并聯式液壓混合動力公交車能量管理控制策略研究
2022-04-19 07:25:28王紅敏王記磊
液壓與氣動 2022年4期
王 戈， 楊 坤， 馬 超， 王 杰， 王紅敏， 王記磊
(1.山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255000； 2.山東理工大學 機械工程學院， 山東 淄博 255000；3.廣東省珠海市質量計量監督檢測所，廣東 珠海 519060)
引言
隨著能源短缺、環境污染兩大問題日趨嚴重，提高車輛燃油經濟性并降低尾氣中污染物的排放尤為重要，而混合動力技術因具有提高經濟性和降低排放的優點成為研究的熱點[1]。
液壓混合動力系統作為混合動力技術的一種方案，將發動機與二次元件(液壓泵/馬達)組合在一起，可實現單獨或混合驅動車輛[2]。相對于油電混合動力系統，液壓混合動力系統具有功率密度大、清潔等特點[3]，且液壓混合動力系統具有提高車輛燃油經濟性、減少汽車尾氣排放等優勢[4]。液壓混合動力系統分為串聯式、并聯式、混聯式三種方案。串聯式結構簡單，車輛驅動功率全部來自液壓泵/馬達，能量需要經過多次轉換，效率較低；混聯式結構相對復雜，控制方式多變難控，制造成本高；并聯式混合動力系統包含兩個動力源，通過控制策略，協調雙動力源工作，實現液壓單獨驅動、發動機單獨驅動、混合驅動、制動能量回收等模式[5-6]。液壓混合動力汽車液壓元器件成本較低，且日常維護維修費用較低，保值率較高。對比趙鑫所優化的油電混合動力系統汽車，液壓混合動力系統汽車節油約1.71 L/100 km，且降低了尾氣中污染物的排放[7]。劉洋針對液壓混合動力系統汽車中存在燃油經濟性較差和制動能量回收率低的問題，提出了一種適用于液壓混合動力車能量管理控制策略[8]。張丹丹采用2個蓄能器代替1個蓄能器的方案，結果顯示低速制動時制動性能顯著提高，高速制動有效提高能量回收率[9-10]。陳有權通過NSGA-Ⅱ算法對液壓混合動力系統參數進行優化，使得優化后的液壓混合動力汽車的燃油消耗損失率最低為3.5%，同時也提高了整車的動力性能[11]。丁靜通過仿真分析二次元件(液壓泵/馬達)與發動機的能量輸出，結果表明對于不同載荷、不同車速下的工程車節油效果都比較理想，根據實車運行結果顯示，該系統節油率為31.25%[12]，綜上所述，學者們主要在液壓混合動力車的構型、改變蓄能器數量、參數優化以及能量管理等方面進行了研究。但是如何基于復合蓄能器的壓力情況，實現工作模式切換的控制策略研究較少。
針對城市公交車以上問題，基于并聯式液壓混合動力公交車構型，提出一種基于邏輯門限值的能量管理控制策略，通過MATLAB/Stateflow搭建基于邏輯門限值的控制策略，通過AMESim搭建雙動力源模型，基于中國典型城市公交循環工況對車輛經濟性以及尾氣排放情況進行仿真驗證，結果顯示，液壓混合動力公交車節油效果明顯，且尾氣排放量明顯減少。為解決城市公交車存在的問題提供一定借鑒。
1 并聯式液壓混合動力系統原理
并聯式液壓混合動力系統包括發動機、變速器、液壓泵/馬達、液壓泵、轉矩耦合器、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，系統結構原理圖如圖1所示。
圖1 并聯式液壓混合動力系統結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of parallel hydraulic hybrid power system structure
該系統的特點為在低速區間液壓系統作為唯一動力源驅動車輛，在中速區間液壓系統不參與工作，在高速區間由液壓系統和發動機雙動力源共同驅動車輛，以減少發動機在非經濟區域的工作時間，從而提高車輛燃油經濟性，且降低尾氣中污染物的排放量。
如圖1所示，在啟動車輛時，高壓蓄能器出口處的電磁閥開啟，壓力油帶動泵/馬達1內的葉片轉動，將動力經離合器2、轉矩耦合器傳遞給驅動橋，從而驅動車輛；達到設定車速時，切換為發動機單獨驅動模式，離合器1接合，離合器2、3斷開；車輛加速或爬坡時，液壓泵/馬達作為輔助動力源，離合器1、2、3都接合，共同驅動車輛。制動時，離合器1斷開，若高壓蓄能器壓力未達到最大值，則離合器2接合，離合器3斷開，泵/馬達1將高壓油壓入并存儲在高壓蓄能器中；若高壓蓄能器壓力達到最大值，且低壓蓄能器壓力未達到最大值，離合器1、2斷開，離合器3接合，泵/馬達2將壓力油泵入低壓蓄能器中。
2 參數匹配
基于表1所示的整車參數對液壓泵/馬達、轉矩耦合器以及復合蓄能器進行參數匹配。
表1 整車參數Tab.1 Vehicle parameters
2.1 液壓泵/馬達參數匹配
液壓混合動力系統中的能量轉化元件為液壓泵/馬達，不僅對整車的制動能量回收率有影響，且對整車的動力性能有一定的影響[13]。液壓泵/馬達為可逆二次元件，以馬達模式工作時，蓄能器內壓力油帶動馬達葉片旋轉，將動力通過轉矩耦合器傳遞給驅動橋，從而驅動車輛；當二次元件(液壓泵/馬達)以泵模式工作時，用于制動能量回收，通過二次元件(液壓泵/馬達)將車輛動能轉化為液壓能儲存在蓄能器內。
液壓泵/馬達單獨驅動車輛時的轉矩為：
(1)
式中，Tp/m—— 液壓泵/馬達的輸出轉矩
η—— 傳動系統機械效率
ib—— 轉矩耦合器速比
i0—— 主減速器速比
Ft—— 車輛驅動力
r—— 車輪的滾動半徑
則液壓泵/馬達的輸出功率為：
(2)
式中，ωp/m—— 液壓泵/馬達的轉速，r/min
ωa—— 車輪的轉速，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/馬達的輸出功率為：
(3)
車輛以最高車速vmax在平直路面上行駛時，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，二次元件的輸出功率為：
(5)
兩者輸出功率較大值為液壓泵/馬達最大輸出功率即：
Pmax=max[Pp/m,1,Pp/m,2]
(6)
2.2 轉矩耦合器傳動比匹配
轉矩耦合器用來協調兩動力源轉矩的輸出，其速比選擇應滿足任意時刻二次元件的轉數不超過許用的最高轉數的要求，即：
(7)
式中，ib為轉矩耦合器傳動比
2.3 復合式液壓蓄能器參數匹配
液壓蓄能器在該系統中用于儲存能量以及制動能量回收。主要參數有充氣壓力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對應的氣體體積，L
V2——p2對應的氣體體積，L
n—— 多變指數，無量綱，整個過程為絕熱過程，n取1.4
C—— 常數
蓄能器最低工作壓力p1應保證液壓泵/馬達的單獨驅動能力，即：
(9)
根據經驗公式，p1與p2夠滿足關系式p2≤3p1，且最高工作壓力p2不得大于液壓泵/馬達的最高工作壓力，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。
根據制動時能量平衡方程匹配蓄能器容積，汽車在平直路上行駛制動時，能量平衡方程為：
(11)
E1=Gfs
(12)
(13)
(14)
式中，v1—— 車輛在t1時刻的速度，km/h
v2—— 車輛在t2時刻的速度，km/h
E1—— 滾動阻力損失的能量，J
E2—— 回收的能量，J
E3—— 空氣阻力損失的能量，J
S—— 制動距離，m
v0—— 車輛制動初速度，km/h
a—— 車輛制動減速度，m/s2
通過上述公式進行參數匹配，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，其參數如表2所示。
表2 蓄能器參數Tab.2 Accumulator parameters
3 控制策略
基于AMESim與MATLAB聯合仿真平臺，搭建邏輯門限值的能量管理控制策略模型，應用狀態機實現工作模式的切換，其工作模式分為液壓單獨驅動、發動機單獨驅動、混合驅動及制動能量回收等模式。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為發動機提供的轉矩，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/馬達所能提供的轉矩，Th為高壓蓄能器為泵/馬達所能提供的轉矩，Treq為汽車需求轉矩。基于需求扭矩判定車輛運行狀態，若Treq>0，為驅動狀態，為使液壓系統在低速區間代替發動機工作，即設定三種速度區間：0≤v≤5.4 km/h、5.4
根據制動強度的不同，設置輕度制動、中度制動及緊急制動三種判定規則。輕度制動指制動強度小于0.1，即z<0.1；中度制動指制動強度大于0.1且小于0.6，即0.1
4 仿真分析
4.1 仿真平臺搭建
在系統構型與參數確定后，通過AMESim軟件搭建并聯式液壓混合動力公交車模型，基于MATLAB搭建控制策略，在AMESim中通過SimuCosin接口與MATLAB建立連接，在MATLAB中通過AME2SLCoSim模塊與AMESim建立連接，通過MATLAB/Simulink/Stateflow狀態機切換工作模式，AMESim與MATLAB聯合仿真平臺模型如圖3所示。
圖3 聯合仿真平臺模型Fig.3 Co-simulation platform model
4.2 經濟性分析
本研究基于中國典型城市公交循環工況[14]，對并聯式液壓混合動力公交車構型的經濟性及控制策略進行驗證與分析，仿真結果如圖4～圖6所示。
由圖4可知，通過對控制策略的驗證，實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，車輛處于停車充能狀態，在t=0時， 高壓蓄能器壓力由15 MPa增加到32 MPa，同時，低壓蓄能器壓力由3 MPa增加到8.2 MPa， 3 MPa為低壓蓄能器預充壓力，該壓力值不屬于低壓蓄能器工作范圍。
圖4 系統仿真圖
在車輛加速時蓄能器壓力下降，蓄能器內壓力油釋放，蓄能器作為動力源進行驅動，此時蓄能器內氣體體積增大，且蓄能器內氣體體積隨油壓升高而減小；車輛停車為蓄能器保壓階段，此時蓄能器內所充氣體體積無變化；車輛制動為蓄能器的升壓階段，進入制動能量回收模式，隨著油液壓力的升高，蓄能器內氣體壓力隨之升高，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，在中國典型城市公交循環工況下，液壓混合動力公交車與傳統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%，可見該液壓混合動力系統節能效果較明顯，能夠有效減少車輛燃油消耗量，從而提高車輛經濟性。從圖5中看出，在30～200 s內液壓混合動力公交車燃油消耗量比傳統燃油公交車高，高、低壓蓄能器存在預充氣壓，該氣壓由發動機提供，在車輛起步時，導致油耗升高，在圖中表現為t=30 s時，液壓混合動力公交車與傳統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 液壓混合動力公交車與傳統燃油公交車燃油消耗量Fig.5 Fuel consumption of hydraulic hybrid bus and conventional fuel bus
針對整車在空載、半載、滿載三種載質量變化情況對燃油消耗量進行對比分析，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，液壓混合動力公交車百公里燃油消耗量比傳統燃油公交車低。
圖6 不同負載下油耗對比圖Fig.6 Comparison diagram of fuel consumption under different loads
按照液壓混合動力公交車仿真數據，傳統公交車油耗按照28 L/100 km計算，則液壓混合動力公交車節約燃油6.81 L/100 km，且隨著里程數的增加，液壓混合動力公交車省油效果更為顯著。
4.3 尾氣排放分析
如圖7為液壓混合動力公交車與傳統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%，碳氫化合物排放量減少了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，液壓混合動力公交車尾氣排放低于傳統燃油公交車，由于液壓系統作為唯一動力源驅動車輛，避免了發動機啟動時油氣燃燒不充分的問題，這會大大減少尾氣排放量。
圖7 液壓混合動力公交車與傳統燃油公交車尾氣排放量Fig.7 Exhaust emissions of hydraulic hybrid buses and traditional fuel buses
5 結論
本研究以復合蓄能器并聯式液壓混合動力公交車為研究對象，從搭建雙動力源模型、整車參數匹配校核、制定控制策略及仿真驗證四個方面開展研究。
(1) 基于復合蓄能器并聯式液壓混合動力公交車構型，完成對液壓泵/馬達、復合式蓄能器、轉矩耦合器傳動比的匹配，通過AMESim搭建了雙動力源公交車模型；
(2) 針對發動機在低速區間燃油不充分導致經濟性變差問題，提出了一種基于邏輯門限值的能量管理控制策略，設定不同速度區間，通過車輛所處速度區間切換工作模式，而在高壓蓄能器優先制動能量回收條件下，其壓力達到最高工作壓力時，該策略實現將剩余制動能量回收到低壓蓄能器中，以進一步提高制動能量利用率；
(3) 基于AMESim與MATLAB軟件，搭建了聯合仿真平臺，對經濟性及排放情況進行仿真驗證及分析。仿真結果表明：在中國典型城市公交循環工況下，液壓混合動力公交車較傳統燃油公交車燃油消耗量減少了31.2%，節油效果明顯，可有效提高車輛經濟性；在不同載質量下，且隨著里程數的增加，液壓混合動力公交車省油效果更為顯著。同時，在低速區間液壓系統代替發動機工作，使尾氣中污染物排放量大大降低。為解決液壓混合動力城市公交車存在的問題提供了思路。
