液壓混合動力汽車自動怠速系統控制策略

路 顏， 高攀科， 程光威， 李紅宇

(1.陜西鐵路工程職業技術學院 城軌工程學院, 陜西 渭南 714099;2.三門峽速達交通節能科技股份有限公司 研發部, 河南 三門峽 472000)

引言

液壓混合動力汽車作為混合動力技術的一個重要分支，具有良好的經濟性和排放性，已經受到越來越多國家和汽車研究機構的重視[1]。該類型汽車采用液壓蓄能器作為輔助動力源，工作過程中蓄能器本身具有可回收制動能量、工作可靠、壽命長等優點，故液壓混合動力汽車作為新能源汽車之一有很大的發展空間，目前該類型汽車主要用于中小型城際巴士及軍用車輛等。巴士在城際間往返過程中自動怠速時間大概占總運行時間的30%[2]，而液壓混合動力汽車在自動怠速階段出工不出力，即發動機依然在運轉而車速逐漸減小，這樣勢必會造成能量的損耗，故減小發動機自動怠速時的輸出功率以實現節能降耗受到越來越多學者的關切。李順等[3]設計了一種基于發動機功率匹配的自動怠速控制模式，但發動機高低速切換時間過長。王聰聰等[4]采用調整油門開度來實現自動減速調節控制，減少了10%左右的能量損耗。由于發動機的響應速度慢，無法快速實現高低速的切換，故影響自動怠速系統進一步節能減耗[5-6]。本研究針對串聯式液壓混合動力汽車，提出采用電液泵結合蓄能器的自動怠速系統替代傳統發動機-泵組自動怠速系統，通過建立分段控制策略，充分利用蓄能器作為應急能源可在短時提供動力的特點，并結合所搭建試驗平臺進行節能試驗研究，結果表明：該自動怠速系統在分段控制策略下，比傳統自動怠速系統的效率提高了5%左右。

1 串聯式液壓混合動力汽車結構與原理

如圖1所示為串聯式液壓混合動力汽車的結構原理圖，由圖1可以看出，串聯式液壓混合動力汽車由發動機、油泵、高壓蓄能器、 雙向變量泵/馬達(P/M)及儲油箱等組成。發動機直接與油泵相連接， 通過管路連接到P/M， 使發動機與車輛負載相分離， 提高了發動機工作效率。具體工作原理為：正常行駛過程中P/M 工作于馬達模式，由發動機驅動油泵，通過將泵出的液壓能轉化為機械能驅動汽車行駛或加速，必要時可由蓄能器與油泵同時供油，以備爬坡或進一步加速使用；當汽車制動時，P/M 工作于油泵模式，將油液由儲油箱泵出到蓄能器進行儲存，實現機械能轉化為液壓能的過程；當汽車怠速時，由發動機帶動油泵獨立驅動汽車降速行駛。

圖1 串聯式液壓混合動力汽車結構原理圖

2 電液泵的結構與原理

本研究介紹一種軸向柱塞式電液泵，其電動機與液壓泵共軸、共殼體，結構更加緊湊，與傳統的利用聯軸器將電動機與液壓泵相連接的泵組相比，具有更低的機械磨損及更高的總效率，該電液泵的結構簡圖如圖2所示。

圖2 電液泵結構簡圖

該泵的工作原理類似于一般的斜盤式柱塞泵，也是由配流盤組件、滑靴組件及柱塞組件等組成。不同的是將泵軸與電動機轉子進行了高度融合，電動機原理類似于永磁同步電機原理，工作過程中通過接線座為定子繞組供電，進而產生旋轉磁場切割轉子繞組，當轉子繞組在電磁感應原理下產生感應電流時，轉子在電磁轉矩作用下運轉起來，同時轉子內的柱塞亦會隨著轉子的轉動而做往復運動，進而實現泵的吸排油過程。內泄漏的油液則會積聚在殼體內，通過回油口流回油箱并帶走大量的熱，以降低油溫，保障電液泵正常運行。

3 能量轉化效率分析

為了準確得到電液泵的能量轉化效率，并與傳統的發動機-泵組在油隙損耗、容積效率、機械效率、電磁效率、總效率等方面進行對比，特選擇相關主要計算參數如表1所示。

表1 相關主要計算參數列表

3.1 油隙損耗

電液泵輸入總功率為：

P0=QTp1+Pm+Pe

(1)

式中,QT—— 理論流量

p1—— 負載壓力

Pm[7]—— 機械損耗功率

Pe[8]—— 電磁損耗功率

機械損耗Pm為：

Pm=Pc+Pv+Pb

(2)

式中，Pc—— 庫侖摩擦損耗功率

Pv—— 黏性摩擦損耗功率

Pb—— 滾動摩擦損耗功率

庫侖摩擦損耗功率Pc[9]為：

(3)

式中，R1，R2—— 配流盤內封油帶內外半徑

R3，R4—— 配流盤外封油帶內外半徑

Rc—— 配流盤凹槽分布圓半徑

μc1—— 庫侖摩擦因數

ω—— 轉子角速度

p0—— 電液泵入口壓力

黏性摩擦損耗功率Pv[10]為：

(4)

式中，Rr—— 轉子半徑

L—— 轉子長度

δg—— 定轉子間的油隙厚度

μ—— 油液動力黏度

油液黏度μ[11]為：

μ=μ0exp[αp1-λ(th-t0)]

(5)

式中，μ0—— 油液在t0時的動力黏度

α—— 油液的黏壓系數

λ—— 油液的黏溫系數

th—— 油液溫度

t0—— 常溫(25 ℃)

滾動摩擦損耗功率Pb[12]為：

(6)

式中，μb—— 滾柱軸承摩擦因數

db—— 軸承內徑

電液泵輸入總功率中的電磁損耗功率Pe為：

Pe=PFe+PCu+Ps

(7)

式中，PFe—— 鐵芯損耗功率

PCu—— 線圈銅損耗功率

Ps—— 雜散損耗功率

其中鐵芯損耗功率PFe[13]為：

(8)

式中，P10/50—— 電樞損耗功率

f—— 轉子繞組磁場頻率，f=nx/60

n—— 轉子轉速

x—— 磁極對數

Kt，Kj—— 工藝系數

Gt1，Gj1—— 轉子齒、轉子軛的質量

Btld，Bjld—— 定子齒、定子軛的磁通密度

定子線圈銅損耗功率PCu[14]為：

PCu=mI2R

(9)

式中，m—— 電動機相數

I—— 電動機相電流

R—— 線圈電阻

雜散損耗功率Ps為：

(10)

式中，IN—— 額定相電流

PN—— 額定功率

油隙損耗Lg為油隙黏性阻尼功率Pv在輸入總功率P0中的比重，故有：

(11)

如圖3、圖4所示為油液溫度在48 ℃時，分別在等壓力、等轉速條件下，定子與轉子間的油隙損耗變化情況。

圖3 油隙損耗nL與轉速關系曲線圖

圖4 油隙損耗nL與負載壓力關系曲線圖

由圖3和圖4所示曲線可以看出，電液泵的油隙損耗與轉速成正相關關系。而油液壓力增大，油隙損耗則減小，當油溫為48 ℃，壓力為30 MPa，轉速為4000 r/min時，電液泵的油隙損耗為1.81%。

如圖5所示為等壓力、等轉速條件下，油隙損耗隨溫度的變化關系曲線。

圖5 油隙損耗nL與溫度關系曲線圖

油隙損耗是油液黏性損耗的一種反映，隨著油溫的升高，油液黏性減小，故由圖5可以看出，油隙損耗與溫度是反相關關系。由式(4)可看出，增大定轉子之間的厚度可減小油隙損耗，但需考慮厚度增大對電磁驅動能力的影響。

3.2 效率分析

電液泵容積效率為：

(12)

式中，Qv為流量損失。

機械效率為：

(13)

電磁效率為：

(14)

電液泵總效率為：

(15)

如圖6所示為電液泵在溫度48 ℃、壓力30 MPa條件下各效率隨轉速變化的關系曲線。

圖6 效率與轉速關系曲線圖

由圖6可以看出，電磁效率、容積效率隨著轉速的增大逐漸增大，而轉速增大的同時勢必會增大機械損耗，故機械效率呈現下降趨勢，總效率在變化過程中先升后降，存在極大值點，當超過此極大值點后，總效率主要受機械效率的影響，會隨著機械損耗的增大而直線下降。

如圖7所示為電液泵在溫度48 ℃，轉速4000 r/min條件下各個效率隨壓力變化的關系曲線。

由圖7可以看出，電磁效率、機械效率隨著壓力的增大逐漸增大，而壓力增大的同時勢必會增大泵的容積損失，故容積效率呈現下降趨勢，總效率在變化過程中先升后降，存在極大值點，當超過此極大值點后，總效率主要受容積效率的影響，會隨著容積損失的增大而直線下降。

圖7 效率與壓力關系曲線圖

如圖8所示為電液泵在轉速4000 r/min、壓力30 MPa 條件下各效率隨溫度變化的關系曲線。

圖8 效率與溫度關系曲線圖

由圖8可以看出，溫度對電磁效率幾乎沒有影響，而隨著溫度升高，油液黏性下降，勢必會增大泵的容積損失，但定轉子間的機械損耗會減小，故泵的容積效率逐漸減小而機械效率逐漸增大，總效率在變化過程中存在極大值點，當超過此極大值點后，總效率主要受容積效率的影響，會隨著容積損失的增大而直線下降。經計算可知，油液溫度在65 ℃時泵的總效率達到極大值的82.5%。

通過計算得到，電液泵在油溫48 ℃、轉速4000 r/min、壓力30 MPa時的電磁效率為97.8%，機械效率為89.9%，容積效率為92.5%，總效率為81.5%。

3.3 對比分析

通過以上分析可知，電液泵的油隙損耗占輸入總功率的1.81%，相同條件下發動機-泵組油隙損耗占輸入總功率的1.62%，故同等條件下電液泵油隙損耗較大。但電液泵的高度融合結構規避了發動機風扇散熱損耗及發動機與聯軸器之間的摩擦損耗，這兩部分損耗在發動機-泵組的輸入總功率中可占到6%～11%，完全大于電液泵流道結構和液壓油流動狀態等造成的散熱損耗、機械損耗及電液泵本身的油隙損耗之和。軸向柱塞式電液泵在溫度48 ℃、轉速4000 r/min、壓力30 MPa時的總效率為81.5%，與之對應的發動機-泵組的總效率約在71%～76%之間[15-16]，相關對比曲線如圖9～圖12所示。綜上所述，電液泵的能量轉化效率明顯優于發動機-泵組。

圖9 不同轉速下油隙損耗nL曲線(30 MPa)

圖10 不同壓力下油隙損耗nL曲線(4000 r/min)

圖11 不同轉速下總效率曲線(30 MPa)

圖12 不同壓力下總效率曲線(4000 r/min)

4 自動怠速系統工作原理

自動怠速液壓系統結構原理圖如圖13所示，傳統自動怠速系統是依靠發動機實現高低速的切換，本研究所述自動怠速系統采用變頻器控制電液泵，利用電液泵本身低損耗、高效率的工作特性及泵出口處電磁換向閥、蓄能器、壓力傳感器的相互作用實現自動怠速。具體工作過程為：電磁換向閥與蓄能器相連接，壓力傳感器用來檢測外部負載壓力，自動怠速時，對蓄能器充壓以適應外部負載壓力的變化，此時電液泵的轉速可降為整機能耗的最低點，從而在自動怠速過程中實現節能減耗；取消自動怠速過程中，當電液泵轉速不足時，亦可利用蓄能器建立起適應外部負載變化的壓力。

圖13 自動怠速液壓系統結構原理圖

5 系統分段控制策略研究

自動怠速系統控制策略的關鍵點是電液泵轉速的高低切換，對于減速過程，實現節能減耗是控制策略的核心，而自動怠速系統轉速的高低是影響能耗的主要因素。對于增速過程，實現快速、平穩的由怠速過渡到正常運行是控制策略的核心。故可設系統一級怠速轉速為750 r/min，二級怠速轉速為450 r/min，設計系統分段控制策略流程圖如圖14所示。

圖14 系統分段控制策略流程圖

流程圖中先導控制信號Δpc為先導控制器兩端的壓力差，即Δpc=pi1-pi2，其中pi1為先導控制器一端壓力，pi2為另一端壓力。

5.1 一級自動怠速控制策略

系統一級自動怠速采用負載最大適應性控制，即利用電液泵和蓄能器共同適應外部負載的壓力變化，利用壓力傳感器實時檢測蓄能器出口端壓力pi3及執行器兩端的最大壓力pL=max {pi4,pi5}，其中pi4，pi5分別為執行器兩端的壓力，依據蓄能器設置的壓力判斷閾值Δpa進行最大負載適應性控制，具體控制過程如下：

當|Δpc|<Δpa且t≥Tc1時，控制器通過變頻器調節電液泵的目標轉速nt為750 r/min，其中t為自動怠速時間，Tc1為一級自動怠速設定時間；

若(pi3-pL)>Δpa，則只須蓄能器出口端壓力與外部負載壓力相適應即可，多余壓力油可供其他回路使用，系統進入二級自動怠速判斷環節；

若(pi3-pL)<-Δpa，則電磁換向閥1接通，電磁換向閥2關閉，電液泵為蓄能器充液，使蓄能器出口端壓力與外負載最大壓力相適應，此時電磁換向閥1關閉，電磁換向閥2接通，使電液泵通過多路換向閥的中位機能卸荷，系統進入二級自動怠速判斷環節；

若-Δpa≤pi3-pL≤Δpa，則蓄能器出口端壓力與外負載最大壓力相適應，系統進入二級自動怠速判斷環節。

電磁換向閥的通斷信號控制策略如下：

當(pi3-pL)<-Δpa時，C1=C2=1；

當(pi3-pL)≥-Δpa時，C1=C2=0。

5.2 二級自動怠速控制策略

二級怠速過程中無需滿足蓄能器出口端壓力與外負載最大壓力相匹配的要求，電液泵的轉速直接降為整機能耗的最低點，實現節能減耗。當系統進入一級自動怠速環節，若自動怠速時間t大于二級自動怠速設定時間Tc2，即當|Δpc|<Δpa且(t-Tc1)≥Tc2時，系統直接進入二級自動怠速環節，控制器通過變頻器調節電液泵的目標轉速nt為450 r/min。

5.3 取消自動怠速控制策略

若|Δpc|≥Δpa，則系統進入正常工作環節，此時由電液泵與蓄能器共同匹配外負載的壓力變化，即由電液泵和蓄能器同時為執行器供油，驅動執行器動作。

由于蓄能器具有吸收壓力緩沖，減小流量脈動的作用，故電液泵供油管道的壓力緩沖及流量脈動可以忽略不計。此時執行器所需流量與電液泵和蓄能器所供流量相匹配，滿足如下關系式：

Qz=Qp+Qa

(16)

式中,Qz—— 執行器工作腔所需流量

Qp—— 電液泵輸出流量

Qa—— 蓄能器輸出流量

6 試驗研究

為了研究并驗證自動怠速系統的節能特性，搭建自動怠速系統試驗平臺如圖15所示。

圖15 自動怠速系統試驗平臺

6.1 分段控制策略試驗

如圖16所示為分段控制策略試驗分布圖。可以看出，自動怠速系統分為一級自動怠速、二級自動怠速和取消自動怠速3個階段。工作過程中系統不僅由先導控制器與計時器控制，而且還須由壓力傳感器實時檢測蓄能器出口端及執行器兩端的油液壓力，依據分段控制策略最終決定系統的工作模式。若整機控制器給先導控制器一個較小的壓力信號，則電液泵開始運轉，并在900 r/min轉速下工作，當第9秒時，取消整機控制器壓力信號，此時執行器停止工作，系統進入自動怠速環節；當在第18秒，即Δt=9 s時，整機控制器發出信號將電液泵轉速降為750 r/min 左右，系統進入一級自動怠速環節；當執行器繼續停止工作30 s，即系統繼續自動怠速30 s，則整機控制器將電液泵轉速降為450 r/min，進一步節能減耗，此時系統進入二級自動怠速環節；當在第54秒，即Δt=45 s時，整機控制器給先導控制器一個較大的壓力信號，則系統取消自動怠速，電液泵恢復至目標轉速。

圖16 分段控制策略試驗分布圖

6.2 系統節能試驗

針對一級自動怠速到二級自動怠速區間段，即t為9～45 s時間段，對系統無自動怠速、發動機-泵組自動怠速及電液泵結合蓄能器自動怠速進行節能試驗研究，油泵消耗能量曲線如圖17、圖18所示。

圖17 油泵消耗能量曲線圖

圖18 油泵45 s后消耗能量曲線圖

由圖17可以看出，無自動怠速系統消耗能量約為40.186 kJ，發動機-泵組自動怠速系統消耗能量約為25.292 kJ，電液泵結合蓄能器自動怠速系統消耗能量約為23.281 kJ，兩種自動怠速系統相較于無自動怠速系統節能效率分別提高了37.1%和42.1%。圖18則可以看出電液泵結合蓄能器自動怠速系統與發動機-泵組自動怠速系統在第45秒時消耗能量非常接近，但可看出隨著時間推移電液泵結合蓄能器自動怠速系統具有更高的節能效率。

7 結論

針對串聯式液壓混合動力汽車自動怠速時的節能減耗問題，提出一種采用電液泵結合蓄能器的自動怠速系統替代傳統發動機-泵組自動怠速系統，通過分析計算電液泵在油溫48 ℃、轉速4000 r/min、壓力30 MPa 時的油隙損耗和總效率，計算結果證明該泵比傳統發動機-泵組有更低的機械損耗和更高的總效率。利用建立的分段控制策略及蓄能器作為應急能源可在短時提供動力的特點，結合所搭建試驗平臺進行了節能試驗研究，結果表明：采用電液泵結合蓄能器的自動怠速系統，在分段控制策略下，比發動機-泵組自動怠速系統的效率提高了5%左右。