液驱混合动力车辆制动能量回收仿真分析

液驱混合动力车辆制动能量回收仿真分析

混合动力车辆比传统动态车辆差两个主要体现在以下两个方面：车辆负荷和车辆噪声的解决方案；在动态激励引导过程中，车辆的动能（称为动态能量）可以得到有效的恢复，这非常重要。动态能量回收过程中的能量损失、能量回收和动态性能的研究非常重要。本文不考虑车辆常规制动系统,假设车辆在低制动强度下制动,深入研究液驱混合动力车辆的制动能量回收过程,建立数学模型,定义制动过程评价参数.对制动过程中能量的损耗、能量回收和制动性能进行研究,对主要设计参数对评价参数的影响进行分析.1能量损耗分析液驱混合动力车辆的制动能量回收主要由双向变量马达以及液压管路、蓄能器和溢流阀等构成的液压系统完成.当车辆制动时,双向变量马达以泵工况模式工作,输出的高压油经液压管路进入蓄能器,转化为液压能储存在液压蓄能器内,溢流阀用来限定系统的最大工作压力.在制动能回收的过程中,液压系统的能量损耗主要包括蓄能器损失、流动阻力损失、液压马达损失、车辆阻力损失和溢流损失等,影响制动能量回收效率.混合动力汽车的能量消耗分析是通过对制动能量回收过程中的各部分的损耗功率进行积分计算得到,且建立在传动系之间功率流的基础之上.图1中,F,v分别为车辆制动过程中的行驶阻力和车辆速度;n,T分别为双向变量马达的驱动转矩和转速;pm,qm分别为双向变量马达的输出压力和流量;pa,qa分别为蓄能器的压力和输出流量;pr,qr分别为通过溢流阀的压力和流量.1.1u2a+mgf在制动过程中,车辆动能仍有一部分用于克服车辆行驶阻力,为F=Fw+Ff=CDA21.15u2a+mgf(1)式中:Fw为空气阻力;Ff为滚动阻力;CD为空气阻力系数;A为车辆迎风面积;ua为车辆速度;m为汽车质量;f为滚动阻力系数.空气阻力和滚动阻力消耗车辆的动能,其能量损耗为Wmf=∫t0Fua3.6dt=∫t0(Fw+Ff)ua3.6dt(2)1.2双向变量传感器1.2.1机械阻力系数cs在回收制动能时,双向变量马达作为泵工况工作.其容积效率ηV和机械效率ηt可表达为以下形式:ηV=1-CsΔpmμn1β(3)ηt=11+CV(μnΔpm)(1β)+Cf(1β)+(2πΤcΔpmQm)(1β)(4)式(3),(4)中:Cs为层流泄漏系数;Δpm为进出口压差;μ为油液动力黏度;n为马达转速;β为排量比,β=Q/Qm,Q为马达的工作排量,Qm为变量马达最大排量;CV为层流阻力系数;Cf为机械阻力系数;Tc为转矩损失.1.2.2马达输出轴处的转动惯量双向液压变量马达输出轴的力矩平衡方程如下:QΔpm2πηt=Jdωdt+RΗω+ΜL(5)式中:J为马达转动惯量和外界负载质量换算成马达输出轴处的转动惯量之和;RH为转动阻尼系数;ω为马达输出角速度;ML为负载转矩.则得到双向变量马达及其输出轴的能量损耗之和为Wms=∫t0[QΔpm2π(1-ηoηt)+RΗω]ωdt(6)式中:ηo为双向液压变量马达作为泵工况时的总效率,且有ηo=ηVηt.关系式(3)和(4)中的相关系数根据实际马达的效率测试值,通过数据拟合得到.1.3蓄能器出口出口模拟蓄能器的能量损失包括散热损失和流动损失.其流动损失主要与蓄能器连接管路的长度、直径等有关系.模型中将连接管路从蓄能器独立出来,视为主管路的一部分,对蓄能器仅计算其散热损失.1.3.1蓄能器气体体积在制动过程中液压蓄能器贮存的能量为Er=∫V2V1pdV=∫V2V1p0(V0V)ndV(7)式中:Er为蓄能器吸收的能量;V1,V2分别为蓄能器工作过程始末状态下对应的气体体积;p,V分别为蓄能器气囊内气体的压力及对应的气体体积;p0,V0分别为蓄能器充气压力及对应的气体体积;n为气体多变指数.1.3.2蓄能器双向压力(ps-p)A2a=madqadt+Baqa(8)式中:ps为蓄能器连接管路内油液压力;Aa为折算到蓄能器油液腔的截面积;ma为折算到蓄能器蓄能腔的液体当量质量;Ba为蓄能器的当量阻尼系数;qa为油液流量.1.3.3气体可变指数液压蓄能器内气体变化的热力过程介于等温过程(过程进行极慢)与绝热过程(过程进行极快)之间.在以往的建模中,将制动过程视为绝热过程,忽略了流速的变化,使建模不太准确.气体变化的热力过程主要由多变指数来表示,而多变指数则视为与液压蓄能器内气体体积变化率相关的变量.设定流过液压蓄能器连接管路最大流量为qmax.则当流量为qa时,气体多变指数的取值为n=0.4qmaxqa+1(9)1.3.4蓄能器v0v温度传导下气动能量由式(1)和式(2)可知,考虑散热损失,制动能量回收过程中,蓄能器实际吸收的能量为Er=∫V2V1p0(V0V)ndV=∫V2V1p0(V0V)0.4qmaxqa+1dV(10)而不考虑热损失,气体在绝热条件下工作,n=1.4,此时蓄能器吸收的能量为E=∫V2V1p0(V0V)ndV=∫V2V1p0(V0V)1.4dV=p0V00.4[(p2p0)0.41.4-(p1p0)0.41.4](11)从而得到蓄能器的散热损失为ΔE=E-Er(12)1.4压力损失的计算流动损失主要包括直管流动时的沿程压力损失以及管路的接头、弯头、滤清器等处的局部压力损失.此处将弯头等处的局部压力损失用等效直管长度来代替,只需要考虑沿程压力损失.任意2个系统元件间的压力损失可表示为ΔpL=ρfLLeffq2L2DA2(13)式中:ρ为液压油密度;fL为管路流体摩擦因子;Leff为管路有效长度;qL为流经管路的流量;D为管路内径;A为管路截面积.得到液压系统的流动损失为WmL=∫t0ΔpLqLdt(14)2模拟方法和评估参数2.1bcs-东南角算法液压系统动态过程还存在本质非线性特征,如溢流阀的启闭过程及马达排量过零点的情况等,使模型中存在奇点.仿真中会出现仿真时间过长或仿真值无限增大的不稳定现象.因此,在仿真时,一是使用变步长的波音计算服务公司(BCS)-吉尔(Gear)算法以提高计算效率,二是在仿真时使用开关状态(switchstates)的概念.BCS-Gear算法是变步长积分算法,对于刚性系统非常适用.该算法在每个积分步长评估局部舍入误差,接受或者拒绝逼近值,并预测下一个采用的步长.这种算法能够保持积分步长足够小以确保合理的局部误差,最终产生一个小的全局误差.开关状态量用来标识系统中的非连续性事件和状态转移.例如用来跟踪雷诺数,用来判断流体流动状态或用来判断马达排量是否到达零位等.当这些状态量的值发生变化时,仿真软件自动跟踪这些状态量并快速进行积分,加快仿真速度.2.2制动能量回收效率计算对制动能量回收过程采用制动能量回收率和制动时间来进行评价.制动能量回收效率定义为蓄能器回收能量与制动过程中车辆动能的变化量的比值.由式(7),可得到制动能量回收效率为ηr=∫V1V2pdV12m(v12-v22)=∫V1V2p0(V0V)0.4qmaxqa+1dV12m(v12-v22)(15)式中:ηr为制动能量回收效率;m为车辆质量;v1,v2分别为车辆制动时的始末速度.车辆的制动减速度为a=1δm[(QΔpm2πηt-RΗω)igr-mgf-CDA21.15ua2]式中:a为减速度;δ为质量换算系数;Q为马达排量,制动时为负值;ig为车辆主减速比;r为车轮半径;f为滚动阻力系数.制动时间为车辆从开始制动到速度为零所经历的时间.制动时间与车辆初速度和制动减速度有关.文中所用的元件模型及其参数已在试验室经过试验台验证,试验结果表明文中所选参数数值与实际情况符合较好.3制动能量回收系统动态特性以某一客车为研究对象,汽车总质量m=3147kg,迎风面积A=4.7m2,滚动阻力系数f=0.014,空气阻力系数CD=0.55,旋转质量换算系数δ=1.01.蓄能器的容积V0=40L,充气压力p0=18MPa.设定车辆在50km·h-1的速度下进行制动,此时车辆的制动动能为E=12δmv12=306565.394J,而液压变量马达在最大排量下制动.图2为制动能量回收过程中各部分能量损耗及车辆动能和蓄能器回收能量的变化.此时制动能量回收效率为75.916%,制动时间为9.36s.从图2可以看出,双向变量马达的损耗和车辆阻力损耗占能量损耗的主要部分.由于液压蓄能器功率密度高的特点,所以在短时间内可以回收大部分的车辆动能.对于相同的车辆,双向变量马达对制动能量回收率和制动性能影响较大.可以采用制动能量回收的方法来完成车辆的制动过程,在非紧急制动情况下取代常规制动.图3为再生制动过程中多变指数n的变化.从中可以看出,随着流量的变化,多变指数的数值相应地改变,并不是一个固定的值.可以看到,此时气态热力过程介于等温和绝热过程之间,与油液的流速相关,蓄能器不能完全回收管路中的压力能.通过式(9)的计算,避免了以往计算中将多变指数视为固定数值而带来的模型不够精确的缺点,最大限度地模拟了实际情况.得到多变指数n的数值,由式(7)～(12)就可以得到蓄能器的回收能量及回收过程中产生的损耗.液驱混合动力车辆在最大排量和2/3最大排量制动时的制动减速度如图4所示.由图4可以看出,在工作压力相同的情况下,制动减速度随着制动时马达排量的增大而增大.在进行制动能量回收而不考虑常规制动的情况下,最大排量时车辆的减速时间为9.36s,在2/3最大排量时减速时间为10.8s.因此,可以在减速与非紧急制动时,由双向变量马达回收制动能量来取代常规制动系统.也可以考虑采用辅助制动装置或再适当加大双向马达的排量等措施进一步提高紧急制动时的性能.3.1制动初始压力对制动能量回收系统的影响对文中的制动能量回收液压系统,考虑其在制动初始不同压力的情况下,制动能量回收率和制动时间的变化.车辆制动初速度为50km·h-1,在双向变量马达最大排量下制动.制动初始压力分别为10,15,20,25MPa,其制动时间和制动能量回收率如表2所示.随着制动时初始压力的提高,制动时间相应地减小,消耗在滚动阻力和空气阻力上的能量越小.制动能量的回收率随着制动初始压力的提高而增大.因此可以通过加大制动初始压力来提高制动能量回收率和减小制动时间.但制动初始压力的数值必须考虑液压系统工作压力范围的大小.制动初始压力的提高导致系统工作压力相应增大,对液压元件密封、制造精度要求就高,必然加大了制造成本.图5是不同制动初始压力下的制动减速度.从中可以看出,在蓄能器容积不变的情况下,制动初始压力为10,15,20MPa时制动减速度的变化趋势是一致的.若制动能量回收时的初始压力较大,在管路压力达到其设定最高压力后,双向变量马达不能再向蓄能器反馈能量,高压油将通过溢流阀排出,降低了制动能量回收效率.如图5所示,在制动压力为25MPa时,出现了溢流的情况.因此在控制策略上考虑此情况,综合考虑制动初始压力对制动能量回收系统的影响.3.2双向变量马达工况制动减加速度随蓄能器容积的变化特性,车辆对蓄能器容积分别为40L和63L两种情况下的能量损耗及能量回收率进行计算,在其他条件相同的情况下得到如表3所示数据.从表3可以看出,能量回收系统中各部分的能量损耗相差不大,容积大的蓄能器制动能量回收率略小一些,制动时间有小幅度的增加.由式(16)可知,制动减速度与双向变量马达的排量和压力、滚动阻力和空气阻力有关.忽略空气阻力,而滚动阻力为常数.因此对于给定的车辆,在双向变量马达排量一定的情况下,制动减速度只与系统压力有关.图6为制动初始压力相同的情况下,蓄能器不同容积下的压力变化.容积不同的蓄能器,在其他条件相同的情况下制动,压力的变化幅度随蓄能器容积的增大而减小,相应的其制动减加速度也随之减小.对于本文所研究的车辆,由于车辆的质量较大,且制动车速不高,因此其减加速度和制动时间相差不大.由于液压蓄能器与蓄电池相比功率密度较高,使液驱混合动力车辆在制动能量回收效率上远高于电动混合动力车辆,在制动较为频繁的城市工况下这一优点将使液驱混合动力车辆具有更好的节能环保性能.同时,也可以将再生制动技术应用于工程机械,必将提高车辆的运行效率,节省燃料,减少废气排放和降低噪声.在能源日益短缺,环境逐渐恶化的形式下,该项技术的应用具有极大的经济效益和社会效益.4制动能量回收增加了回收率(1)系统能量损耗产生于双向变量马达、车辆阻力、蓄能器和管路损耗,其中双向变量马达的损耗占主要部分.在车辆制动时,应当使双