液驅混合動力車輛的優化節能控制算法研究*

劉順安,陳延禮,苗 淼,姚永明,楊 嵩

(吉林大學機械科學與工程學院,吉林長春 130025)

液驅混合動力車輛的優化節能控制算法研究*

劉順安?,陳延禮,苗 淼,姚永明,楊 嵩

(吉林大學機械科學與工程學院,吉林長春 130025)

提出了一種應用液壓變壓器搭建液驅混合動力車輛的設計結構,闡述了其工作原理.根據液壓變壓器的節能思想及其數學模型,對其排量及壓力調節特性進行分析,得出系統處于能量回收態時,隨液壓變壓器配流盤控制角規律變化的優化參數.此外,根據蓄能器能量回收最大化的優化條件,得出車輛處于不同調節狀態時優化節能控制算法.仿真分析得出:車輛處于不同優化工況條件下,液壓變壓器與蓄能器各個變化參數與優化節能算法的控制關系,該優化節能算法可用于液混車輛實現能量回收最大化.

流體傳動與控制;液壓變壓器;蓄能器;優化條件;節能控制算法

在混合動力技術研究領域,有混合電動技術和液驅混合動力技術之分,兩者均已成為國內外相關機構的研究重點[1].目前,隨著恒壓網絡技術和二次調節傳動技術的發展,液驅混合動力設計方案取得了巨大的進展,尤其是荷蘭Innas和Noax公司于1997年提出新型液壓變壓器(H yd raulic Trans-former H T)[2-3],該元件是一種能在液壓系統中實現壓力調節的二次元件,其結構集液壓馬達和泵于一身,不僅動態響應快,還可以無節流損失的快速改變變壓比,其效率可達到80%以上[4],此外該元件可以相對獨立工作,避免了整車液壓系統中壓力、流量耦聯現象的產生[5-6].因此,本文提出采用液壓變壓器搭建新型液混動力車輛的設計思想,對該車輛能量回收最大化進行節能控制研究.

1 工作原理

新型混合動力車結構如圖1所示,其工作原理為:車輛動力源為發動機M,由主變速箱1將能量流一部分以機械能形式驅動負載,即通過傳動軸2、離合器3及副變速箱4驅動負載車輪5;另一部分則以液壓能形式驅動負載,由主變速箱1驅動變量液壓泵/馬達6向系統供油,通過液壓變壓器8的升壓作用,使液壓泵/馬達9以液壓能最大功率驅動車輪5.

反之,當車輛制動或減速時,打開離合器3,車輪5由副變速箱4帶動液壓泵/馬達9工作,向系統供油即將制動能轉化為液壓能.此時通過液壓變壓器8的實時壓力調節,以最大限度的回收制動能[7].

圖1 新型混合動力車結構圖Fig.1 The new structure of hyd rau lic hybrid vehicle

2 HT節能思想及性能

2.1 節能思想

如圖2所示,將初始壓力pA調節到負載壓力pB時,通常情況采用節流控制方式按A＇B曲線調壓,由此造成的能量損失為[8]:

如采用液壓變壓器的控制方式按AB曲線進行調壓.根據能量守恒定律,可得:

式中:pA,pB分別為A,B點的壓力;qA,qB分別為A, B點的流量.

亦可得出負載和油源的變壓比λ方程為

由式(3)可知,改變A,B點流量就可以調節變壓比λ;由于qA≠qB,故必增設第三油路T口,滿足qT=qB-qA.

圖2 液壓變壓器節能原理Fig.2 Energy-saving principle of hydraulic transformer

2.2 工作性能分析

根據文獻[9]可知液壓變壓器配流盤上設有3個腰型槽口(既高壓油槽A口、負載油槽B口及低壓油槽T口),分別對應的排量V與變壓比λ的數學模型為[10]:

式中:pB為H T的B腰型槽口壓力,MPa;pA為H T的A腰型槽口壓力,MPa;pT為HT的T腰型槽口壓力,MPa;SA為柱塞面積,mm2;r為主軸分度圓半徑,mm;z為柱塞數;α為腰型槽口包角;β為 HT的軸向傾角.

為深入了解H T排量與壓力特性,選取pA= 20 MPa,SA=1.131×10-6m2,β =25°;分別對液壓變壓器pT=0MPa,pT=1 MPa的排量及壓力特性進行仿真分析.

由圖3和圖4可以看出:

1)當θ∈[-π/2,-π/3]時,T口和B口吸油, A口排油;變壓比λ與配流盤控制角θ呈指數增長關系,此時為回收能量狀態.

2)當θ∈[-π/3,-π/6]時,λ與θ曲線是關于點(-π/3,0),與θ∈[-π/2,-π/3]內的曲線對稱.

3)當θ∈[-π/6,0]時,T口吸油,A和B口交替排油,λ與θ曲線呈拋物線形,變壓比 λ隨θ遞增.

4)當θ∈[0,π/3]時,A和T口吸油,B口排油;λ與θ呈線性關系,隨供油壓力pT的減小而增大,但pT壓力對λ影響很小.

5)當θ=π/3時,T口處于零位,A口和B口的排量相同;變壓比λ=1.

6)當θ∈[π/3,π/2]時,A口吸油,T和B 口在交替排油λ與θ呈拋物線形關系;同時,λ隨供油壓力pT的減小而減小,但pT對λ影響較小,故通?？蛇xpT=0.

圖3 液壓變壓器的排量特性圖Fig.3 Disp lacement characteristic of HT

圖4 液壓變壓器的壓力特性圖Fig.4 Pressure characteristic o f H T

3 優化條件及控制算法

3.1 優化條件

車輛節能系統是利用蓄能器對該系統的液壓能存儲和二次利用,本文選用氣囊式蓄能器其具有動態響應快,能量密度高等優點.

根據波意爾氣體定律可得

式中:p a0,p1,p2和p a t分別為蓄能器充氣壓力,初始壓力,最終平衡壓力,氣體瞬時壓力,MPa;V a0,V1, V2和V at分別為蓄能器充氣體積,初始體積,最終平衡體積和瞬時體積,m3;n為氣體多變指數.蓄能器的能量方程

式(7)為關于充氣壓力pa0的函數,令其導數為零可得[10]:

由式(8)可知,當n=1.4,p at=p ar時,即蓄能器額定工作壓力p ar=3.246 7p a0,此時蓄能器能量回收最大.

由此可知,在車輛制動過程的初始階段,車輪產生的制動壓力p z較小,即使通過HT的升壓作用.此時,HT將保持處于最高升壓態,實現能量回收最大化.

相反,當車輛運行一段時間后,車輪產生的制動壓力pz穩定時,即,此時HT的壓力調節作用啟動,即調節HT變壓比λ(θ),始終保持,實現能量回收最大化.

3.2 控制算法

1)數學模型

a)蓄能器的簡化模型

簡化模型如圖5所示.

圖5 蓄能器簡化結構Fig.5 Simp lify com position of accumulator

由式(9)得

式中:A為蓄能器氣囊有效面積,m2;k air,k oil分別為氣體,液體剛度,N/m;C air,B oil為氣體,液體阻尼系數, Ns/m;M oil為液體質量,kg;p oi為蓄能器入口處液體壓力,MPa.

b)液壓變壓器變壓比方程

式中:p s為車輛恒壓系統壓力,MPa.

c)流量連續方程

式中:qzl為車輪制動流量,L;qz為車輛恒壓系統流量,L.

2)初始負載調節階段算法

由于初始階段制動壓力p z較小,系統壓力p s處于恒值,此時可認為蓄能器為容性元件.

仿真分析:

pV=31.5MPa,p a0=10MPa,V a0=40×10-3L, qV=10sin(t)×10-3L.HT 變壓比 λ(θ)及λ-1(θ)變化曲線如圖6和圖7所示,由此可知當系統處于初始階段控制時,變壓比λ(θ)隨氣體多變指數n的增大而減小;變壓比λ(θ)隨負載壓力pV的增大而減小;變壓比λ(θ)隨蓄能器容積參數Va0的增大而增大.

圖6 不同n值時與變壓比λ(θ)變化曲線Fig.6 The λ(θ)curve w ith various n

圖7 不同n值時與變壓比倒數λ-1(θ)變化曲線Fig.7 Theλ-1(θ)curve with various n

當n=1.4時,HT變壓比 λ(θ)與 λ-1(θ)變化曲線如圖8和圖9所示,由此可知,變壓比λ(θ)負載壓力pV增大而減小.

圖 8 不同 pV值時變壓比λ(θ)變化曲線Fig.8 The λ(θ)curve w ith various pV

圖 9 不同 pV值時變壓比倒數λ-1(θ)變化曲線Fig.9 Theλ-1(θ)curve with various pV

3)HT調節階段優化算法

同理可得,當H T處于調節階段,導致系統壓力ps變化,此時可認為蓄能器為慣性元件.

系統聯立方程為:

仿真分析:V a0=40×10-3L,q v=10 sin(t)× 10-3L.HT變壓比λ(θ)變化曲線如圖10和圖11所示,由此可知,變壓比λ(θ)隨n及p a0增大而增大,但作用均不明顯.此外由公式得,蓄能器容積參數V a0對變壓比λ(θ)無影響,但當Va0較大時因其入流速度穩定更易于控制.

圖10 變 n值時變壓比λ(θ)變化曲線Fig.10 The λ(θ)curve with various n

圖11 變 pa0值時變壓比λ(θ)變化曲線Fig.11 The λ(θ)curve w ith various pa0

4 結 論

1)敘述了新型混合動力車輛的設計理念及工作原理;

2)當配流盤控制角θ∈[-π/2～π/2]時,在分析液壓變壓器排量及壓力特性基礎上,確定了液驅混合動力車輛的節能優化控制條件;

3)分析了車輛處于初始負載調節階段及液壓變壓器調節狀況下的優化算法,得出在優化條件下,車輛能量回收最大化與系統相關性能參數關系;

4)對液壓變壓器不同調整狀況的控制規律進行了研究,從而為液混車輛的高效節能研究提供了理論基礎.

[1] 魏英俊.液驅混合動力SUV制動能量回收研究[J].農業機械學報,2007,38(8):26-29.

WEI Ying-jun.Study on braking energy recovery ofhydraulic hybrid sport utility vehicle[J].Transactions of the Chinese Society for AgriculturalMachinery,2007,38(8):26-29.(In Chinese)

[2] ACHTEN P A J,FU Z,VAEL G E M.Transforming future hydraulics:a new design of a hydraulic transformer[C]//Proc the Fifth Scandinavian International Conference on Fluid Power.Sweden: Linkping University,1997:1-14.

[3] ACHTEN P A J.Hydraulic transformer:World intellectual property organization:WO97/31185[P].1997-8-28.

[4] WERNDIN R,ACHTENP,SANNELIUSM,etal.Efficiency performance and control aspects of a hydraulic transformer[C]//Proc the Sixth Scandinavian InternationalConferenceon Fluid Pow er.Finland:Tampere,1999:395-407.

[5] VAEL G EM,ACH TEN P A J,FU Z.The innas hydraulic transformer:the key to the hydrostatic common pressure rail[C]//SAE Paper.2000-01-2561.

[6] 姜繼海,盧紅影,周瑞艷,等.液壓恒壓網絡系統中液壓變壓器的發展歷程[J].東南大學學報:自然科學版,2006,36(5):869-874.

JIANG Ji-hai,LU Hong-ying,ZHOU Rui-yan,et al.Development of hydraulic transformer in constant pressure rail system[J].Journal of South East University:Nature Science Edition,2006,36(5):869-874.(In Chinese)

[7] 陳延禮.基于液壓變壓器的車輛節能系統研究[D].長春:吉林大學機械科學與工程學院,2009.

CHEN Yan-li.Research on the vehicle energy-saving system based on hydraulic transformer[D].Changchun:College of Mechanical Scienceand Engineering,Jilin University,2009.(In Chinese)

[8] VAN MALSEN R AH,ACH TEN PA J,VAEL G EM.Design of dynamic and efficient hydraulic system around a simple hydraulic grid [C]//SAE Paper.2002-01-1432.

[9] 董宏林,姜繼海,吳盛林.液壓變壓器與液壓蓄能器串聯使用的優化條件及能量回收研究[J].中國機械工程,2003,14(3):192-195.

DONG Hong-lin,JIANG Ji-hai,WU Sheng-lin.Research on the optimum conditionsand energy recuperating ofhydraulic accumulators in series tohydraulic transformer[J].Chinese Journal ofMechanical Engineering,2003,14(3):192-195.(In Chinese)

[10]徐兵,歐陽小平,楊華勇,等.液壓變壓器排量特性[J].機械工程學報,2006,42(5):89-90.

XU Bing,OU YANG Xiao-ping,YANG Hua-yong,etal.Displacement of hydraulic transformer[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2006,42(5):89-90.(In Chinese)

Research on Optim ization Energy-saving Control A lgorithm of the Hydraulic Hybrid Vehicle

LIU Shun-an?,CHEN Yan-li,M IAO M iao,YAO Yong-m ing,YANG Song
(College of Mechanical Science and Engineering,Jilin Univ,Changchun,Jilin 130025,China)

A new structure of hydraulic hybrid vehicle and theworking princip leswere presented.The characteristics of H ydrau lic Transformer(HT)disp lacement and p ressure were analyzed after them athematicalmodels of HT disp lacement and pressurew ere established.Results showed that the various parameters of the HT port p late controlangle from regular pattern were obtained when the energy regenerative system w as working.Moreover,according to the optimal conditions o f the accumu lator,an op timization energy-saving controlalgorithm w ith various operation conditions was established.Finally,the control relationships between optimization energy-saving algorithm and various parameters of HT and accumulator were obtained through sim ulation tests when the HHV operated in differentworking conditions.So,the op timization energy-saving algorithm can use HHV to achievemaximum energy recovery.

fluid pow er transmission and control;hyd raulic transformer;accum ulator;optimal conditions;energy-saving controlalgorithm

TH 137

A

1674-2974(2010)12-0036-05 *

2010-04-07

國家自然科學基金資助項目(50475011)

劉順安(1951-),男,吉林長春人,吉林大學教授,博士生導師

?通訊聯系人,E-mail:lsa@jlu.edu.cn