重型車(chē)輛的氣壓制動(dòng)能量回收的建模及仿真分析

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 北京 100192)

引言

環(huán)境污染和能源消耗問(wèn)題推動(dòng)了重型車(chē)輛節(jié)能化及再利用問(wèn)題的發(fā)展。制動(dòng)能量回收的能量利用率是研究重型車(chē)輛的重中之重。當(dāng)重型車(chē)輛在制動(dòng)工況下由于摩擦力的作用，致使車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，樣于人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展。因此會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題：(1)重型車(chē)輛在下坡時(shí)能量沒(méi)有得到充分利用并且當(dāng)期強(qiáng)制怠速時(shí)會(huì)造成大量的燃油消耗。(2)重型車(chē)輛在制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的廢氣，這些廢氣會(huì)對(duì)人們的身體健康帶來(lái)?yè)p害。(3)為了提高重型車(chē)輛的安全效能可以勤于換摩擦元件、改善摩擦片之間的間隙，這樣可以降低由于制動(dòng)器的損害而帶來(lái)的給人身帶來(lái)的威脅。

本文對(duì)重型車(chē)輛的氣壓制動(dòng)能量回收系統(tǒng)在Simulink中對(duì)各模塊建立仿真模型及仿真研究，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行理論分析。

一、氣壓制動(dòng)能量回收仿真模型

(一)三大系統(tǒng)簡(jiǎn)介

為了研究氣壓制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，首先要建立系統(tǒng)仿真模型。本章首先對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)特性和氣動(dòng)馬達(dá)排量調(diào)節(jié)特性進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，然后基于 MATLAB 搭建整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型以及氣壓制動(dòng)能量回收系統(tǒng)模型。

重型車(chē)輛聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)可分為三大部分，即氣壓動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力分配系統(tǒng)、再生制動(dòng)系統(tǒng)[1]。

圖1 聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

(1)氣壓動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)

氣壓動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)主要由儲(chǔ)氣罐、電子踏板、制動(dòng)閥以及制動(dòng)器等組成。在制動(dòng)工況下，控制器根據(jù)車(chē)速和制動(dòng)強(qiáng)度以及再生儲(chǔ)氣罐SOC計(jì)算需求制動(dòng)力矩，并將需求制動(dòng)力矩信號(hào)發(fā)送給制動(dòng)閥，控制閥口開(kāi)口面積進(jìn)而對(duì)實(shí)際制動(dòng)力矩進(jìn)行線(xiàn)性控制，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行制動(dòng)。

(2)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)

制動(dòng)能量系統(tǒng)由再生制動(dòng)儲(chǔ)氣罐、二次元件(氣泵/氣動(dòng)馬達(dá))、單向閥以及扭矩耦合器等。由車(chē)輛制動(dòng)時(shí)車(chē)輪的慣性力矩帶動(dòng)空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將儲(chǔ)氣罐中的氣壓能充入再生儲(chǔ)氣罐中，實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

(3)動(dòng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

動(dòng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由電磁換向閥、儲(chǔ)氣罐、再生儲(chǔ)氣罐、空氣壓縮機(jī)組成。重型車(chē)輛進(jìn)行制動(dòng)后，儲(chǔ)氣罐氣壓會(huì)下降，再生儲(chǔ)氣罐氣壓會(huì)升高，當(dāng)儲(chǔ)氣罐壓力到達(dá)其最低工作壓力時(shí)，電磁換向閥會(huì)打開(kāi)，再生儲(chǔ)氣罐會(huì)為儲(chǔ)氣罐進(jìn)行充氣；

(二)氣動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)

氣壓動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)主要由電子踏板1、電子控制單元2和3、儲(chǔ)氣罐8、空氣減壓閥4和5、制動(dòng)氣室6和7等元件組成。

1-電子踏板；2、3-電子控制單元；4、5-前、后輪空氣減壓閥；6、7-前、后輪制動(dòng)氣室；8-儲(chǔ)氣罐；

工作原理為：駕駛員有制動(dòng)意圖后踩下電子踏板1，電子踏板上的轉(zhuǎn)角傳感器采集其轉(zhuǎn)角信號(hào)，并將此轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)電子控制單元2和3轉(zhuǎn)為電流信號(hào)，并傳送到空氣減壓閥4和5上，電流通過(guò)電磁線(xiàn)圈時(shí)，產(chǎn)生電磁力推動(dòng)閥芯克服彈簧彈力產(chǎn)生位移，從而使得儲(chǔ)氣罐里的氣壓能進(jìn)入制動(dòng)氣室產(chǎn)生制動(dòng)壓力，通過(guò)制動(dòng)摩擦片對(duì)車(chē)輛進(jìn)行制動(dòng)。

1.氣壓動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

(1)空氣壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型

(4.1)

式中，ωk—運(yùn)輸車(chē)輛的車(chē)輪角速度；il—半軸到氣動(dòng)離合器的傳動(dòng)比；

ik—?dú)鈩?dòng)離合器到空氣壓縮機(jī)的傳動(dòng)比；

可以知道，空氣壓縮機(jī)的流量為：

(4.2)

式中，Vm—空氣壓縮機(jī)的排量；nk—空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。

把式(4-1)和式(4-2)代入式(4-3)得：

(4.3)

(4.4)

(2)制動(dòng)氣室的數(shù)學(xué)模型

(4.7)

(4.8)

式中，P1表示制動(dòng)氣室左側(cè)腔內(nèi)的壓力，S0表示膜片承壓面積，k表示回位彈簧剛度，x表示推桿的位移。

(4.9)

其中，R1，R2分別為膜片內(nèi)外半徑；μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)為活塞推力；δ為扇形角。

(4.10)

其中，Vz為制動(dòng)氣室容積；Ez為制動(dòng)氣室的等效體積彈性模量。

(3)儲(chǔ)氣罐的數(shù)學(xué)模型

儲(chǔ)氣罐充放氣過(guò)程，可認(rèn)為是絕熱過(guò)程，可知儲(chǔ)氣罐排氣的流量方程為

(2.10)

式中，p0是儲(chǔ)氣罐的充氣壓力；V0是儲(chǔ)氣罐的有效容積；pA是儲(chǔ)氣罐的最高工作壓力；n為熱力學(xué)常數(shù)，取n=1.4；p1是儲(chǔ)氣罐的出口壓力。

(三)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)

1.柱塞式氣泵/氣動(dòng)馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型

氣泵/氣動(dòng)馬達(dá)的排量表達(dá)式為[3]

(4.15)

再生制動(dòng)力矩表達(dá)式為

(4.16)

氣泵/氣功馬達(dá)的流量表達(dá)式為

(4.17)

式中，V是氣泵/氣動(dòng)馬達(dá)的排量(ml/r)；d是柱塞直徑(m)；Z是柱塞數(shù)量；y是活塞位移(m)，λ是斜盤(pán)傾角與活塞位移增益(rad/m)；Δ P —?dú)獗?氣動(dòng)馬達(dá)進(jìn)出口壓力差，(MPa)；n—?dú)獗?氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，(r/min)。

2.再生儲(chǔ)氣罐的數(shù)學(xué)模型

(4.18)

式中，p0是再生儲(chǔ)氣罐的充氣壓力；V0為再生儲(chǔ)氣罐的有效容積；n為氣體的多變過(guò)程指數(shù)，取n=1；p為再生儲(chǔ)氣罐的出口壓力；

(三)動(dòng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

動(dòng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)氣罐、再生儲(chǔ)氣罐及電磁換向閥。儲(chǔ)氣罐和再生制動(dòng)儲(chǔ)氣罐數(shù)學(xué)模型前面已介紹，下面主要建立電磁換向閥的數(shù)學(xué)模型。

電磁換向閥的數(shù)學(xué)模型：

(1)電磁換向閥的受力分析

根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定理，當(dāng)電磁換向閥通電時(shí)閥芯的運(yùn)動(dòng)方程為：

(4.31)

式中，m—閥芯質(zhì)量；x—閥芯位移；

c—閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的等效粘性阻尼(N·s/m)；

xp—恢復(fù)彈簧預(yù)緊量(m)；Fe—電磁吸力(N)；

p—閥芯所受的氣體壓強(qiáng)(Pa)；A0—閥芯的橫截面積(m2)；

K—彈簧剛度。

氣壓電磁閥的動(dòng)態(tài)特性能 夠通過(guò)制動(dòng)氣室的壓力變化來(lái)反映，因此研究電磁閥和制動(dòng)氣室之間的壓力動(dòng)態(tài)特性十分重要。

氣壓的制動(dòng)過(guò)程包括兩個(gè)階段：電磁閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作和制動(dòng)氣室的充放氣。所以本文采用物理方法來(lái)建立制動(dòng)氣室充放氣過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究電磁閥的動(dòng)態(tài)特性的壓力動(dòng)特性的影響。

對(duì)于充氣過(guò)程，根據(jù)氣體連續(xù)性方程，氣體通過(guò)制動(dòng)氣室入口小孔的瞬時(shí)流量可表達(dá)為：

(4.32)

A1—?dú)馐胰肟诮孛娣e，A1=1.26×10-5m2；

R0—?dú)怏w常數(shù)，空氣：R0=287.1J/kg·K；

K—絕熱指數(shù)，K=4.1；

T1—?dú)馐抑袣怏w的絕對(duì)溫度，T1=313K；

P1、P2—分別為氣室入口上、下游的壓力(pa)。

理想氣體狀態(tài)方程符合下述關(guān)系：

(4.33)

式中：p—壓力(pa)；Qm—?dú)怏w流量(m3/s)；

V—?dú)馐胰莘e，V= 1×10-3m3。

二、氣壓制動(dòng)能量回收仿真分析

(一)氣壓動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)仿真分析

圖3 儲(chǔ)氣罐的壓力變化曲線(xiàn)

說(shuō)明儲(chǔ)氣罐的壓力1s時(shí)不變，當(dāng)1s之后增加至1.4MPa，然后1s之后趨于穩(wěn)定。

(二)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)仿真分析

圖4 再生儲(chǔ)氣罐的壓力變化曲線(xiàn)

說(shuō)明再生儲(chǔ)氣罐壓力從初始0.6MPa逐漸升高至1.35MPa，直到70s之后，壓力不變。

(三)動(dòng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真分析

圖5 儲(chǔ)氣罐壓力仿真曲線(xiàn)

說(shuō)明儲(chǔ)氣罐壓力從初始1.4MPa逐漸降低至0.5MPa，直到60s之后，壓力保持不變。

三、結(jié)束語(yǔ)

本論文對(duì)氣壓制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行了選型及參數(shù)匹配、控制策略的相關(guān)研究以及對(duì)重型車(chē)輛的氣壓制動(dòng)能量回收的數(shù)學(xué)建模及simulink仿真分析。本論文主要進(jìn)行了以下研究：

(1)對(duì)傳統(tǒng)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的介紹和分析，逐步了解其優(yōu)勢(shì)和弊端。并且對(duì)重型車(chē)輛的氣壓制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)氣壓制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵元件進(jìn)行選型與參數(shù)匹配，根據(jù)關(guān)鍵元件的主要性能參數(shù)，可大致確定關(guān)鍵元件的參數(shù)范圍及其型號(hào)。

(3)對(duì)重型車(chē)輛的氣壓制動(dòng)能量回收系統(tǒng)在Simulink中對(duì)各模塊建立仿真模型及仿真研究，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行理論分析。