典型城市公交循環(huán)工況對車輛經(jīng)濟性以及尾氣排放情況進行仿真驗證，結(jié)果顯示，液壓混合動力公交車節(jié)油效果明顯，且尾氣排放量明顯減少。為解決城市公交車存在的問題提供一定借鑒。

1 并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)原理

并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)包括發(fā)動機、變速器、液壓泵/馬達、液壓泵、轉(zhuǎn)矩耦合器、離合器、高壓液壓蓄能器、低壓液壓蓄能器、電磁換向閥、油箱及液壓管路等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of parallel hydraulic hybrid power system structure

該系統(tǒng)的特點為在低速區(qū)間液壓系統(tǒng)作為唯一動力源驅(qū)動車輛，在中速區(qū)間液壓系統(tǒng)不參與工作，在高速區(qū)間由液壓系統(tǒng)和發(fā)動機雙動力源共同驅(qū)動車輛，以減少發(fā)動機在非經(jīng)濟區(qū)域的工作時間，從而提高車輛燃油經(jīng)濟性，且降低尾氣中污染物的排放量。

如圖1所示，在啟動車輛時，高壓蓄能器出口處的電磁閥開啟，壓力油帶動泵/馬達1內(nèi)的葉片轉(zhuǎn)動，將動力經(jīng)離合器2、轉(zhuǎn)矩耦合器傳遞給驅(qū)動橋，從而驅(qū)動車輛；達到設(shè)定車速時，切換為發(fā)動機單獨驅(qū)動模式，離合器1接合，離合器2、3斷開；車輛加速或爬坡時，液壓泵/馬達作為輔助動力源，離合器1、2、3都接合，共同驅(qū)動車輛。制動時，離合器1斷開，若高壓蓄能器壓力未達到最大值，則離合器2接合，離合器3斷開，泵/馬達1將高壓油壓入并存儲在高壓蓄能器中；若高壓蓄能器壓力達到最大值，且低壓蓄能器壓力未達到最大值，離合器1、2斷開，離合器3接合，泵/馬達2將壓力油泵入低壓蓄能器中。

2 參數(shù)匹配

基于表1所示的整車參數(shù)對液壓泵/馬達、轉(zhuǎn)矩耦合器以及復(fù)合蓄能器進行參數(shù)匹配。

表1 整車參數(shù)Tab.1 Vehicle parameters

2.1 液壓泵/馬達參數(shù)匹配

液壓混合動力系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化元件為液壓泵/馬達，不僅對整車的制動能量回收率有影響，且對整車的動力性能有一定的影響[13]。液壓泵/馬達為可逆二次元件，以馬達模式工作時，蓄能器內(nèi)壓力油帶動馬達葉片旋轉(zhuǎn)，將動力通過轉(zhuǎn)矩耦合器傳遞給驅(qū)動橋，從而驅(qū)動車輛；當二次元件(液壓泵/馬達)以泵模式工作時，用于制動能量回收，通過二次元件(液壓泵/馬達)將車輛動能轉(zhuǎn)化為液壓能儲存在蓄能器內(nèi)。

液壓泵/馬達單獨驅(qū)動車輛時的轉(zhuǎn)矩為：

(1)

式中，Tp/m—— 液壓泵/馬達的輸出轉(zhuǎn)矩

η—— 傳動系統(tǒng)機械效率

ib—— 轉(zhuǎn)矩耦合器速比

i0—— 主減速器速比

Ft—— 車輛驅(qū)動力

r—— 車輪的滾動半徑

則液壓泵/馬達的輸出功率為：

(2)

式中，ωp/m—— 液壓泵/馬達的轉(zhuǎn)速，r/min

ωa—— 車輪的轉(zhuǎn)速，r/min

二次元件的選取基于輸出功率的匹配，車輛以平均速度vavg在平直路面上行駛，液壓泵/馬達的輸出功率為：

(3)

車輛以最高車速vmax在平直路面上行駛時，二次元件的輸出功率為：

(4)

以上坡速度vslope在坡度角為α的斜坡上行駛時，二次元件的輸出功率為：

(5)

兩者輸出功率較大值為液壓泵/馬達最大輸出功率即：

Pmax=max[Pp/m,1,Pp/m,2]

(6)

2.2 轉(zhuǎn)矩耦合器傳動比匹配

轉(zhuǎn)矩耦合器用來協(xié)調(diào)兩動力源轉(zhuǎn)矩的輸出，其速比選擇應(yīng)滿足任意時刻二次元件的轉(zhuǎn)數(shù)不超過許用的最高轉(zhuǎn)數(shù)的要求，即：

(7)

式中，ib為轉(zhuǎn)矩耦合器傳動比

2.3 復(fù)合式液壓蓄能器參數(shù)匹配

液壓蓄能器在該系統(tǒng)中用于儲存能量以及制動能量回收。主要參數(shù)有充氣壓力p0，充氣體積V0，公稱壓力pr，最低工作壓力p1，最高工作壓力p2。

參考波義耳定律：

(8)

式中，V1——p1對應(yīng)的氣體體積，L

V2——p2對應(yīng)的氣體體積，L

n—— 多變指數(shù)，無量綱，整個過程為絕熱過程，n取1.4

C—— 常數(shù)

蓄能器最低工作壓力p1應(yīng)保證液壓泵/馬達的單獨驅(qū)動能力，即：

(9)

根據(jù)經(jīng)驗公式，p1與p2夠滿足關(guān)系式p2≤3p1，且最高工作壓力p2不得大于液壓泵/馬達的最高工作壓力，即：

(10)

因充氣速率、泄漏以及充氣的溫度等因素對蓄能器的影響，充氣壓力pr不得高于最低工作壓力p1，一般取pr=(0.8～0.85)p1。

根據(jù)制動時能量平衡方程匹配蓄能器容積，汽車在平直路上行駛制動時，能量平衡方程為：

(11)

E1=Gfs

(12)

(13)

(14)

式中，v1—— 車輛在t1時刻的速度，km/h

v2—— 車輛在t2時刻的速度，km/h

E1—— 滾動阻力損失的能量，J

E2—— 回收的能量，J

E3—— 空氣阻力損失的能量，J

S—— 制動距離，m

v0—— 車輛制動初速度，km/h

a—— 車輛制動減速度，m/s2

通過上述公式進行參數(shù)匹配，選用HXQ-L35/31.5-H的活塞式高壓蓄能器，選擇NXQ1-F25/20-H的氣囊式低壓蓄能器，其參數(shù)如表2所示。

表2 蓄能器參數(shù)Tab.2 Accumulator parameters

3 控制策略

基于AMESim與MATLAB聯(lián)合仿真平臺，搭建邏輯門限值的能量管理控制策略模型，應(yīng)用狀態(tài)機實現(xiàn)工作模式的切換，其工作模式分為液壓單獨驅(qū)動、發(fā)動機單獨驅(qū)動、混合驅(qū)動及制動能量回收等模式?？刂撇呗粤鞒倘鐖D2所示。

圖2 控制策略流程圖Fig.2 Flow chart of control strategy

圖2中，Te為發(fā)動機提供的轉(zhuǎn)矩，ph為高壓蓄能器的壓力值，pl為低壓蓄能器的壓力值，Tl為低壓蓄能器為泵/馬達所能提供的轉(zhuǎn)矩，Th為高壓蓄能器為泵/馬達所能提供的轉(zhuǎn)矩，Treq為汽車需求轉(zhuǎn)矩?；谛枨笈ぞ嘏卸ㄜ囕v運行狀態(tài)，若Treq>0，為驅(qū)動狀態(tài)，為使液壓系統(tǒng)在低速區(qū)間代替發(fā)動機工作，即設(shè)定三種速度區(qū)間：0≤v≤5.4 km/h、5.4 30 km/h。若0≤v≤5.4 km/h，且pl≥14 MPa，優(yōu)先低壓蓄能器驅(qū)動，若pl<14 MPa，且Th≥Treq，則由高壓蓄能器驅(qū)動，若Th30 km/h時，且Te+Th≥Treq，則由發(fā)動機與液壓系統(tǒng)共同驅(qū)動車輛，該模式為混合驅(qū)動模式。在低速區(qū)間優(yōu)先由低壓蓄能器驅(qū)動，壓力不足則由高壓蓄能器驅(qū)動；在中高速區(qū)間，通過發(fā)動機與高壓蓄能器所提供的轉(zhuǎn)矩與需求轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，進行混合驅(qū)動與發(fā)動機單獨驅(qū)動模式的切換；高速時，由發(fā)動機單獨驅(qū)動。

根據(jù)制動強度的不同，設(shè)置輕度制動、中度制動及緊急制動三種判定規(guī)則。輕度制動指制動強度小于0.1，即z<0.1；中度制動指制動強度大于0.1且小于0.6，即0.10.6。制動時，若z<0.1，且低壓蓄能器壓力值不足16 MPa，優(yōu)先進入低壓蓄能器制動能量回收模式，制動能量回收到低壓蓄能器中，若pl>16 MPa，則進入復(fù)合制動模式，即液壓混合動力系統(tǒng)與摩擦制動器共同提供制動力的模式；若z處于0.1～0.6之間，優(yōu)先通過高壓蓄能器進行制動能量的回收，若高壓蓄能器壓力值達到最大工作壓力，為了提高能量利用率，改變其工作模式，將多余能量回收到低壓蓄能器中，使更多制動能量得到回收，以進一步提高制動能量利用率；當z>0.6時，為緊急制動模式，進入機械制動模式。

4 仿真分析

4.1 仿真平臺搭建

在系統(tǒng)構(gòu)型與參數(shù)確定后，通過AMESim軟件搭建并聯(lián)式液壓混合動力公交車模型，基于MATLAB搭建控制策略，在AMESim中通過SimuCosin接口與MATLAB建立連接，在MATLAB中通過AME2SLCoSim模塊與AMESim建立連接，通過MATLAB/Simulink/Stateflow狀態(tài)機切換工作模式，AMESim與MATLAB聯(lián)合仿真平臺模型如圖3所示。

圖3 聯(lián)合仿真平臺模型Fig.3 Co-simulation platform model

4.2 經(jīng)濟性分析

本研究基于中國典型城市公交循環(huán)工況[14]，對并聯(lián)式液壓混合動力公交車構(gòu)型的經(jīng)濟性及控制策略進行驗證與分析，仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。

由圖4可知，通過對控制策略的驗證，實際車速與控制車速變化情況一致，且高、低壓蓄能器的壓力變化情況與車速的變化情況合理。在0～32 s內(nèi)，車輛處于停車充能狀態(tài)，在t=0時， 高壓蓄能器壓力由15 MPa增加到32 MPa，同時，低壓蓄能器壓力由3 MPa增加到8.2 MPa， 3 MPa為低壓蓄能器預(yù)充壓力，該壓力值不屬于低壓蓄能器工作范圍。

圖4 系統(tǒng)仿真圖

在車輛加速時蓄能器壓力下降，蓄能器內(nèi)壓力油釋放，蓄能器作為動力源進行驅(qū)動，此時蓄能器內(nèi)氣體體積增大，且蓄能器內(nèi)氣體體積隨油壓升高而減??；車輛停車為蓄能器保壓階段，此時蓄能器內(nèi)所充氣體體積無變化；車輛制動為蓄能器的升壓階段，進入制動能量回收模式，隨著油液壓力的升高，蓄能器內(nèi)氣體壓力隨之升高，氣體將被壓縮，氣體體積隨之減小。

由圖4可得，實際仿真蓄能器壓力變化范圍與匹配工作壓力范圍一致，即高壓蓄能器壓力工作變化范圍為15～32 MPa，低壓蓄能器壓力工作變化范圍為6～16 MPa。

如圖5所示，在中國典型城市公交循環(huán)工況下，液壓混合動力公交車與傳統(tǒng)燃油公交車的燃油消耗量分別為998.81 g，1455.54 g，即二者的百公里油耗為28.77 L，19.79 L，燃油消耗量減少了31.2%，可見該液壓混合動力系統(tǒng)節(jié)能效果較明顯，能夠有效減少車輛燃油消耗量，從而提高車輛經(jīng)濟性。從圖5中看出，在30～200 s內(nèi)液壓混合動力公交車燃油消耗量比傳統(tǒng)燃油公交車高，高、低壓蓄能器存在預(yù)充氣壓，該氣壓由發(fā)動機提供，在車輛起步時，導(dǎo)致油耗升高，在圖中表現(xiàn)為t=30 s時，液壓混合動力公交車與傳統(tǒng)燃油公交車的油耗分別為18.74 g，13.20 g，在t=200 s，二者油耗分別為228.41 g，199.70 g。

圖5 液壓混合動力公交車與傳統(tǒng)燃油公交車燃油消耗量Fig.5 Fuel consumption of hydraulic hybrid bus and conventional fuel bus

針對整車在空載、半載、滿載三種載質(zhì)量變化情況對燃油消耗量進行對比分析，如圖6所示。

從圖中看出，載荷從空載變化到滿載，液壓混合動力公交車油耗從19.79 L/100 km上升到22.85 L/100 km，油耗增加了13.39%，傳統(tǒng)燃油公交車油耗從28.77 L/100 km上升到35.41 L/100 km，油耗增加了18.65%，這表明隨著載荷的增加，液壓混合動力公交車百公里燃油消耗量比傳統(tǒng)燃油公交車低。

圖6 不同負載下油耗對比圖Fig.6 Comparison diagram of fuel consumption under different loads

按照液壓混合動力公交車仿真數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)公交車油耗按照28 L/100 km計算，則液壓混合動力公交車節(jié)約燃油6.81 L/100 km，且隨著里程數(shù)的增加，液壓混合動力公交車省油效果更為顯著。

4.3 尾氣排放分析

如圖7為液壓混合動力公交車與傳統(tǒng)燃油公交車尾氣排放量。由圖7可知，碳氧化合物排放量減少了47.7%，碳氫化合物排放量減少了34.9%，氮氧化合物排放量減少了22.3%。由圖可得，在車輛起步階段，液壓混合動力公交車尾氣排放低于傳統(tǒng)燃油公交車，由于液壓系統(tǒng)作為唯一動力源驅(qū)動車輛，避免了發(fā)動機啟動時油氣燃燒不充分的問題，這會大大減少尾氣排放量。

圖7 液壓混合動力公交車與傳統(tǒng)燃油公交車尾氣排放量Fig.7 Exhaust emissions of hydraulic hybrid buses and traditional fuel buses

5 結(jié)論

本研究以復(fù)合蓄能器并聯(lián)式液壓混合動力公交車為研究對象，從搭建雙動力源模型、整車參數(shù)匹配校核、制定控制策略及仿真驗證四個方面開展研究。

(1) 基于復(fù)合蓄能器并聯(lián)式液壓混合動力公交車構(gòu)型，完成對液壓泵/馬達、復(fù)合式蓄能器、轉(zhuǎn)矩耦合器傳動比的匹配，通過AMESim搭建了雙動力源公交車模型；

(2) 針對發(fā)動機在低速區(qū)間燃油不充分導(dǎo)致經(jīng)濟性變差問題，提出了一種基于邏輯門限值的能量管理控制策略，設(shè)定不同速度區(qū)間，通過車輛所處速度區(qū)間切換工作模式，而在高壓蓄能器優(yōu)先制動能量回收條件下，其壓力達到最高工作壓力時，該策略實現(xiàn)將剩余制動能量回收到低壓蓄能器中，以進一步提高制動能量利用率；

(3) 基于AMESim與MATLAB軟件，搭建了聯(lián)合仿真平臺，對經(jīng)濟性及排放情況進行仿真驗證及分析。仿真結(jié)果表明：在中國典型城市公交循環(huán)工況下，液壓混合動力公交車較傳統(tǒng)燃油公交車燃油消耗量減少了31.2%，節(jié)油效果明顯，可有效提高車輛經(jīng)濟性；在不同載質(zhì)量下，且隨著里程數(shù)的增加，液壓混合動力公交車省油效果更為顯著。同時，在低速區(qū)間液壓系統(tǒng)代替發(fā)動機工作，使尾氣中污染物排放量大大降低。為解決液壓混合動力城市公交車存在的問題提供了思路。