并聯(lián)式液壓混合動力汽車能量再生系統(tǒng)研究

胡萬強，趙樂斌，董永強

(許昌學院 機電工程學院，河南 許昌 461000)

汽車在帶給人們方便的同時，也造成能源短缺和環(huán)境污染[1].因此，國內(nèi)外都加快了節(jié)能、環(huán)保型汽車的研究與開發(fā)[2].運行車輛的起動停車、制動減速等會消耗巨大能量，因此研究能量的回收與利用意義重大.而裝備功率密度高、使用壽命長的液壓蓄能器和一定排量泵/馬達的制動能量回收系統(tǒng)，在車輛制動時，制動動能通過機械裝置帶動液壓泵/馬達以馬達工況運轉(zhuǎn)，將能量儲存在蓄能器中，實現(xiàn)能量回收；車輛起步或加速時，蓄能器釋放能量，帶動泵/馬達以泵工況工作，通過離合裝置輔助驅(qū)動車輛，實現(xiàn)制動回收能量的再次利用.

液壓混合動力系統(tǒng)根據(jù)液壓元件配置組合方式,可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式結(jié)構(gòu)，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)保留了車輛大部分部件，改動幅度小,成本低廉，發(fā)展前景廣闊[3].因此本文對并聯(lián)式液壓混合動力車輛的制動能量回收再生進行研究，旨在為液壓混合動力汽車開發(fā)提供借鑒與參考.

1 并聯(lián)式液壓混合動力汽車結(jié)構(gòu)及參數(shù)分析

液壓混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，該系統(tǒng)包括蓄能器、泵/馬達、液壓系統(tǒng)離合器、油箱及控制系統(tǒng)等[4].其工作原理是：車輛驅(qū)動時，泵/馬達為“馬達”工況，蓄能器釋放能量，高壓油液驅(qū)動泵/馬達旋轉(zhuǎn)，通過液壓系統(tǒng)離合器、耦合箱與發(fā)動機進行轉(zhuǎn)矩耦合，共同驅(qū)動車輛行進；制動時，電磁離合器分離，泵/馬達為“泵”工況，車輪通過耦合箱、液壓系統(tǒng)離合器驅(qū)動泵/馬達工作，油液進入蓄能器進行儲能，同時液壓系統(tǒng)提供制動轉(zhuǎn)矩，加速車輛停止.

圖1 并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖注：1-為電磁離合器，2-為蓄能器，3-為泵/馬達，4-為液壓系統(tǒng)離合器，5-為油箱.

1.1 液壓泵/馬達參數(shù)分析

車輛驅(qū)動力平衡方程式[5]為

F=F1+F2+F3+F4,

(1)

如果車輛由泵/馬達單獨驅(qū)動，則轉(zhuǎn)矩方程為

(2)

如車輛行駛在平直路面，泵/馬達輸出功率需滿足車輛均速運行要求，即

(3)

式中，v1為車輛速度.

若車輛行駛在有坡度路面，泵/馬達輸出功率為

(4)

泵/馬達最大輸出功率為式(3)和式(4)的最大值.

如泵/馬達工作在“馬達”工況，其排量應滿足車輛加速前行和爬坡前行，即

(5)

(6)

1.2 蓄能器參數(shù)分析

根據(jù)系統(tǒng)特征，選用氣囊式液壓蓄能器作為能量儲存與釋放裝置，其主要參數(shù)應滿足玻意耳定律[6]，即

(7)

一般情況下，P0=(0.8～0.85)P1，P1=(0.6～0.85)P2.

蓄能器容積大小可由車輛制動時能量平衡方程確定，即

(8)

2 并聯(lián)式液壓混合動力汽車系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)原理圖，在AMESim軟件平臺搭建系統(tǒng)模型并進行仿真，仿真模型如圖2所示[5]，仿真參數(shù)選取為整車質(zhì)量m=2×104kg，車輪半徑r=0.47 mm，主傳動比i0=6.104，耦合箱速比ib=2.28,氣體多變指數(shù)n=1.4,蓄能器最低壓力P1=10 MPa,蓄能器最高壓力P2=35 MPa,泵/馬達最大排量V=140 mL/r.

圖2 并聯(lián)式液壓混合動力汽車系統(tǒng)仿真模型

設定車輛以40 km/h勻速行駛，5 s后開始制動，泵/馬達以“馬達”工況工作，蓄能器開始儲能，在蓄能器容積分別為10、30、50、70 L時，泵/馬達在“馬達”工況時最大排量為40、60、80、100 mL時，車速、位移及蓄能器壓力的仿真曲線如圖3和圖4所示.

圖3 蓄能器容積對主要參數(shù)的影響

圖4 泵/馬達排量對主要參數(shù)的影響

從圖3中可以看出，制動從第7 s開始，容積70 L的車輛制動時間約為12 s，制動距離約為200 m，容積10 L車輛制動時間約為3 s，制動距離約為180 m，并且在3 s后壓力迅速達到300 bar以上.這說明蓄能器容積越小，制動效果越好，但壓力變化幅度較大，不利于制動能量回收；蓄能器容積越大，雖然有利于制動能量回收，但制動效果欠佳.因此，在保證車輛動力性能的前提下，應選擇適合容積的蓄能器.

從上圖4中可以看出，泵/馬達排量為40 mL時，制動時間為33 s，制動距離超過300 m；泵/馬達排量為100 mL時，制動時間為13 s，制動距離約為200 m，這說明泵/馬達排量越大，車輛制動性能越好.

3 結(jié)論

(1)影響并聯(lián)式混合動力汽車能量再生系統(tǒng)的主要因素有蓄能器和泵/馬達.

(2)蓄能器容積大小對車輛能量再生系統(tǒng)有著直接的影響，其容積大，能量回收效率高，但制動性能差；反之，制動性能好，但能量回收效率低.所以針對不同車輛，應選用合適容積的蓄能器.

(3)泵/馬達排量越大，車輛制動時間越短，車輛距離也越短，因而制動性能越好.