液驅混合動力車輛動態特性研究

王杰，張銀彩，商興國

(1.唐山學院機電工程系，河北唐山063000;2.石家莊鐵道大學機械工程學院，河北石家莊050043)

液驅混合動力車輛由液壓泵、高壓蓄能器、低壓蓄能器、高速響應開關閥和控制系統等組成。其中能量轉化元件為軸向柱塞式液壓泵/馬達6，見圖1。在車輛起步時，液壓蓄能器單獨驅動，控制系統使液壓泵/馬達以馬達的工況工作［1-2］，輸入功率經蓄能器、液壓泵/馬達實現能量釋放。液驅混合動力的控制策略是系統工作的核心，通過能量釋放實現車輛的正常起步，是液驅混合動力系統研究中的重要問題。

液驅混合動力車輛傳動系統主要由高壓蓄能器4、低壓蓄能器8、高速響應開關閥3、二位四通電液閥5、可逆作用液壓泵/馬達6、減速器7 等部件組成，如圖1所示。

圖1 液驅混合動力車輛傳動系統原理簡圖

1 液驅混合動力模型建立

1.1 液壓泵/馬達軸上力矩平衡方程建立

式中:Tm為等效到液壓泵/馬達軸上的驅動力矩，N·m;

Jp為液壓泵/馬達軸的轉動慣量，kg·m2;

Bp為黏性阻尼系數，N·m·s/rad;

i0為主傳動的傳動比;

ip為液壓泵/馬達至主傳動系傳動比;

r為車輪半徑，m;

u為車速，m/s。

1.2 液壓泵/馬達的流量方程建立

式中:qp為液壓泵/馬達實際輸入流量，m3/s;

Vp為液壓泵/馬達的排量，m3/rad;

ωp為液壓泵/馬達軸的轉速，rad/s;

Cip、Cep分別為液壓泵/馬達的內、外泄漏系數，m5/(N·s);

p為高壓油路油壓，Pa;

pL為低壓油路油壓，Pa，假定為一常數。

1.3 蓄能器中壓力的變化方程建立

蓄能器中力平衡方程［3］:

式中:Aa為等效到蓄能器油液腔的截面積，m2;

pa為蓄能器內氣體壓力，Pa;

ma為等效到蓄能器蓄能腔液壓油質量，kg;

qa為流出蓄能器中的流量，m3/s，其值等于液壓泵/馬達的輸入流量qp(忽略泄漏);

Ba為蓄能器的當量黏性阻尼系數，kg/s;

Va為蓄能器中氣體壓力為pa時氣體的體積，m3。

蓄能器中氣體的壓力方程:

式中:p1為蓄能器的最低工作壓力，Pa;

V1為蓄能器中氣體壓力為p1時氣體的體積，m3;

k為氣體的多變指數。對式(6)在p1、V1附近泰勒展開，略去高次項整理得:

由式(4)得:

2 建立液壓泵/馬達伺服排量控制系統模型

電液伺服排量控制系統是通過控制伺服閥開口來改變變量活塞的位移，進而改變液壓泵/馬達斜盤的傾角，達到變量的目的。該機構是力反饋閉環控制回路，具有結構緊湊、響應快等優點，且便于遠程控制［4］。伺服排量控制系統由4 部分構成:伺服閥、反饋杠桿、伺服缸、斜盤，如圖2所示。

圖2 變量泵電液伺服排量控制系統簡圖

2.1 伺服閥方程建立

伺服閥結構簡圖如圖3所示。

圖3 伺服閥結構簡圖

根據伺服閥各組成部分的作用關系，列出如下3個方程:線圈端電壓-電流方程、線圈電流-電磁鐵推桿力方程以及閥芯的力平衡方程，如式(9)—(11)所示:

式中:Ui為線圈端電壓，V;

FM為電磁鐵推桿推力，N;

KI為電流力增益;

Ky為電磁鐵推桿調零彈簧剛度，N/m;

xV為閥芯位移，m;

mV為閥芯與電磁鐵推桿質量，kg;

BV為閥芯阻尼系數，N·s/m;

KfV為閥芯穩態液動力剛度系數，N/m;

Ff為反饋杠桿的作用力，N。

2.2 反饋杠桿方程建立

根據杠桿原理可得反饋杠桿上的位移方程與力平衡方程:

式中:a、b、c、d為杠桿結構尺寸，m;

xh為反饋彈簧位移，m;

xp為伺服缸活塞位移，m;

Kh為反饋彈簧剛度，N/m;

Fs為活塞對反饋杠桿的作用力，N。

3 液驅混合動力車輛控制策略

根據輸出軸的目標角加速度與實際角加速度的差值，按增量式PID 算法調節液壓泵/馬達的排量控制電流信號，調整液壓泵/馬達的排量，使輸出軸角加速度滿足要求。控制方案調節框圖如圖4所示。

圖4 控制策略框圖

4 車輛動態特性的仿真與試驗研究

試驗臺布置如圖5所示，采用力士樂的二次調節單元作為驅動裝置與加載裝置。變量泵的最大排量為125 L/min，變量泵/馬達排量為140 L/min，飛輪慣量為50 kg·m2。

圖5 試驗臺布置圖

為試驗操作簡便，飛輪轉速定在200 r/min 左右，蓄能器壓力在10 MPa 左右。圖6 為能量釋放時飛輪轉速響應曲線，圖7 為高壓蓄能器壓力響應曲線。由圖6、圖7 可知:試驗結果反映出的趨勢與仿真分析結果基本一致，說明仿真模型建立的有效性及控制策略的合理性。

圖6 飛輪轉速響應曲線

圖7 高壓蓄能器壓力響應曲線

5 結束語

建立了液驅混合動力車輛傳動的仿真模型和控制器模型，提出了液驅混合動力車輛控制策略;進行了液驅混合動力動態特性的試驗研究，試驗結果驗證了液驅混合動力車輛仿真模型的有效性及控制策略的合理性。

［1］WU Peirong，WANG Huiyi.Analysis and Design of a Vehicular HESTS and Its Fuzzy Logic Controller［C］//IEEE Instrumentation/Measurement Technology Conference Proceeding.Waltham Massachusetts.U.S.A，1995.

［2］WANG Huiyi，WU Peirong.Mechanism Analysis on a Hydraulic Energy Storage Transmission System［C］//International Symposium of Fluid Power，1995.

［3］戰興群.二次調節系統中液壓蓄能器數學模型的研究［J］.中國機械工程，2001，12(S1):45-46.

［4］余志生.汽車理論［M］.北京:機械工業出版社，2003.

［5］李澤松，寇子明.A4VG 系列變量泵伺服機構動態特性分析［J］.煤礦機電，2005(2):8-10.