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)流體傳動與控制研究所，哈爾濱150001)

全球化的市場競爭、能源匱乏、環(huán)境污染等問題促使人們考慮車輛的燃油經(jīng)濟性問題.作為混合動力技術(shù)的一個重要分支，靜液傳動混合動力車輛也逐漸引起了各國政府、研究機構(gòu)及汽車制造商的高度重視［1-2］.由發(fā)動機和液壓泵/馬達(dá)組成的并聯(lián)式靜液傳動混合動力系統(tǒng)可以使發(fā)動機工作在高效區(qū)并可在車輛減速過程中回收制動能量，因此可顯著提高車輛的燃油經(jīng)濟性.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［3-4］.因此，對于公交客車、SUV和重型商用車，靜液傳動混合動力技術(shù)具有較好的適用性［5-6］.液壓再生制動系統(tǒng)對于提高燃油經(jīng)濟性和制動性能起著重要的作用，但目前相關(guān)研究的文獻(xiàn)較少.

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

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

1 PHHV的結(jié)構(gòu)原理

前輪驅(qū)動靜液傳動混合動力車輛(見圖1)主要由內(nèi)燃機、高壓蓄能器、低壓蓄能器和可變排量的液壓泵/馬達(dá)組成.主要動力源為傳統(tǒng)車輛的柴油機，液壓泵/馬達(dá)通過扭矩耦合器與傳動軸連接.

圖1 PHHV結(jié)構(gòu)原理圖

在車輛減速過程中，液壓泵/馬達(dá)工作在泵工況，可收集通常被傳統(tǒng)車輛摩擦制動耗散掉的能量.當(dāng)車輛制動時，液壓泵/馬達(dá)利用制動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、加速過程中可以驅(qū)動液壓泵/馬達(dá)提供轉(zhuǎn)矩［9］.通常設(shè)定在常規(guī)、中等制動強度時回收制動能量并由摩擦制動提供補充.

PHHV前輪制動力Ff1和后輪制動力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).

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

2 關(guān)鍵元件的選擇準(zhǔn)則

2.1 發(fā)動機功率的選擇

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

式中:f為滾動阻力系數(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%液壓蓄能器主動充壓功率裕量，式(1)可表示為

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

事實上，巡航功率是一個功率帶，應(yīng)保證該功率帶穿越發(fā)動機萬有特性圖上經(jīng)濟性較好的區(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為車輪滾動半徑(m)，i0為汽車主減速比，iP/M為耦合器傳動比;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，液壓泵/馬達(dá)要提供全部牽引功率，車輛制動時，液壓泵/馬達(dá)工作在泵工況回收制動能量.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為耦合器傳動比.

2.4 扭矩耦合器傳動比設(shè)計

扭矩耦合器傳動比用來保證液壓泵/馬達(dá)在制動和驅(qū)動時始終工作在高效區(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 液壓再生制動控制策略

3.1 再生制動力分配原則

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

1)當(dāng)車輛滿載且制動強度z≤0.06或空載且制動強度z≤0.1時，液壓再生制動能滿足整車制動強度需要，提供全部制動力.

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

3)當(dāng)車輛滿載且制動強度z＞0.5或空載且制動強度z＞0.7時，制動力全部由摩擦制動系統(tǒng)提供，以保證緊急制動的安全性.

圖2 PHHV制動力分配曲線

3.2 PHHV的再生制動控制策略

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

表1 PHHV的再生制動控制策略

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

4 仿真與試驗研究

4.1 仿真模型和參數(shù)

為驗證所提出的再生制動控制策略的有效性，在Matlab/simulink中建立了靜液傳動混合動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 不同行駛方式制動能量再生研究

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

圖3 前輪和后輪驅(qū)動模式下的再生制動能量

4.3 不同制動強度下再生制動能量研究

當(dāng)車輛在空載且制動強度z＜0.1時，由液壓再生制動系統(tǒng)提供全部制動力，其仿真結(jié)果如圖4所示.

制動能量回收率定義為

式中:Er為車輛動能(J)為液壓蓄能器回收的制動能量(J)，

圖4 z＜0.1時液壓再生制動仿真曲線

由仿真數(shù)據(jù)計算可知，輕度制動時靜液傳動混合動力系統(tǒng)制動能量回收率為

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

圖5 0.1＜z＜0.5時液壓再生制動仿真曲線

由仿真數(shù)據(jù)計算可知，在中度制動時，靜液傳動混合動力系統(tǒng)制動能量回收率為36.93%和25.28%.

4.4 試驗研究

靜液傳動混合動力系統(tǒng)的試驗臺架如圖6所示.

圖6 靜液傳動混合動力車輛試驗臺架

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

典型駕駛循環(huán)下的液壓再生制動試驗結(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證明制動能量有效的再生和重新利用.由實驗數(shù)據(jù)計算可得在z≤0.1時靜液傳動混合動力系統(tǒng)制動能量回收率為

5 結(jié)語

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

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