液压混合动力技术及其工程应用.ppt

1、液压混合动力车辆及其工程应用,车辆现代设计方法,南京理工大学机械工程学院 Ph.D.,混合动力（Hybrid）简介,来源于汽车工业（内燃式汽车、电动汽车） 目前所指的混合动力汽车一般是指混合动力电动汽车。,混合动力（Hybrid）简介,根据国际电工委员会电动汽车技术会建议，对混合电动汽车的定义如下：在这种混合型车辆上，至少有一种储能器、能源或能量转换器提供电能。混合电动汽车由牵引电机、载荷均衡装置、辅助动力单元以及传动系统组成。 混合动力车辆上装有内燃机和电动机2种动力源，它将传统的内燃机、电力驱动和储能装置结合在一起，与传统的内燃机动力相比，混合动力的主要优点是，采用了高功率的能量储存装置（

2、飞轮、超级电容或蓄电池）提供能量缓冲功能，这样可以减小发动机尺寸、提高效率、降低排放。混合动力车辆基本上不改变现有的汽车产业结构，不改变现有能源的体系，不改变用户对汽车的使用习惯，这也是它能够迅速实现产业化的重要因素。,混合动力电动汽车的优点,1、限制发动机怠速 2、制动能量回收 3、降低发动机排量 4、提高发动机效率,混合动力汽车发展的国内现状,我国混合动力汽车的研究起步较晚，在20世纪90年代末,才开始进行混合动力汽车的开发。目前的研究和开发工作主要是建立在电混合动力的基础上，所研发的混合动力汽车大部分都是并联式的,只是在原有汽车底盘上简单地加载电动机和蓄电池组,技术的集成度较低，缺乏高度

3、自动化的控制系统和能源管理系统。而且两种动力源只是简单地结合,缺乏统一调配。这与国际上混合动力汽车的先进技术水平相比，还有很大差距。 2001年,国务院将电动汽车确定为“十五”国家12个重大科技专项之一,划拨出8. 8亿元专款,加上地方和企业配套资金,总投入达20多亿元,用来开展纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的研究开发工作,目前已经取得了阶段性的成果。,电混合动力汽车存在的问题,就目前的研究开发情况来看，电混合动力汽车普遍存在着如下问题： 1) 能量存储装置(电池) 所具有的比功率（单位重量存储的功率）较小,所吸收的制动能量少，效率低。同时由于功率所限，难以满足大型汽车加速或者爬坡时对

4、大功率的需求。目前高功率电池往往存在快速充电接受能力差的问题，电池快速充电能力不足,难以保证制动时能量的及时回收（对于制动能量的回收效率只有20%左右）。 2）无论是镍氢电池还是锂电池，制造成本较高。因此目前投入商品化的电混合动力汽车都是处于政府补贴的状态。,电混合动力汽车存在的问题,3）对于锂电池来讲，锂的化学性质非常活泼，对环境较为敏感，容易引起燃烧和爆炸，给车辆带来不安全隐患的威胁。同时，电池的使用过程属于不可逆的化学变化过程，以目前性能最好的动力电池为例，它的充放电次数仅为500次，之后电池的性能会下降，直至报废。此外，报废电池的不科学处理会对环境造成很大污染。 4) 用于混合动力汽车

5、的电机必须要同时具备可控性好、容错能力强、噪声低、效率高、对电压波动不敏感等性能特点。目前在混合动力汽车上运用最广泛的电机是交流感应电机，但这种电机本身就充斥着与生俱来的，很难轻易解决的功率和效率之间的矛盾。因此,需要进一步研制出能够用于混合动力汽车的，具有更高效率和功率密度的永磁电机、开关磁阻电机等先进电机来替代目前使用的交流感应电机。,与电混合动力比较，液压混合动力的优势,1 功率密度 2 制动能量回收效率 3 控制方式 4 制造成本 5 使用的安全性 6 使用的环保性 7 使用寿命 8 技术成熟度,研究的目的和意义,液压混合动力传动系统是基于二次调节静液传动技术而形成的一种新型传动系统。

6、液驱静液传动技术具有无级变速的精细速度调节、容易实现正反转、能防止发动机超负荷运转以及可靠性高等优点，同时还可回收车辆的制动动能，保证发动机工作于最佳燃油经济区。相对于电混合动力技术，静液传动技术有功率密度大的特点，短时间内完成能量释放和存储能力强，在中、重型车辆和工程机械上具有很强的竞争力。因此基于节能环保而提出的液驱静液传动系统具有重要的理论意义和实际应用价值。进行本课题的研究对降低汽车油耗，节省有限的地球资源，保护环境和保持人类的可持发展有深远的意义。,液压二次调解的原理,在恒压网络中，一般的将机械能转化为液压能的元件液压泵称为一次元件，而将液压能与机械能互相转换的执行元件液压泵/马达称

7、为二次元件。压力耦联系统中，由一次元件、蓄能器组成的恒压油源，其工作压力直接与二次元件相连，系统中无原理性的节流损失，从而提高了系统的效率；二次元件可通过改变斜盘的摆动方向来实现在转矩转角域内的四象限工作，既可为马达工况对负载进行驱动，又可做为泵工况对负载进行制动，为能量的回收和利用创造条件。,液压混合动力汽车动力传动系统的组成,采用液驱静液传动技术的液压节能汽车,其动力传动系统主要由发动机、液压泵、液压泵/马达（二次元件）、蓄能器、变速箱、车桥及电子控制单元(ECU)组成。,液压混合动力汽车发展状况,多年以来，美国环保署（EPA）一直与其合作伙伴致力于液压驱动技术的应用和推广，取得多项专利和

8、研究成果。2004年美国福特公司将EPA为其提供的液压混合动力技术应用在F-150TONKA皮卡车上，实验结果表明该技术提高燃油经济性55%以上,有害气体的排放量降低了30%-40% 。同年，EPA在全球汽车工程师会议上展示了与其合作机构共同研发的一款基于液压混合动力技术的多功能商务用车(SUV)，并宣称在较少的单车成本投入后可提高燃油经济性55%。 2005年EPA与Eaton公司联合开发了高度集成化的液驱动力传动系统，并将其应用在UPS（United Parcel Service）的邮递车上，使其燃油经济性提高了6070%。澳大利亚Permo-Drive公司将其开发的一款基于液压技术的能量

9、回收系统RDS（Regenerative Drive System）应用在城市垃圾车和重型卡车上，也取得了良好的节能、环保效果。此外，日本三菱公司及德国M.A.N 公司也将液压蓄能系统运用在城市公共客车上。,液压节能汽车的国外发展状况,Fluid Power Transmission b)加速踏板的加速度系数与车辆加速的需求转矩成线性关系; c)制动踏板的位置系数与车辆制动的需求扭矩成线性关系; d)由制动踏板的加速度系数为依据确定是否为紧急制动。,液压节能汽车的评价指标,2.改善车辆的燃油经济性能的途径 a)发动机的能量控制策略： 起动工况时，取消发动机怠速和低转速工况，由蓄能器提供起车时的

10、扭矩需求；车辆行驶过程中，采用恒功率及最优工作曲线法相结合的发动机控制策略 . b）制动能量回收策略: 制动能量回收应在满足制动平稳性和安全性的同时，保证系统高效的回收能量。保证制动的平稳性，应以传统的制动性能和指标为依据，对二次元件进行恒扭矩控制，使由机械制动和能量回收两部分组成的新型制动模块所提供的制动扭矩与制动踏板的行程相匹配。当制动强度小于0.1时，由二次元件提供制动扭矩。当制动强度大于0.1小于0.7时，由二次元件与机械制动模块共同提供制动扭矩。当制动强度大于0.7的时候，判定车辆处于紧急制动情况，制动扭矩完全由机械模块提供。,项目研究的技术路线,Fluid Power Transm

11、ission & Control Lab.,液压节能汽车的研究内容,（1）液压节能系统仿真模型的建立 在理论研究和试验验证的基础上，建立液压节能车辆离线仿真模型和整车控制策略模型，以真实的汽车行驶循环工况为依据对整车性能进行离线仿真，系统地研究整车控制策略和参数匹配等方案。 （2）影响液压节能系统效率因素的分析和关键元件参数的 优化匹配 通过对比计算和仿真，分析不同配置方式、循环工况及 控制策略等因素对系统效率的影响；根据轻型卡车行驶工况的特点，设计各种不同类型的配置方式来提高系统的整体效率；优化发动机的装机功率和关键元件的匹配关系，制定液压节能系统关键元件的选择准则。,Fluid Power

12、 Transmission & Control Lab.,仿真示意图,Fluid Power Transmission & Control Lab.,液压节能汽车的研究内容,（3）液压制动系统的控制性能研究 针对能量回收制动系统的非线性强、参数摄动范围大及存在严重外界干扰等问题，采用先进的控制方法设计液压制动系统的鲁棒控制器，同时保证系统的性能指标和稳定性，有效地抑制系统参数大范围摄动、强非线性以及外界干扰的影响，提高能量回收制动系统的控制性能和动态性能。 （4）制动系统的协调控制研究 将液压制动和机械摩擦制动协调工作的控制问题定义为“制动系统的协调控制问题”，提出由液压制动转矩分配策略和动态

13、协调控制算法组成的面向动态协调问题的控制方案。动态协调控制算法建立在转矩分配策略的基础上，动态协调两者的输出转矩，保证制动的平稳性。,Fluid Power Transmission & Control Lab.,液压节能汽车的研究内容,（5）回收能量利用问题的研究 结合液压节能系统的配置方式，利用动态规划算法提取能量回收最优控制的宏观控制规律，进而提出切实可行的能量回收控制策略，充分利用液压储能系统功率密度大的优点，使发动机工作于最佳燃油经济区。通过仿真和实验结果的对比，对能量回收的控制策略进行验证和完善。 （6）能量控制策略的研究 液压节能汽车的能量控制策略是在保证车辆动力性需求的前提下，

14、使动力系统中的各单元协同工作，进行多种效率的优化组合，形成不同的动态控制模式以适应连续变化的行驶工况的需求，使其优化目标（如燃油经济性、排放指标等）达到整体优化的控制效果。,Fluid Power Transmission & Control Lab.,拟解决的关键问题,（1）液压节能系统模拟试验平台的搭建 由于各种仿真模型只是对真实物理模型的近似仿真，只能反映整车和动力总成的某些重要特性，因而试验台开发是液压节能汽车技术开发和产品开发的重要组成部分，也是设计结果的最终验证手段。液压节能系统模拟试验平台的搭建可以对理论分析和提出的设计方案进行试验验证，进一步完善液压节能汽车的控制策略。 （2）

15、液压节能汽车样车的试制及性能测试 液压节能样车的试制对于该项技术的推广具有至关重要的作用。在前期理论分析和试验研究的基础上，将所提的控制策略和控制算法封装成块，利用车载电脑或者CAN总线技术对整车进行控制，以典型的运行工况验证设计方案、节能效果和整车性能，进一步完善控制策略，以样车为基础，促进液压节能汽车的产业化。,Fluid Power Transmission & Control Lab.,试验内容,（1）液压能量回收制动系统的控制性能试验研究 能量回收制动是一种强非线性、参数大范围摄动及存在严重外界干扰的不确定系统。影响能量回收制动控制系统性能的主要因素有：整车质量折算到液压泵/马达上的

16、等效转动惯量的大范围变化、制动时液压蓄能器工作压力的大范围变化、行驶阻力的随机变化和系统的流量系数、泄漏系数随着工作状态、温度而缓慢变化等。针对制动过程中系统参数摄动量大和负载大范围变化等问题，采用先进的控制方法设计液压能量回收制动系统的鲁棒控制器，有效地提高液压能量回收制动系统的控制性能和动态性能。,Fluid Power Transmission & Control Lab.,液压再生制动系统的控制性能研究,Fluid Power Transmission & Control Lab.,试验内容,（2）不同制动强度的液压制动研究 液压节能车辆的制动系统由液压制动系统和机械摩擦制动系统构成。

17、因此，液压节能汽车的制动控制策略需要在考虑制动安全性的前提下对两种制动转矩进行合理分配，同时，控制策略应当满足驾驶员制动舒适性的要求。针对液压制动系统功率密度大的特点，结合轻型卡车城市工况的制动特点，根据制动强度的不同，合理地分配前后轴的制动力及能量回收制动力和摩擦制动力的比例关系，在确保车辆安全制动的同时，高效地回收车辆的制动动能。,Fluid Power Transmission & Control Lab.,不同制动强度的液压再生制动研究,Fluid Power Transmission & Control Lab.,试验内容,（3）能量控制策略试验研究 能量控制策略是整车的神经中枢，负责整车能量分配和动力系统的控制。能量控制策略的优化是提高车辆的燃油经济性、降低有害气体排放的重要途径。针对液压储能系统的特点，结合液压节能系统的配置方式，提出