（机械电子工程专业论文）输出耦合液压混合动力系统研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 随着世界范围内汽车行业的迅速发展，能源短缺和环境污染问题日益严重。因此发展 节能、环保汽车越来越成为当今社会的一项重要任务。在新型清洁能源技术尚未取得重大 突破之前，采用混合动力技术是缓解能源危机和环境恶化的有效途径。液压混合动力汽车 作为混合动力汽车的一种，困其能高效的回收制动能量，逐渐引起了各国政府及研究机构 的高度重视。 在查阅大量国内外相关文献的基础上，本课题以机械液压功率分流传动技术为基础对 输出耦合液压混合动力车辆进行研究。主要研究工作包括以下几个方面： ( 1 ) 分析液压机械功率分流传动系统的工作原理、结构类型，确定该系统传动方案 及主要元件参数设计方案。在此基础上，着重研究输出耦合式功率分流传动系统工作模式、 功率流程，速度特性，并提出系统的调速规则。 ( 2 ) 以液压机械分流传动技术和制动能再生技术为基础，构建输出耦合液压混合动 力系统。并在对该系统在制动能再生、蓄能器单独驱动、发动机单独驱动等工况下工作模 式、功率流程分析的基础上提出数去耦合液压混合动力车辆的控制策略。 ( 3 ) 利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 和s i m s c a p e 模块建立功率分流传动系统和制动能 再生系统仿真模型。通过功率分流传动系统模型对u d d s 循环工况车速跟踪仿真，验证了 本文所构建的功率分流传动系统的传动方案、参数设计及调速规则的合理性。通过对制动 能再生系统的仿真，得出制动能回收再利用率可达4 9 ，并且在相同工况下，蓄能器初始 工作压力越高，车辆制动时间越短。 关键词：液压混合动力；功率分流传动：输出耦合：制动能再生； s i m s c a p e 釜坐垩武汉科技大学硕士学位论文 _ - - _ - 一一一一。 a b s t r a c t w i t h 此r a p i dd e v e l o p m 眦o fa u t o m o b i l ei n d u 呻i nt h ew o r l d ，e n e 唱yr e s o u r c e ss h o 魄e a u l de i i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e ma r eb e c o m i n gm o r ea 1 1 dm o r es e v e r e ，s 0 廿1 ed e v e l o p m e n t o fe n e r g y s 耐n g ，e n v i r o n m e m a l l y - 衔e n d l yv e l l i c l ei si n c r e a s i n 西yb e c o m i n ga nh n p o r t a n tt a s k f o rm es o c i e 够h y b r i dt e c h l l i q u ei sa i le 脏c t i v ew a yt oa 】l e v i a t ee n e r g yr e s 0 1 1 r c e s 嘶s i sa 1 1 d e n v i r 0 i 姐e r 埘d 咖f i o r a t i o nb e 如r ean e wa n dc l e 锄e n e r g yt e c h i l i q u ec o m e sn o 如l lp l a y h y d r 砌i ch y b 耐v 出c l e s 嬲o n eo f h y b r i dv 出d e si s1 1 i 谢y 砌u e db yg o v e 功m e n t sa n d r e s e 嫩h 曲s t i t u t i o n s 铲a d u a l l y ，b e c a u s ei tc a nr e c y c l eb r a ：k ee n e 玛ye f j e l c i e n t l y a r e rl o o k i n gu pa n dr e a d i n gal o to fr e l a t e dl i t e r a ：t u r e sa 1 1 dr e f e r e r l c em a t e r i a l sa th o m ea j l d a b r o a d ，o u t - c o u p l e dh y d r 砌i ch y 晰dp o w e r t r 咖i ss t u d i e db a s e do n 吐l et e c l l i l 0 10 盯o f h y d r o m e c h a 血c a lp o w e rs p l i tt r a l l s m i s s i o n t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i sp 印e ri n c l u d e st h e f o l l o w i l l g ： ( 1 ) t h e ya r ea i l a l y z c dt h a tm ew o r kp r i n c i p l ea n ds t n l c t u r ef o m so fh y d r o m e c h a l l i c a l p o w e rs p l i t 仃a n 蚴 1 i s s i o ni i lm i sm e s i s ，a n dt h e n ，m e 仃a n s m i s s i o ns 也l t i e g ya n dm ed e s i 弘 p 蹦l 1 e t i 贸sa r ed e t e n i l i n e d b a s e do nm ea b o v e 、v o r k ，t l l e ya r es t u d i e dm a to p e r a l i o n a lm o d e ， p o w e rf l o wc h 2 啪c t e r i s t i c ，s p e e dc h a r a c t e r i s t i co ft h eo u tc o u p l e dp o w e rs p l i t 位m s 商s s i o n t h e n ， s p e e dc o n 仃0 1m o d ei sp u t 向m m d e d ( 2 ) o n 也eb 硒i so fh y d r o - m e c h 枷c a lp o w e rs p l i t 批m s m i s s i o n 肋de n e r g yr 9 9 e n e r a t i o n s y s t e m ，t 1 1 es 伽j c t u r eo fo u t c o u p l e dh y d 洲i ch y b r i dp o w e 州n i sc o n s 缸u c t e d t h e ya r es t u d i e d 廿1 a to p e r a t i o i l a lm o d e ，p o w e rf l o wc h a r a c t c r i s t i co ft h eo u t c o u p l e dh y d r 砌i ch y b r i dp o w e r 昀血 a n d 廿1 e n ，i t se n e r g yc o n t r o ls t 】疵g yi sd e s i g n e d ( 3 ) b yu s i n g 。s i m 曲n ka n 乱s h n s c 印em o d ：u ：l e o fm a 土1 a b ，t h es i 如王d 鲥蚀可d 删缸二d f ! h y d r o - m e c h 面c a lp o w e rs p l i t 仃a i l s i n j s s i o n a n db 同( i n ge n e 玛yr e g e n e r a t i o ns y s t e mi s e s t a 凸l i s h e d t h es i i l l m a t i o no ft 1 1 e 阳r 0 - m e c h a m c a lp o w e rs p l i t 臼咖峪m i s s i o nw 髂m a d e 呲db yu d d s t h er e s m t sc o 皿肌也cv a l i d i t ) ro fm e 仃a i l s i i l i s s i o ns c h e m e ，p 锄m e t c r d e s i 萨a n ds p e e dc o n 臼_ o lm d d e t h es i m u l a t i o no f 也ee n e r g yr e g e r l e r a t i o ns y s t e m 、v 舔m a d e s i l 工l 山a t i o nr e s l l l t ss h o w 也a tt h eb r a l ( i n ge n e r g yr e c o v e r ) ，u t i h z a t i o no fu pt o4 9 ，a n dm ei l i g h e r 斌t i a jw o r kp r e s s u r eo 伯冰h m i ca c c u m u l a t o r ，t 1 1 es h o n e rb r a i 【i n gt i m e 如rv e 城c i e k 哪r o r d s ：b n d r a u l i ch 州dp o w e 删n ；p o 、e rs p l i t 仃a n s m i s s i o n ；o u t c o u p l e d ；b r a i 【i i 唱e n e r g y r e g e n e r a t i o n ；s i m s c a p e 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 汽车自1 9 世纪末诞生至今一百余年期间，汽车工业从无到有，以惊人的速度发展。 据美国汽车行业权威杂志w a r d s a u t o 公布：根据世界各国政府公布的汽车注册量及历史上 汽车保有量，截止2 0 1 1 年8 月1 6 日，全世界正在使用的各种汽车的总保有量已超过1 0 亿辆，美国是目前拥有汽车最多的国家，汽车注册量2 4 亿，中国第二，汽车拥有量7 8 0 0 万辆，中国汽车保有量增速居世界第一【l 】。汽车的问世和发展改变了世界，极大地方便了 人类的活动，在推动社会进步和经济的发展上起到了重要的作用。但是汽车在推动人类社 会快速发展的同时也给人类带来了能源消耗和环境污染等负面影响。 随着社会经济的快速发展，对石油资源的需求量也在不断的扩大，并出现了供不应求 的局面。据b p 世界能源统计年鉴提供的数据【2 】，2 0 1 0 年全球石油消费量增长3 1 ， 即2 7 0 万桶日，这是2 0 0 4 年以来最大的百分比增幅，中国消费量增加1 0 4 。而全球石 油产量增加了2 2 ，远远低于消费增长。有关专家预计到2 0 2 0 年我国的石油需求将超过 4 亿吨，而供需缺口超过2 亿吨【3 】o 国务发展研究中心预测，到2 0 2 0 年，我国汽车消耗石 油为2 5 6 亿吨，约占全国石油总消耗量的6 7 【4 】。我国传统汽车拥有量的大幅增加，也将 加剧能源短缺问题。与此同时，汽车污染已经威胁到人类生存。汽车排放的尾气中含有大 量的有害成分，主要有氧化碳、未燃碳氢、氮氧化物、碳氢化合物、硫化物、苯并芘及 一些对人体有害的固体细微颗粒物，这些污染物有很强的毒性，危害人体免疫系统、呼吸 系统和生殖系统。根据联合国环保组织公布数据，目前世界范围内城市中的空气污染，5 0 来自传统燃油汽车的尾气排放。我国机动车尾气污染问题也日益严重，据评估，2 0 1 0 年我 国汽车排放尾气占空气污染源的6 4 。由于大气状况严重恶化引起的一系列异常的自然现 象，比如酸雨、光化学烟雾以及温室效应等严重破坏和影响到人类赖以生存的生态系统【5 刁】。 目前中国汽车工业发展迅猛，已成为社会经济发展的重要支柱之一。如何实现在发展 汽车工业的同时又能降低汽车能源消耗、减少对环境的污染，成为中国政府乃至全社会共 同关注的焦点。而发展具有环保、节能、高效等优点的新能源汽车技术是解决这一矛盾的 有效途径。中国工业和信息化部2 0 0 9 年6 月1 7 日发布的新能源汽车生产企业及产品准 入管理规则中指出：新能源汽车，是指采用非常规的车用燃料作为动力来源( 或使用常 规的车用燃料、采用新型车载动力装置) 的新型车辆。新能源汽车包括混合动力汽车、纯 电动汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车等各类别产品。 纯电动汽车是指以蓄电池和电动机作为动力装置的车辆，是真正实现零排放和超低嗓 音汽车。但由于受到蓄电池寿命、功率密度、能量密度及生产成本的影响【8 】，目前纯电巅 汽车技术只适用于小型汽车。燃料电池电动车是采用燃料电池作为动力源的电动车，燃粒 电池使用的燃料主要有氢、甲醇、汽油、柴油等，目前液态氢燃料电池发展最为突出。燠 料电池电动车具有零排放、效率高、低噪音、良好的操作性能等优点，但是目前燃料电洲 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 汽车仍处于研究和实验阶段，结构复杂，制造和维护成本较高【9 ，1 0 1 。 混合动力汽车是配置安装了两个或者两个以上的动力源，并通过能量转换装置将其他 能量转化为机械能单独或与发动机产生的机械能共同驱动车辆行驶的汽车。一般意义上的 混合动力汽车是由普通汽车发动机和配有储能元件的动力装置共同作为车辆动力源，采用 独特的控制策略，对发动机多余能量及车辆制动能量回收、储存和再利用的新型汽车【l l ，1 2 1 。 混合动力汽车因具有节约燃油、减少汽车排放、良好的动力性能、续航里程长、不改变基 础设施等突出优点而被普遍认为是目前最具开发和推广前景的新型交通工具之一【1 3 1 。 混合动力汽车通常分为电动混合动力汽车和液压混合动力汽车，液压混合动力汽车主 要是利用可逆液压元件，通过液压蓄能器对制动能量进行回收、储存和再利用。目前，大 部分混合动力汽车市场被电动混合动力汽车占据，丰田、福特、通用、尼桑等汽车公司推 出多款电动混合动力汽车。但受到电动机和蓄电池低功率密度的限制，电动混合动力汽车 主要针对于轻型车辆1 1 4 j 。液压混合动力汽车因液压系统功率密度大，能处理高频率能量 转换情况，更适用于城市公交车、s u v 和专用汽车等重型车辆在复杂工况下运行【l5 1 。 1 2 液压混合动力车辆的储能技术特点 在混合动力汽车中，储能装置对提高车辆节能效果非常重要，混合动力汽车要求蓄能 装置能够在短时间内回收和释放大量能量，并为了使储能装置不致太重，要求其具有较高 的功率密度和能量密度。液压混合动力车辆以液压蓄能器作为蓄能装置，其具有高比功率、 高循环效率、蓄能时间长及全充全放能力强等优点【l 引，但其能量密度较低。 目前在不同种类的混合动力系统中常用的储能装置除了液压蓄能器外，还有飞轮储能 器、蓄电池、超级电容、燃料电池等装置。通过对比它们的性能，可知液压蓄能技术具有 以下几个显著优势： ( 1 ) 功率密度大混合动力车辆蓄能元件的功率密度和能量密度直接决定混合动力系 统性能。不同蓄能元件的能量密度和功率密度的对比如图1 1 【1 7 】所示。由图1 1 可见，燃 料电池、蓄电池、飞轮和超级电容的能量密度高于液压蓄能器，可以长时间供能【1 8 】；而液 压蓄能器的功率密度大于其它能量存储方式，只有高功率密度系统才能满足车辆快速制动 时的能量转换和储存的要求e 1 9 翔】，因此液压混合动力系统更适用于需要频繁启停的中重型 城市公交车、工程机械的行走装置。 ( 2 ) 蓄能装置重量轻电动混合动力车辆采用镍氢电池、钠氯化镍电池或超级电容装 置存储能量，液压混合动力车辆采用液压蓄能器。图1 2 【2 l 】为并联式混合动力车辆储能装 置的重量比较。可见，相同条件下液压储能系统的重量比是镍氢电池和钠氯化镍电池储能 系统的5 0 ，超级电容系统的重量也高于液压储能系统。重量轻的储能装置可以更大限度 地提液压混合动力车辆的燃油经济性。 武汉科技大学硕士学位论文 页 功率密度，w 强g 图1 1 储能元件能量密度和功率密度 液压储镍氢电钠氯化镍超级电 能系统 池系统电池系统容系统 图l - 2 储能装置的重量对比 ( 3 ) 系统循环效率高储能系统的循环效率指制动动能从驱动轴回馈进入能量回收系 统到回收的能量再次输出到驱动轴上的效率，液压储能系统的循环效率高于蓄电池和超级 电容系统2 1 1 。随着液压元件生产加工技术的不断提高，液压储能系统的循环效率可达到 8 2 【2 2 】。 1 3 液压混合动力车辆的结构类型 液压混合动力车辆传动系统是由发动机、变量液压泵马达、液压蓄能器、变速器等主 要部件组合而成，其结构形式多种多样。目前，世界各国研究开发的混合动力车辆根据动 力系统的组合方式不同，大致可以分为串联式、并联和混联式三种类型。 ( 1 ) 串联式液压混合动力车辆 串联式液压混合动力车辆结构如图1 3 所示，其传动系统是基于纯液压传动的一种混 合动力传动形式，主要由发动机、变量泵、变量泵马达、液压蓄能器、主减速器组成。该 系统有发动机和高压蓄能器两个动力源提供动力，但仅有变量泵马达一个执行原件驱动负 载工作。液压蓄能器回收、储存汽车的制动动能和发动机的富余能量，并在汽车启动、加 速时释放能量，达到车辆动力性和减少油耗的目的。串联式液压混合动力系统断开了发动 机与行驶负载的直接联系，液压蓄能器缓冲了负载变化对系统的影响，使发动机相对稳定 的工作在最佳工作区域，提高了车辆燃油经济性和排放性能。但该系统能量转换次数多， 受液压元件传动效率较低的影响，系统整体效率低，这种结构适用于需要频繁启停的小型 城市公交车、工程机械行走装置【2 3 1 。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 - 3 串联式液压混合动力结构 ( 2 ) 并联式混合动力车辆 图1 4 是并联式液压混合动力车辆结构简图。并联式液压混合动力车辆采用发动机和 液压泵马达两套驱动系统，两套驱动系统可分别单独或同时驱动车辆行驶。车辆在低速、 小功率运行时可以利用液压蓄能器单独驱动车辆；若车辆保持中高速平稳行驶，可由发动 机单独进行驱动；车辆高速行驶或加速时，发动机和液压泵马达通过动力耦合系统同时输 出功率驱动车辆，并使发动机工作在高效区。与串联式液压混合动力汽车一样，并联式混 合动力车辆可以对制动能量回收再利用，提高车辆动力性和燃油经济性。通常并联式液压 混合动力车辆只是在原有传动系统的基础上通过定轴齿轮耦合一套液压系统，对原系统改 动较小，保持了机械传动高效率的优点。但是该系统发动机与驱动轮直接连接，不利于优 化发动机的工作点，且无法实现无级变速。 图1 4 并联式液压混合动力结构 ( 3 ) 混联式混合动力车辆 图1 5 是混联式液压混合动力车辆结构简图。混联式液压混合动力车辆也称功率分流 液压混合动力车辆，其传动系统是基于液压机械功率分流传动系统的混合动力传动形式口4 】 ( 在本文中混联式液压混合动力统称为功率分流式液压混合动力) ，它是并联式结构和串 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 联式结构的综合。功率分流式液压混合动力车辆集中了串联式和并联式混合动力车辆的优 点，它能够使发动机、液压泵马达等部件进行更多的优化匹配，从而保证了在复杂的工况 下系统能够工作在最优状态，因此更容易实现排放和燃油消耗的控制目标，且该系统可传 递的功率也较大，效率很高。因功率分流机构的引入，使得传动系统能够实现无极调速， 且速比范围大。但是混联式系统相比于串联式和并联式系统，结构和控制系统都更加复杂。 目前，混联式系统工作模式的确定及能量管理策略是对其研究的重点和难点。 图1 5 混联式液压混合动力结构 综合液压混合动力技术特点以及本课题的实际情况，本文选择的研究对象为功率分流 式液压混合动力车辆。 1 4 液压混合动力车辆的研究现状 1 4 1 国外液压混合动力车辆的研究现状 在国外，对混合动力车辆的研发从上世纪7 0 年代开始，在8 0 年代开始了对液压混合 动力技术的研究【2 5 j 。 多年来，美国环保署( e p a ) 一直致力于液压混合动力技术的应用和推广，并取得多项 研究成果和专利，为该技术的的发展做出巨大贡献。早在2 0 0 4 年，在全球车辆工程师会 议上e p a 展示了与福特公司共同研发的一款液压混合动力运动型多用途车( s u v ) ，如图 1 6 所示，并宣称该车制动能回收率达到8 2 ，提高燃油经济性高达5 5 且投资成本较 低【2 2 】。2 0 0 6 年e p a 与e a t o n 公司联合研制了新型液压混合动力传动系统，如图1 7 所示， 并将该系统应用在u p s ( u 心e dp a r c e ls e i c e ) 的邮递车上，如图1 8 所示，车辆燃油经 济性约提高3 5 5 0 2 6 1 。2 0 1 0 年，p a r k e rh a i l n i f i n 公司与e p a 合作开发串联式液压混合动 力控制系统，并称将该系统应用于垃圾车、重型卡车、公共汽车可以回收车辆7 0 的制动 能，减少排放量高于2 0 2 7 1 。2 0 1 1 年，e p a 与c h 巧s l e r 共同设计开发液压混合动力小型 汽车，车辆整体燃油经济性提高了3 5 5 0 ，特别是城市燃油经济性提高6 0 ，并减少2 5 温室气体排放幽j 。 第6 页 武汉科技大学硕士学位论文 图1 6e p a 推出的液压混合动力s u v 图1 7u p s 液压混合动力汽车 图1 - 8e p a 推出的液压混合动力系统 另外，英国a n e 耐s l l i g e n tp o 、e r 公司于2 0 0 8 年推出液压混合动力系统，a n e m i s 表示该混合动力系统可以使车辆的城市油耗减少5 0 。2 0 0 9 年，博士力士乐公司在亚洲国 际动力与控制技术展览会上展出 玎姬液压混合动力系统，如图1 9 所示。据力士乐公布数 据：以x 2 e c o 系列垃圾收集车为例，在运用并联式m 出系统后，每小时最多节省燃油 2 2 5 升，减少c 0 2 排放量达一砸2 9 1 。 a ) 制动能量回收存储b ) 制动能量再利用 图1 9 并联式咖系统工作原理图 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 1 4 2 国内液压混合动力车辆的研究现状 国内对液压混合动力技术的研究起步晚于国外大约十年。近年来，随着社会对节能环 保的呼声越来越高，各相关科研机构也在不断加大对液压混合动力技术理论的研究，并取 得了丰硕的成果。目前对混合动力技术的研究主要由高校进行，包括：哈尔滨工业大学、 北京理工大学、南京理工大学、吉林大学、浙江大学等。 哈尔滨工业大学是国内较早开展液压混合动力技术研究的高校之一，并一直持续至 今，其研究重点是基于恒压网络的二次调节静液传动系统及其控制。九十年代中后期，王 会义等对二次调节静液传动系统的节能机理进行了理论与实验研究 3 0 ；姜继海博士采用智 能p i d 、神经网络和模糊控制等控制方法分别对二次调节的转速控制和转角控制进行研究， 并取得了一定的成果【3 1 ：战兴群博士对二次调节系统在重力负载和恒转矩负载条件下静态 调速特性进行了研究，建立了二次调节扭矩加载实验装置的数学模型，采用神经优化的t s 模糊模型控制方案对加载系统进行了研究【3 2 】；2 0 0 1 年，赵春涛进行了串联混合动力车辆 中二次调节静液传动技术的研究。建立了混合动力汽车数学模型，搭建了二次调节静液传 动混合动力系统模拟实验台，提出了几种刹车时动能回收的控制策略，并进行了模拟实验 研究【3 3 】；2 0 0 9 年，孙辉提出了双桥驱动的串联式静液传动混合动力车辆模型，并对其进 行了优化匹配和制动控制策略等研究【3 4 】。 2 0 0 3 年，北京理工大学苑士华教授课题组对城市用公交车的制动能回收液压系统进行 了设计与研究，在四种循环工况下的仿真结果表明，其节油率达到了2 8 【3 丸3 6 l ；该课题组 并于2 0 0 8 年提出了一种基于分速汇矩式液压机械传动的车用功率分流式液压混合动力传 动形式，并对其在不同工作模式下的功率流及工作机理进行研究【2 4 3 7 】。2 0 0 5 年，南京理工 大学常思勤教授对电控液驱公交车进行了理论与试验研究。重点研究了轮边系统防滑的控 制方法，仿真结果表明其防滑和节能效果明显【3 8 1 。2 0 1 1 年，吉林大学博士王玮提出了结合 瞬时能量管理优化策略和蓄能器s o c 管理策略，以减少汽车运行油耗为目标的整车能量 管理策略，仿真结果表明了该能量管理策略提高车辆燃油经济性，相对基础车型其燃油消 耗降低3 6 9 5 p 列。 国内最早进行液压混合动力技术产品开发的公司是北京嘉捷博大公司。2 0 0 6 年装有该 公司研发的液压制动能量再生系统的混合动力公交车在北京和厦门试运营和检测，检测结 果显示安装再生制动系统后，节油效率达到2 0 ，减少了2 0 5 0 的尾气排放【4 0 j 。同期， 上海交大神州公司研制开发液压混合动力公交车，据多次实验检测表明节油率可达 2 0 2 5 【4 1 1 。 1 5 本文主要研究工作 由于液压混合动力汽车具有极高的研究价值，所以受到了国内外研究人员的广泛关 注。但是，目前国内对提高车辆燃油经济性和节能减排效果最好的功率分流式液压混合动 车辆的研究很少，这严重阻碍了国内液压混合动力技术的发展。 本文以机械液压功率分流传动技术为基础对功率分流式液压混合动力车辆进行研究， 第8 页 武汉科技大学硕士学位论文 主要研究工作包括以下几个方面： ( 1 ) 在对液压混合动力系统的基本类型及储能技术进行比较分析，综述国内外液压 混合动力车辆的研究现状后，选择功率分流式液压混合动力车辆作为本课题的研究对象。 ( 2 ) 在对液压机械功率分流传动系统工作原理分析的基础上，对比系统主要部件结 构类型、工作特性，确定系统整体传动方案，并确定系统主要元件参数匹配方案。重点分 析输出耦合式功率分流传动系统在车辆倒车、怠速、启动、匀速、加速等不同工况下的工 作模式、功率流程，速度特性，提出系统的调速规则。 ( 3 ) 进行功率分流式液压混合动力系统的传动方案设计，选择输出耦合液压混合动 力系统作为研究对象。分析制动能再生系统工作原理、主要元件工作特性及参数选择。分 析了输出耦合混合动力系统在制动能再生、蓄能器单独驱动、发动机单独驱动等不同工况 下的工作模式、功率流程及输出耦合液压混合动力车辆的控制策略。 ( 4 ) 利用m a t l a b s i m c a p e 软件建立液压机械功率分流传动系统和制动能再生系统仿 真模型，并进行仿真分析。通过仿真验证系统结构设计的合理性，并分析车辆能量回收特 性。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 第二章液压机械功率分流传动系统特性研究及参数设计 2 1 液压机械功率分流传动系统基本原理 液压机械功率分流传动( h m c v t ) 是一种机械传动与液压传动复合的无极变速传动 形式，属于双流传动。液压机械分流传动系统主要由分流机构、液压调速机构、机械变速 机构、汇流机构组成，输入功率通过液压和机械两条通道传递【4 2 1 ，如图2 1 所示。在确定 的机械传动系统基础上，通过调节液压传动系统中液压元件的排量可使液压传动系统传动 比连续变化，从而使系统输出转速连续无级变化。 图2 一l 液压机械分流传动原理图 液压机械功率分流传动系统综合了液压传动和机械传动的优点，既保持了液压传动精 准无极调速、柔和平顺的优点，又拥有了机械传动的效率高和可传递功率大的长处。将液 压机械功率分流传动用于车辆传动系统可以在保持车辆发动机油门与转速不变的情况下， 通过调节液压系统传动比改变车速，以达到道路负荷与发动机功率的平衡，使发动机工作 在最佳燃油经济区，有效地提高车辆的动力性和燃油经济性，减少污染排放 4 3 】。 2 2 液压机械功率分流传动系统传动方案选择 2 2 1 基本类霆结嫠择 在液压机械功率分流传动系统中，液压功率流是变速的，机械功率流是定速的，两路 之间的连接需要应用一个差速机构。这个差速机构可位于输入端，作为分流机构用于功率 分流，也可位于输出端，作汇流机构用于功率汇流。根据差速机构位置的不同，可以把液 压机械功率分流传动系统分为输出耦合式和输入耦式合两种基本结构类型【1 4 能4 5 1 ，如图2 2 所示。由图2 2 ( a ) 可知，输出耦合式系统功率由输入端，输入差速器输入端1 后分成两路， 一路由差速器的输出端3 输出后通过机械通道传递固定轴齿轮，另一路由差速器输出端2 输出后经液压通道传递至固定轴齿轮，两路功率流经固定轴齿轮汇流后由输出端d 输出。 由图2 2 ( b ) 可知，输入耦合式系统功率由输入端，输入后，由固定轴齿轮分为两路，一路 通过机械通道传递至差速器输入端1 ，另一路通过液压通道传递至差速器输入端2 ，两路 功率流经过差速器汇流后由差速器输出端3 输出。 本文选取输出耦合式液压机械功率分流传动系统为例展开研究。 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 输人端扩丁 输出 1 犁3 2 窃莎 ( a ) 输出耦合式 端口 输 ( b ) 输入耦合式 图2 - 2 液压机械功率分流传动两种基本结构类型 2 2 2 液压传动系统方案选择 按液压传动系统的无极调速原理，它可以分为两类。一类是节流调速，也称为阀控调 速，它是通过改变节流控制阀的流通面积，使液压泵进入液压马达的流量改变，从而实现 无极调速；另一类是容积调速，它通过改变液压泵或马达的有效工作容积使排量改变，从 而实现无极调速。车用液压传动系统要求液压系统能正反无极调速，调速范围大，功率足 够大，效率尽量高。容积调速能够更好的满足这些要求，因此，车用液压传动系统一般采 用容积调速。 容积调速系统一般采用闭式回路系统，这样可以使马达迅速平稳地换向，效率较高。 按照液压泵或马达的不同，容积调速可以分为三种：变量泵调速系统、变量马达调速系统、 泵与马达双变量调速系统，如图2 3 所示。变量泵调速系统中马达转速是泵排量变化率的 连续单调函数，反向性能好，反向平稳迅速，输出转矩恒定，液压传动系统通常采用这种 调速形式。定量泵调速系统输出转速不高，且不是单调连续变化，传动比范围小，调速过 程中马达输出转矩变化，但功率保持恒定，该调速系统很少用于车辆传动，但常与车辆制 动系统。双变量调速系统系统调速范围最大，且在低速时转矩输出恒定，高速功率输出恒 定，较适合车辆传动，特别是车辆直驶推进工况【4 6 】。 元件l 元件l 元件2 元件l 元件2 ( a ) 变量泵调速( b ) 变量马达调速 ( c ) 泵与马达双变量调速 图2 - 3 液压传动容积调速分类 根据以上对容积调速三种形式特点分析，为了获得更大的调速范围，本文中液压机械 功率分流传动系统液压系统调速方式采用泵与马达双变量调速。考虑到功率分流式混合动 力系统中需要对制动能的转化和回收，为了方便将液压机械功率分流传动系统改造为功率 武汉科技大学硕士学位论文第n 页 分流式液压混合动力传动系统，液压传动系统中液压元件均采用变量泵马达元件。 2 2 3 机械传动方案选择 由前面的分析可知，液压机械功率分流传动系统中必须使用差速机构，即行星齿轮机 构，本文选用内外啮合单行星排( 简称普通行星排) 作为差速机构。即输出耦合功率分流 传动系统以普通行星排作为功率分流机构，以固定轴齿轮作为功率汇流机构。 用普通行星排作分流机构如图2 4 ( a ) 所示，行星排都具有太阳轮a 、行星架b 、齿圈c 三个元件，三元件对外联系工作，行星轮不算作元件，只作内部联系。各元件的转速特性 与转矩特性方程式如下： 国一毛纨一( 1 一j 0 ) = 0 ( 2 - 1 ) 毛= 监b = 一争 ( 2 2 ) 厶a 心：收= l ：( f 0 1 ) ：( - f 0 ) ( 2 3 ) 式中：a 、b 、c 行星排三元件旋转角速度( r 删s ) ； 地、行星排三元件转矩( n m ) ； f 0 行星排结构传动比； z a 、z c 太阳轮和齿圈齿数。 由公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可知行星排三元件角速度特点是：对一定的行星排，当任一元件角 速度为一定时，其他两个元件角速度的代数和为一定，但其间的分配关系可以改变。由公 式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可知行星排转矩特点是：三元件转矩之间保持一定的比例关系，即一转矩为 一定时，其他两个转矩中的任一转矩都为一定而不能改变。太阳轮与齿圈转矩方向相同， 行星架转矩方向与齿圈转矩方向相反。 用固定轴齿轮做汇流机构如图2 4 ( b ) 所示。其角速度叭转矩m 的表达式为： = = f 2 哆 ( 2 4 ) = 呜+ 鸩之 ( 2 - 5 ) 由式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可知固定轴齿轮做分流机构时，角速度特点是：机构为一定是，各角 速度之间保持一定的比例关系，即任一角速度为一定时，其他两个角速度不能任意变化。 转矩的特点是：机构一定并为一定时，慨和尬的代数和不变，但其间的分配可以改 变，以至于可以一路为零，或甚至为负使输入、输出关系改变。 笙! 兰蔓 一 武汉科技大学硕士学位论文 _ 二一：! ：= ! ：= ：竺：全 m 吐) 胁 也) 2 ( a ) 行星排分流 ( b ) 固定轴齿轮汇流 图2 - 4 分汇流机构结构简图 输出耦合功率分流传动系统中，行星排三元件分别与系统输入端、机械通道、液压通 道三者两两相连，这个连接关系相互轮换，共有六种不同的连接方案，如图2 5 所示。通 过对六种连接方案的分析，本文选择第一种连接方案。 输 输入 输入 ( a ) 方案1 ( c ) 方案3 ( e ) 方案5 端扫 输入 端口输入 端口输入 ( b ) 方案2 ( d ) 方案4 ( f ) 方案6 图2 - 5 输出耦合式功率分流传动系统6 种连接方案 端口 端口 端口 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 2 2 4 系统传动方案确定 通过以上分析，确定车用液压机械功率分流传动系统传动方案，其结构简图如图2 6 所示。图中液压元件1 和元件2 为变排量液压泵马达。发动机输出轴与行星排行星架相连， 液压元件1 转轴与行星排齿圈相连，液压元件2 转