*,2

(1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039；2.昂立教育集團(tuán)留學(xué)事業(yè)部，上海 200030；3.三一重型起重機(jī)械有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600)

·新能源汽車與低碳運(yùn)輸·

液壓混合動(dòng)力車輛中蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)對(duì)工況影響的仿真分析

黃夢(mèng)陽(yáng)1，吳 濤1*，李曉鋒1,2，王俊倩1，許仕寬3

(1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039；2.昂立教育集團(tuán)留學(xué)事業(yè)部，上海 200030；3.三一重型起重機(jī)械有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600)

為研究蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)對(duì)車輛工況的影響，搭建整車AMESim模型，以蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)為基礎(chǔ)，定義壓力能量狀態(tài)，制定了能量分配規(guī)則，并按照蓄能器的數(shù)學(xué)模型建立其控制模型，利用AMESim與Simulink的聯(lián)合仿真，分析蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況及再生制動(dòng)的影響。仿真結(jié)果表明：蓄能器的儲(chǔ)能壓力值設(shè)定對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停影響較大，壓力能量狀態(tài)下限設(shè)為0.2較為合理；在發(fā)動(dòng)機(jī)反復(fù)起停與輕度制動(dòng)的工況下，蓄能器壓力能量狀態(tài)的上下限范圍大，能更有效地利用回收能量。

車輛；蓄能器；AMESim；仿真

串聯(lián)型液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)將車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)與負(fù)載完全解耦，大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用率。液壓蓄能器的加入消除了頻繁制動(dòng)和加速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的瞬態(tài)負(fù)荷影響，使得動(dòng)力源較多時(shí)間工作在相對(duì)穩(wěn)定工作區(qū)，降低燃油的消耗和排放[1-2]。文獻(xiàn)[3]分析了蓄能器容積大小對(duì)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性改善率的影響，確定了規(guī)則假設(shè)條件下蓄能器容積選擇原則。文獻(xiàn)[4]利用試驗(yàn)臺(tái)對(duì)蓄能器效率和比能量的工作特性進(jìn)行近似分析。此類文獻(xiàn)多是直接研究分析蓄能器的參數(shù)匹配及工作特性。

為直觀反映蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)對(duì)車輛運(yùn)行工況的影響，本文根據(jù)串聯(lián)型液壓混合動(dòng)力車輛結(jié)構(gòu)原理，利用AMESim搭建了整車模型，制定了以蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)為條件的能量分配規(guī)則，通過對(duì)典型工況的仿真，主要分析了蓄能器的儲(chǔ)能狀態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況與再生制動(dòng)工況的影響。

1 車輛結(jié)構(gòu)原理

串聯(lián)型液壓混合動(dòng)力車輛系統(tǒng)主要由車載發(fā)動(dòng)機(jī)、恒壓變量液壓泵、液壓泵/馬達(dá)、中央控制器及制動(dòng)器等組成，車輛結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)提供主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)液壓泵，液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能帶動(dòng)液壓馬達(dá)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車輛行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立于負(fù)載情況工作，即車輛行駛阻力、載重和車速不直接作用于發(fā)動(dòng)機(jī)。車輛減速、制動(dòng)時(shí)，液壓泵/馬達(dá)工作在液壓泵狀態(tài)，將車輛慣性動(dòng)能以液壓形式存儲(chǔ)在液壓蓄能器中，適時(shí)通過釋放回收的能量輔助車輛的起動(dòng)、加速或?qū)崿F(xiàn)再生制動(dòng)。

液壓蓄能器儲(chǔ)存和釋放再生制動(dòng)能，在車輛起步、加速時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供短暫的峰值功率，并吸收車輛液壓系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)，有效地平衡發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需功率，使發(fā)動(dòng)機(jī)更多地工作于經(jīng)濟(jì)區(qū)域，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)能量的有效回收利用及車輛的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 串聯(lián)型液壓混合動(dòng)力車輛結(jié)構(gòu)原理圖

2 仿真模型的建立

2.1車輛物理模型的搭建

研究在整車中蓄能器對(duì)工況的影響，運(yùn)用AMESim搭建整車仿真模型[5]，如圖2所示。1為發(fā)動(dòng)機(jī)模型，選用機(jī)械模塊中的馬達(dá)(PMV00)來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)外輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)；2中可設(shè)置車輛運(yùn)行環(huán)境狀況，如風(fēng)速、空氣密度、周圍溫度、路面激勵(lì)等；3中的蓄能器選取液壓庫(kù)中的HA000模型來(lái)仿真皮囊式液壓蓄能器，通過一個(gè)壓力傳感器來(lái)檢測(cè)蓄能器的壓力；4、5分別為可設(shè)置實(shí)際情況參數(shù)的傳動(dòng)系及汽車模型。整車仿真模型的控制信號(hào)由Simulink建立的控制模型提供給AMESim中的信號(hào)接收模塊。

圖2 仿真結(jié)構(gòu)總圖

2.2蓄能器建模

2.2.1 能量分配原則

混合動(dòng)力車輛的元件優(yōu)化匹配可有效提高車輛的節(jié)能特性，但能量分配利用是影響車輛節(jié)能效果的關(guān)鍵因素。在保證車輛具有較好動(dòng)力性及確保車輛安全制動(dòng)的同時(shí)，高效回收車輛的制動(dòng)動(dòng)能，改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，將依據(jù)蓄能器的儲(chǔ)能狀態(tài)制定能量分配規(guī)則。

蓄能器的壓力與容積都是影響其儲(chǔ)能狀態(tài)的主要因素，容積大小關(guān)系到能量可儲(chǔ)存量，容積的確定應(yīng)以車輛制動(dòng)初始平均速度時(shí)的動(dòng)能為依據(jù)，即

(1)

式中：Vmax、Vmin分別為預(yù)充壓力及最大工作壓力下的蓄能器氣體體積，m3;p、pmin分別為蓄能器實(shí)際工作壓力、最低壓力，Pa;n為氣體多變過程指數(shù)。

根據(jù)參考車輛的安裝控件及實(shí)際需要，選用NXQBL100/31.5F皮囊式液壓蓄能器，其公稱容積為100 L。

蓄能器容積選定后，研究蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)影響時(shí)，為便于直觀分析，定義液壓蓄能器的壓力能量狀態(tài)SOC(state of charge)變量：

(2)

式中：pacc為蓄能器實(shí)時(shí)壓力；pmin為蓄能器最低壓力；pmax為蓄能器最高壓力。

表1示出在地面附著條件不變的前提下，以蓄能器的儲(chǔ)能狀態(tài)作為切換條件,在驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)3種模式下的能量分配規(guī)則。

表1 能量分配規(guī)則

表1中：pacc為蓄能器實(shí)時(shí)壓力；pH為蓄能器設(shè)定上限壓力；pL為蓄能器設(shè)定下限壓力；pmin為蓄能器最低壓力；pmax為蓄能器最高壓力；Treg為汽車需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Tmax為馬達(dá)輸出最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

按照能量分配規(guī)則，判斷并設(shè)定液壓蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)SOC值，通過對(duì)模型中蓄能器的工作模式設(shè)置，使得驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄能器適時(shí)狀態(tài)切換以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2.2.2 蓄能器的數(shù)學(xué)模型

皮囊式液壓蓄能器反應(yīng)靈敏、密封可靠、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度相對(duì)較大。液壓蓄能器的力平衡方程[6]為

(3)

式中：ps、pa分別為液壓蓄能器的進(jìn)口壓力、氣囊腔壓力，Pa；Aa為折算到液壓蓄能器油液腔的截面積，m2；ma為折算到液壓蓄能器氣囊腔的液體當(dāng)量質(zhì)量，kg；Ba為液壓蓄能器的當(dāng)量黏性阻尼系數(shù)，N·s/m；qa為液壓蓄能器的進(jìn)口流入流量，m3/s。

液壓蓄能器的流量連續(xù)性方程為

(4)

根據(jù)Boyle-Mariotte定律，有

(5)

式中：pa0、Va0分別為恒壓變量泵調(diào)定壓力下液壓蓄能器的穩(wěn)定工作點(diǎn)；n為Boyle-Mariotte定律氣體多變指數(shù)，取值1～1.4。

在pa0、Va0附近泰勒展開，略去高次項(xiàng)進(jìn)行拉氏變換，整理得

(6)

式中：ωa為液壓蓄能器固有頻率，rad/s；ξa為液壓蓄能器阻尼系數(shù)。

為了分析簡(jiǎn)便，做如下假設(shè)：

1)忽略蓄能器充放能過程中的能量損失；

2)蓄能器放能過程快，視為絕熱過程，取氣體多變指數(shù)n=1.4[7]；

3)忽略液壓油的壓縮性，油液在蓄能器中視為層流。

將式(6)所得傳遞函數(shù)寫入Simulilnk建立的控制模型中，在AMESim中輸入蓄能器進(jìn)口壓力及流量等參數(shù)，按(3)式可獲得pa，在車輛中此表示為蓄能器實(shí)時(shí)壓力。

由此可確定液壓蓄能器的SOC值(充能狀態(tài))，進(jìn)而根據(jù)能量分配策略原理實(shí)現(xiàn)切換蓄能器與發(fā)動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的工作狀態(tài)。蓄能器參與工作狀況仿真控制框圖如圖3所示，通過比較不同的SOC值來(lái)決定蓄能器充放能的程度。

圖3 蓄能器仿真控制框圖

3 仿真結(jié)果分析

為著重分析蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況及再生制動(dòng)工況的影響，在整車物理模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)數(shù)模在Simulink中建立其控制模型后，通過AMESim與Simulink聯(lián)合仿真進(jìn)行仿真分析。

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)工況分析

蓄能器的容量大小與SOC上下限的設(shè)定值是蓄能器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響的2個(gè)主要因素。蓄能器容量大小已確定，主要控制設(shè)定SOC上下限值來(lái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工況仿真分析。

發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)啟動(dòng)及怠速啟動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與相應(yīng)蓄能器壓力如圖4、圖5所示。怠速啟動(dòng)過程中，0～40 s在預(yù)啟動(dòng)階段，40～45 s為起步過程，45～50 s為加速過程，440 s車輛處于制動(dòng)狀態(tài)。仿真曲線顯示：1)預(yù)啟動(dòng)階段沒有功率消耗，發(fā)動(dòng)機(jī)功率存儲(chǔ)在蓄能器當(dāng)中用作后續(xù)起步的動(dòng)力；2)44 s處的制動(dòng)慣性能有效存儲(chǔ)在蓄能器當(dāng)中用于制動(dòng)后的車輛起步；3)蓄能器由于啟動(dòng)與急加速能量被快速消耗后，在520 s處，發(fā)動(dòng)機(jī)處于短暫的峰值功率。整個(gè)仿真過程表明：蓄能器壓力波動(dòng)大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較平穩(wěn)，蓄能器充放液壓能的功能提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率的有效性及經(jīng)濟(jì)性。

圖5顯示的停機(jī)啟動(dòng)說(shuō)明:發(fā)動(dòng)機(jī)每次啟動(dòng)都會(huì)沖向最高轉(zhuǎn)速，蓄能器壓力降至最低，影響發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性，需要合理地提高蓄能器的SOC下限值。

為了進(jìn)一步說(shuō)明蓄能器SOC值對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，上下限取值為0.1～0.9、0.2～0.8、0.3～0.7、0.4～0.6進(jìn)行仿真比較，如圖6所示。仿真結(jié)果表明，對(duì)比不同的SOC上下限值，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速與啟停次數(shù)都有很大變化。SOC的上下限設(shè)定區(qū)間范圍大，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停次數(shù)少、轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，且經(jīng)常處在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速(1 600 r/min),燃油經(jīng)濟(jì)性好?？紤]到蓄能器能量下限值的升高會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停次數(shù)，同時(shí)為滿足車輛的極限加速工況，調(diào)定SOC下限值應(yīng)設(shè)為0.2。

圖4 怠速啟動(dòng)下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與蓄能器壓力

圖5 停機(jī)啟動(dòng)下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與蓄能器壓力

圖6 SOC值控制對(duì)比分析圖

3.2再生制動(dòng)分析

制動(dòng)強(qiáng)度的大小對(duì)再生制動(dòng)能量回收效率影響較大，制動(dòng)強(qiáng)度大時(shí)需要引入機(jī)械制動(dòng)。面向節(jié)能目標(biāo)條件，車輛常運(yùn)行工況起決定作用[8]，分析混合動(dòng)力常用的4種行駛工況[9]，列出不同循環(huán)工況下的平均速度、平均加速度及制動(dòng)強(qiáng)度為輕度制動(dòng)(z≤0.1)的占比，如表2所示。輕度制動(dòng)下為能對(duì)比機(jī)械制動(dòng)與混合制動(dòng)的效果，選擇制動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較大的UDDS工況作為目標(biāo)工況進(jìn)行仿真分析。

表2 不同循環(huán)工況下的主要參數(shù)對(duì)比

圖7(a)顯示，整個(gè)仿真過程中實(shí)際車速與目標(biāo)車速接近，制動(dòng)準(zhǔn)確。圖7(b)顯示了此工況有蓄能器參與的混合制動(dòng)及純機(jī)械制動(dòng)的仿真效果，混合制動(dòng)時(shí)制動(dòng)強(qiáng)度低，機(jī)械制動(dòng)在整個(gè)循環(huán)工況下參與少，制動(dòng)能量更多地被回收利用。同時(shí)，仿真結(jié)果也說(shuō)明制動(dòng)沖擊下，蓄能器對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)及脈動(dòng)的有效吸收，車輛運(yùn)行比較平穩(wěn)。

4 結(jié)論

根據(jù)串聯(lián)型液壓混合動(dòng)力車輛的結(jié)構(gòu)原理，搭建了車輛的AMESim仿真模型，并建立了蓄能器等主要元件的控制模型。結(jié)合參考原型車輛實(shí)際情況設(shè)置相關(guān)參數(shù)，以蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)為依據(jù)制定了能量分配原則，進(jìn)而分析了蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況及再生制動(dòng)的影響。由系統(tǒng)的仿真曲線得出了以下結(jié)論。

(a)

(b)

1)發(fā)動(dòng)機(jī)反復(fù)啟動(dòng)下，蓄能器的儲(chǔ)能狀態(tài)變化大即壓力波動(dòng)大，充放能量能力強(qiáng)，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的效率及經(jīng)濟(jì)性。

2)不同的蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)即不同的蓄能器壓力值會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況產(chǎn)生較大影響。蓄能器設(shè)定的儲(chǔ)能壓力區(qū)間大，發(fā)動(dòng)機(jī)更多地工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域，系統(tǒng)壓力波動(dòng)小。同時(shí)，SOC值降低會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停次數(shù)，不利于燃油經(jīng)濟(jì)性，需要合理選擇SOC上下限值，此研究中選定SOC下限值為0.2，滿足要求。

3)對(duì)于車輛運(yùn)行速度較低，輕度制動(dòng)強(qiáng)度的工況，不需要機(jī)械制動(dòng)的參與，可單獨(dú)由儲(chǔ)能元件回收更多能量，同時(shí)蓄能器對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)及脈動(dòng)吸收也使得車輛能運(yùn)行更加平穩(wěn)。

[1]Brusstar M．Hydraulic Hybrids-cost Effective Clean Urban Ve-hicles[R]. Washington D C：US Environmental Protection Agency,Office of Trans-portation and Air Quality, 2006.

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(編校：夏書林)

SimulationAnalysisofAccumulatorEnergyStorageStatusInfluenceonWorkingConditionsinHydraulicHybridVehicle

HUANG Meng-yang1, WU Tao1*, LI Xiao-feng1,2, WANG Jun-qian1, XU Shi-kuan3

(1.SchoolofAutomobileandTransportation,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.OnlyEducationGroup,StudyAbroadDepartment,Shanghai200030China;3.SanyMobileCranesCo.,Ltd,Changsha410600China)

In order to study the influence of the accumulator energy storage status on vehicle working condition, the structure and the action principle of the series hydraulic hybrid vehicle is presented. The vehicle model was built in AMESim eviroment.. On the basis of accumulator energy storage status, the pressure energy state was defined, and the rules of energy distribution was formulated, and whose controlling model was constructed in Simulink as the accumulator mathematical model. By means of the combination simulation between AMESim and Simulink, the accumulator energy storage status influence on working conditions of engine and regenerative braking for the typical conditions was analyzed. The simulation results show that the impact of energy storage setting pressure value of the accumulator is significant on the engine stop-start, a reasonable lower limit valve of pressure energy status should be set to 0.2; the accumulator had a larger range of upper and lower for pressure energy status during the engine start-stop repeatedly and slightly braking condition, which would be utilize to recover energy more effectively.

vehicle; accumulator; AMESim; simulation

2014-03-04

四川省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(12ZA166)資助。

：吳濤(1969—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閷Ｓ闷嚰夹g(shù)和汽車液壓技術(shù)。E-mail:597990478@qq.com

TP391.9

：A

：1673-159X(2015)03-0035-06

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.03.008

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