并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力公交車能量管理控制策略研究

王 戈， 楊 坤， 馬 超， 王 杰， 王紅敏， 王記磊

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博 255000； 2.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山東 淄博 255000；3.廣東省珠海市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東 珠海 519060)

引言

隨著能源短缺、環(huán)境污染兩大問(wèn)題日趨嚴(yán)重，提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性并降低尾氣中污染物的排放尤為重要，而混合動(dòng)力技術(shù)因具有提高經(jīng)濟(jì)性和降低排放的優(yōu)點(diǎn)成為研究的熱點(diǎn)[1]。

液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)作為混合動(dòng)力技術(shù)的一種方案，將發(fā)動(dòng)機(jī)與二次元件(液壓泵/馬達(dá))組合在一起，可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)或混合驅(qū)動(dòng)車輛[2]。相對(duì)于油電混合動(dòng)力系統(tǒng)，液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)具有功率密度大、清潔等特點(diǎn)[3]，且液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)具有提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性、減少汽車尾氣排放等優(yōu)勢(shì)[4]。液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式三種方案。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，車輛驅(qū)動(dòng)功率全部來(lái)自液壓泵/馬達(dá)，能量需要經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)換，效率較低；混聯(lián)式結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，控制方式多變難控，制造成本高；并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)包含兩個(gè)動(dòng)力源，通過(guò)控制策略，協(xié)調(diào)雙動(dòng)力源工作，實(shí)現(xiàn)液壓?jiǎn)为?dú)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)能量回收等模式[5-6]。液壓混合動(dòng)力汽車液壓元器件成本較低，且日常維護(hù)維修費(fèi)用較低，保值率較高。對(duì)比趙鑫所優(yōu)化的油電混合動(dòng)力系統(tǒng)汽車，液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)汽車節(jié)油約1.71 L/100 km，且降低了尾氣中污染物的排放[7]。劉洋針對(duì)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)汽車中存在燃油經(jīng)濟(jì)性較差和制動(dòng)能量回收率低的問(wèn)題，提出了一種適用于液壓混合動(dòng)力車能量管理控制策略[8]。張丹丹采用2個(gè)蓄能器代替1個(gè)蓄能器的方案，結(jié)果顯示低速制動(dòng)時(shí)制動(dòng)性能顯著提高，高速制動(dòng)有效提高能量回收率[9-10]。陳有權(quán)通過(guò)NSGA-Ⅱ算法對(duì)液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得優(yōu)化后的液壓混合動(dòng)力汽車的燃油消耗損失率最低為3.5%，同時(shí)也提高了整車的動(dòng)力性能[11]。丁靜通過(guò)仿真分析二次元件(液壓泵/馬達(dá))與發(fā)動(dòng)機(jī)的能量輸出，結(jié)果表明對(duì)于不同載荷、不同車速下的工程車節(jié)油效果都比較理想，根據(jù)實(shí)車運(yùn)行結(jié)果顯示，該系統(tǒng)節(jié)油率為31.25%[12]，綜上所述，學(xué)者們主要在液壓混合動(dòng)力車的構(gòu)型、改變蓄能器數(shù)量、參數(shù)優(yōu)化以及能量管理等方面進(jìn)行了研究。但是如何基于復(fù)合蓄能器的壓力情況，實(shí)現(xiàn)工作模式切換的控制策略研究較少。

針對(duì)城市公交車以上問(wèn)題，基于并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力公交車構(gòu)型，提出一種基于邏輯門限值的能量管理控制策略，通過(guò)MATLAB/Stateflow搭建基于邏輯門限值的控制策略，通過(guò)AMESim搭建雙動(dòng)力源模型，基于中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況對(duì)車輛經(jīng)濟(jì)性以及尾氣排放情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示，液壓混合動(dòng)力公交車節(jié)油效果明顯，且尾氣排放量明顯減少。為解決城市公交車存在的問(wèn)題提供一定借鑒。

1 并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)原理

并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、液壓泵/馬達(dá)、液壓泵、轉(zhuǎn)矩耦合器、離合器、高壓液壓蓄能器、低壓液壓蓄能器、電磁換向閥、油箱及液壓管路等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of parallel hydraulic hybrid power system structure

該系統(tǒng)的特點(diǎn)為在低速區(qū)間液壓系統(tǒng)作為唯一動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)車輛，在中速區(qū)間液壓系統(tǒng)不參與工作，在高速區(qū)間由液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)雙動(dòng)力源共同驅(qū)動(dòng)車輛，以減少發(fā)動(dòng)機(jī)在非經(jīng)濟(jì)區(qū)域的工作時(shí)間，從而提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性，且降低尾氣中污染物的排放量。

如圖1所示，在啟動(dòng)車輛時(shí)，高壓蓄能器出口處的電磁閥開啟，壓力油帶動(dòng)泵/馬達(dá)1內(nèi)的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力經(jīng)離合器2、轉(zhuǎn)矩耦合器傳遞給驅(qū)動(dòng)橋，從而驅(qū)動(dòng)車輛；達(dá)到設(shè)定車速時(shí)，切換為發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式，離合器1接合，離合器2、3斷開；車輛加速或爬坡時(shí)，液壓泵/馬達(dá)作為輔助動(dòng)力源，離合器1、2、3都接合，共同驅(qū)動(dòng)車輛。制動(dòng)時(shí)，離合器1斷開，若高壓蓄能器壓力未達(dá)到最大值，則離合器2接合，離合器3斷開，泵/馬達(dá)1將高壓油壓入并存儲(chǔ)在高壓蓄能器中；若高壓蓄能器壓力達(dá)到最大值，且低壓蓄能器壓力未達(dá)到最大值，離合器1、2斷開，離合器3接合，泵/馬達(dá)2將壓力油泵入低壓蓄能器中。

2 參數(shù)匹配

基于表1所示的整車參數(shù)對(duì)液壓泵/馬達(dá)、轉(zhuǎn)矩耦合器以及復(fù)合蓄能器進(jìn)行參數(shù)匹配。

表1 整車參數(shù)Tab.1 Vehicle parameters

2.1 液壓泵/馬達(dá)參數(shù)匹配

液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化元件為液壓泵/馬達(dá)，不僅對(duì)整車的制動(dòng)能量回收率有影響，且對(duì)整車的動(dòng)力性能有一定的影響[13]。液壓泵/馬達(dá)為可逆二次元件，以馬達(dá)模式工作時(shí)，蓄能器內(nèi)壓力油帶動(dòng)馬達(dá)葉片旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)力通過(guò)轉(zhuǎn)矩耦合器傳遞給驅(qū)動(dòng)橋，從而驅(qū)動(dòng)車輛；當(dāng)二次元件(液壓泵/馬達(dá))以泵模式工作時(shí)，用于制動(dòng)能量回收，通過(guò)二次元件(液壓泵/馬達(dá))將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液壓能儲(chǔ)存在蓄能器內(nèi)。

液壓泵/馬達(dá)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)的轉(zhuǎn)矩為：

(1)

式中，Tp/m—— 液壓泵/馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩

η—— 傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率

ib—— 轉(zhuǎn)矩耦合器速比

i0—— 主減速器速比

Ft—— 車輛驅(qū)動(dòng)力

r—— 車輪的滾動(dòng)半徑

則液壓泵/馬達(dá)的輸出功率為：

(2)

式中，ωp/m—— 液壓泵/馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，r/min

ωa—— 車輪的轉(zhuǎn)速，r/min

二次元件的選取基于輸出功率的匹配，車輛以平均速度vavg在平直路面上行駛，液壓泵/馬達(dá)的輸出功率為：

(3)

車輛以最高車速vmax在平直路面上行駛時(shí)，二次元件的輸出功率為：

(4)

以上坡速度vslope在坡度角為α的斜坡上行駛時(shí)，二次元件的輸出功率為：

(5)

兩者輸出功率較大值為液壓泵/馬達(dá)最大輸出功率即：

Pmax=max[Pp/m,1,Pp/m,2]

(6)

2.2 轉(zhuǎn)矩耦合器傳動(dòng)比匹配

轉(zhuǎn)矩耦合器用來(lái)協(xié)調(diào)兩動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩的輸出，其速比選擇應(yīng)滿足任意時(shí)刻二次元件的轉(zhuǎn)數(shù)不超過(guò)許用的最高轉(zhuǎn)數(shù)的要求，即：

(7)

式中，ib為轉(zhuǎn)矩耦合器傳動(dòng)比

2.3 復(fù)合式液壓蓄能器參數(shù)匹配

液壓蓄能器在該系統(tǒng)中用于儲(chǔ)存能量以及制動(dòng)能量回收。主要參數(shù)有充氣壓力p0，充氣體積V0，公稱壓力pr，最低工作壓力p1，最高工作壓力p2。

參考波義耳定律：

(8)

式中，V1——p1對(duì)應(yīng)的氣體體積，L

V2——p2對(duì)應(yīng)的氣體體積，L

n—— 多變指數(shù)，無(wú)量綱，整個(gè)過(guò)程為絕熱過(guò)程，n取1.4

C—— 常數(shù)

蓄能器最低工作壓力p1應(yīng)保證液壓泵/馬達(dá)的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)能力，即：

(9)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，p1與p2夠滿足關(guān)系式p2≤3p1，且最高工作壓力p2不得大于液壓泵/馬達(dá)的最高工作壓力，即：

(10)

因充氣速率、泄漏以及充氣的溫度等因素對(duì)蓄能器的影響，充氣壓力pr不得高于最低工作壓力p1，一般取pr=(0.8～0.85)p1。

根據(jù)制動(dòng)時(shí)能量平衡方程匹配蓄能器容積，汽車在平直路上行駛制動(dòng)時(shí)，能量平衡方程為：

(11)

E1=Gfs

(12)

(13)

(14)

式中，v1—— 車輛在t1時(shí)刻的速度，km/h

v2—— 車輛在t2時(shí)刻的速度，km/h

E1—— 滾動(dòng)阻力損失的能量，J

E2—— 回收的能量，J

E3—— 空氣阻力損失的能量，J

S—— 制動(dòng)距離，m

v0—— 車輛制動(dòng)初速度，km/h

a—— 車輛制動(dòng)減速度，m/s2

通過(guò)上述公式進(jìn)行參數(shù)匹配，選用HXQ-L35/31.5-H的活塞式高壓蓄能器，選擇NXQ1-F25/20-H的氣囊式低壓蓄能器，其參數(shù)如表2所示。

表2 蓄能器參數(shù)Tab.2 Accumulator parameters

3 控制策略

基于AMESim與MATLAB聯(lián)合仿真平臺(tái)，搭建邏輯門限值的能量管理控制策略模型，應(yīng)用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作模式的切換，其工作模式分為液壓?jiǎn)为?dú)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)能量回收等模式。控制策略流程如圖2所示。

圖2 控制策略流程圖Fig.2 Flow chart of control strategy

圖2中，Te為發(fā)動(dòng)機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩，ph為高壓蓄能器的壓力值，pl為低壓蓄能器的壓力值，Tl為低壓蓄能器為泵/馬達(dá)所能提供的轉(zhuǎn)矩，Th為高壓蓄能器為泵/馬達(dá)所能提供的轉(zhuǎn)矩，Treq為汽車需求轉(zhuǎn)矩。基于需求扭矩判定車輛運(yùn)行狀態(tài)，若Treq>0，為驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，為使液壓系統(tǒng)在低速區(qū)間代替發(fā)動(dòng)機(jī)工作，即設(shè)定三種速度區(qū)間：0≤v≤5.4 km/h、5.4 30 km/h。若0≤v≤5.4 km/h，且pl≥14 MPa，優(yōu)先低壓蓄能器驅(qū)動(dòng)，若pl<14 MPa，且Th≥Treq，則由高壓蓄能器驅(qū)動(dòng)，若Th30 km/h時(shí)，且Te+Th≥Treq，則由發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)車輛，該模式為混合驅(qū)動(dòng)模式。在低速區(qū)間優(yōu)先由低壓蓄能器驅(qū)動(dòng)，壓力不足則由高壓蓄能器驅(qū)動(dòng)；在中高速區(qū)間，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)與高壓蓄能器所提供的轉(zhuǎn)矩與需求轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，進(jìn)行混合驅(qū)動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式的切換；高速時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)制動(dòng)強(qiáng)度的不同，設(shè)置輕度制動(dòng)、中度制動(dòng)及緊急制動(dòng)三種判定規(guī)則。輕度制動(dòng)指制動(dòng)強(qiáng)度小于0.1，即z<0.1；中度制動(dòng)指制動(dòng)強(qiáng)度大于0.1且小于0.6，即0.10.6。制動(dòng)時(shí)，若z<0.1，且低壓蓄能器壓力值不足16 MPa，優(yōu)先進(jìn)入低壓蓄能器制動(dòng)能量回收模式，制動(dòng)能量回收到低壓蓄能器中，若pl>16 MPa，則進(jìn)入復(fù)合制動(dòng)模式，即液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)與摩擦制動(dòng)器共同提供制動(dòng)力的模式；若z處于0.1～0.6之間，優(yōu)先通過(guò)高壓蓄能器進(jìn)行制動(dòng)能量的回收，若高壓蓄能器壓力值達(dá)到最大工作壓力，為了提高能量利用率，改變其工作模式，將多余能量回收到低壓蓄能器中，使更多制動(dòng)能量得到回收，以進(jìn)一步提高制動(dòng)能量利用率；當(dāng)z>0.6時(shí)，為緊急制動(dòng)模式，進(jìn)入機(jī)械制動(dòng)模式。

4 仿真分析

4.1 仿真平臺(tái)搭建

在系統(tǒng)構(gòu)型與參數(shù)確定后，通過(guò)AMESim軟件搭建并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力公交車模型，基于MATLAB搭建控制策略，在AMESim中通過(guò)SimuCosin接口與MATLAB建立連接，在MATLAB中通過(guò)AME2SLCoSim模塊與AMESim建立連接，通過(guò)MATLAB/Simulink/Stateflow狀態(tài)機(jī)切換工作模式，AMESim與MATLAB聯(lián)合仿真平臺(tái)模型如圖3所示。

圖3 聯(lián)合仿真平臺(tái)模型Fig.3 Co-simulation platform model

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

本研究基于中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況[14]，對(duì)并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力公交車構(gòu)型的經(jīng)濟(jì)性及控制策略進(jìn)行驗(yàn)證與分析，仿真結(jié)果如圖4～圖6所示。

由圖4可知，通過(guò)對(duì)控制策略的驗(yàn)證，實(shí)際車速與控制車速變化情況一致，且高、低壓蓄能器的壓力變化情況與車速的變化情況合理。在0～32 s內(nèi)，車輛處于停車充能狀態(tài)，在t=0時(shí)， 高壓蓄能器壓力由15 MPa增加到32 MPa，同時(shí)，低壓蓄能器壓力由3 MPa增加到8.2 MPa， 3 MPa為低壓蓄能器預(yù)充壓力，該壓力值不屬于低壓蓄能器工作范圍。

圖4 系統(tǒng)仿真圖

在車輛加速時(shí)蓄能器壓力下降，蓄能器內(nèi)壓力油釋放，蓄能器作為動(dòng)力源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，此時(shí)蓄能器內(nèi)氣體體積增大，且蓄能器內(nèi)氣體體積隨油壓升高而減小；車輛停車為蓄能器保壓階段，此時(shí)蓄能器內(nèi)所充氣體體積無(wú)變化；車輛制動(dòng)為蓄能器的升壓階段，進(jìn)入制動(dòng)能量回收模式，隨著油液壓力的升高，蓄能器內(nèi)氣體壓力隨之升高，氣體將被壓縮，氣體體積隨之減小。

由圖4可得，實(shí)際仿真蓄能器壓力變化范圍與匹配工作壓力范圍一致，即高壓蓄能器壓力工作變化范圍為15～32 MPa，低壓蓄能器壓力工作變化范圍為6～16 MPa。

如圖5所示，在中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況下，液壓混合動(dòng)力公交車與傳統(tǒng)燃油公交車的燃油消耗量分別為998.81 g，1455.54 g，即二者的百公里油耗為28.77 L，19.79 L，燃油消耗量減少了31.2%，可見該液壓混合動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能效果較明顯，能夠有效減少車輛燃油消耗量，從而提高車輛經(jīng)濟(jì)性。從圖5中看出，在30～200 s內(nèi)液壓混合動(dòng)力公交車燃油消耗量比傳統(tǒng)燃油公交車高，高、低壓蓄能器存在預(yù)充氣壓，該氣壓由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，在車輛起步時(shí)，導(dǎo)致油耗升高，在圖中表現(xiàn)為t=30 s時(shí)，液壓混合動(dòng)力公交車與傳統(tǒng)燃油公交車的油耗分別為18.74 g，13.20 g，在t=200 s，二者油耗分別為228.41 g，199.70 g。

圖5 液壓混合動(dòng)力公交車與傳統(tǒng)燃油公交車燃油消耗量Fig.5 Fuel consumption of hydraulic hybrid bus and conventional fuel bus

針對(duì)整車在空載、半載、滿載三種載質(zhì)量變化情況對(duì)燃油消耗量進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。

從圖中看出，載荷從空載變化到滿載，液壓混合動(dòng)力公交車油耗從19.79 L/100 km上升到22.85 L/100 km，油耗增加了13.39%，傳統(tǒng)燃油公交車油耗從28.77 L/100 km上升到35.41 L/100 km，油耗增加了18.65%，這表明隨著載荷的增加，液壓混合動(dòng)力公交車百公里燃油消耗量比傳統(tǒng)燃油公交車低。

圖6 不同負(fù)載下油耗對(duì)比圖Fig.6 Comparison diagram of fuel consumption under different loads

按照液壓混合動(dòng)力公交車仿真數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)公交車油耗按照28 L/100 km計(jì)算，則液壓混合動(dòng)力公交車節(jié)約燃油6.81 L/100 km，且隨著里程數(shù)的增加，液壓混合動(dòng)力公交車省油效果更為顯著。

4.3 尾氣排放分析

如圖7為液壓混合動(dòng)力公交車與傳統(tǒng)燃油公交車尾氣排放量。由圖7可知，碳氧化合物排放量減少了47.7%，碳?xì)浠衔锱欧帕繙p少了34.9%，氮氧化合物排放量減少了22.3%。由圖可得，在車輛起步階段，液壓混合動(dòng)力公交車尾氣排放低于傳統(tǒng)燃油公交車，由于液壓系統(tǒng)作為唯一動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)車輛，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)油氣燃燒不充分的問(wèn)題，這會(huì)大大減少尾氣排放量。

圖7 液壓混合動(dòng)力公交車與傳統(tǒng)燃油公交車尾氣排放量Fig.7 Exhaust emissions of hydraulic hybrid buses and traditional fuel buses

5 結(jié)論

本研究以復(fù)合蓄能器并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力公交車為研究對(duì)象，從搭建雙動(dòng)力源模型、整車參數(shù)匹配校核、制定控制策略及仿真驗(yàn)證四個(gè)方面開展研究。

(1) 基于復(fù)合蓄能器并聯(lián)式液壓混合動(dòng)力公交車構(gòu)型，完成對(duì)液壓泵/馬達(dá)、復(fù)合式蓄能器、轉(zhuǎn)矩耦合器傳動(dòng)比的匹配，通過(guò)AMESim搭建了雙動(dòng)力源公交車模型；

(2) 針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在低速區(qū)間燃油不充分導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性變差問(wèn)題，提出了一種基于邏輯門限值的能量管理控制策略，設(shè)定不同速度區(qū)間，通過(guò)車輛所處速度區(qū)間切換工作模式，而在高壓蓄能器優(yōu)先制動(dòng)能量回收條件下，其壓力達(dá)到最高工作壓力時(shí)，該策略實(shí)現(xiàn)將剩余制動(dòng)能量回收到低壓蓄能器中，以進(jìn)一步提高制動(dòng)能量利用率；

(3) 基于AMESim與MATLAB軟件，搭建了聯(lián)合仿真平臺(tái)，對(duì)經(jīng)濟(jì)性及排放情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證及分析。仿真結(jié)果表明：在中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況下，液壓混合動(dòng)力公交車較傳統(tǒng)燃油公交車燃油消耗量減少了31.2%，節(jié)油效果明顯，可有效提高車輛經(jīng)濟(jì)性；在不同載質(zhì)量下，且隨著里程數(shù)的增加，液壓混合動(dòng)力公交車省油效果更為顯著。同時(shí)，在低速區(qū)間液壓系統(tǒng)代替發(fā)動(dòng)機(jī)工作，使尾氣中污染物排放量大大降低。為解決液壓混合動(dòng)力城市公交車存在的問(wèn)題提供了思路。