液压混合动力公交车动力性能仿真与试验研究.pdf

2 0 1 0年 第3 2卷 第2期 汽车工程 A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g 2 0 1 0 V o 1 ． 3 2 N o ． 2 2 01 0 0 2 0 液压混合动力公交车动力性能仿真与试验研究 木 闰业翠 ， 刘国庆 ， 陈 杰 上海交通 大学机械 与动力工程学院 ， 上海2 0 0 2 4 0 [ 摘要] 将 E Q 6 1 1 0公交车改造为并联式液压混合动力公交车， 基础车的动力系统不作改变， 建立了液压混合 动力公交车模型， 对液压系统独立工作时的驱动和制动性能进行了仿真及实车试验， 为系统的参数匹配提供依据。 采用简化公交循环工况的实车试验表明， 动力性能满足起步和制动要求， 燃油经济性改善达 2 5 ％以上； 另外， 仿真 结果也表明， 动力性能可以满足国家典型公交行驶循环下的起步和制动性要求 ， 制动再生效率达7 0 ％， 燃油经济性 改善达 3 0 ％。 关键词 液压混合动力公交车 ； 动力性能； 燃油经济性； 仿真 ； i i t 验 Re s e a r c h o n Dy n a mi c Pe r f o r ma n c e S i mu l a t i o n a n d Te s t i n g o f a Hy d r a u l i c Hy b r i d Bu s Ya n Ye c u i ．Li u Gu o q i n g Ch e n J i e S c h o o l o fMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， S h a n g h a i J ia o T o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 [ A b s t r a c t ] A p a r a l le l h y d r a u l i c h y b ri d b u s P H H B i s r e fi t t e d f r o m b u s E Q 6 1 1 0 w i th it s p o w e r t r a i n r e m a i - n i n g u n c h a n g e d ．A d y n a mi c mo d e l f o r t h e P HHB i s s e t u p a n d a s i mu l a t i o n o n i t s d r i v i n g a n d b r a k i n g p e r f o r ma n c e w i t h i t s h y d r a u l i c s y s t e m wo r k i n g a l o n e i s c o n d u c t e d a n d c o mp a r e d wi t h r e al v e h i c l e t e s t ，p r o v i d i n g a b a s i s for s y s - t e rn p a r a me t e r ma t c h i n g ．T h e r e s u l t s o f r e a l v e h i c l e t e s t wi t h s i mp l i fi e d b u s d ri v i n g c y c l e s h o w t h a t i t s p o we r p e r - f o rm a n c e me e t s the r e q u i r e me n t s o f s t a r t i n g a n d b r a k i n g w i t h f u e l e c o n o my i mp r o v i n g b y o v e r 2 5 ％ ．I n a d d i t i o n，t h e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n wi t h n a t i o n a l t y p i c a l b us d riv i n g c y c l e a l s o i n d i c a t e t h a t t h e p o we r p e rfo r ma n c e o f PHHB me e t s t h e s t a r t i n g a nd b r a k i n g r e q u i r e me n t s wi th t h e e ffi c i e n c y o f r e g e n e r a t i v e b r a k i n g r e a c h e s 7 0％ a n d f u e l e c o n o my i m p r o v i n g b y u p t o 3 0％ ． Ke ywo r dsh y dr au l i c h yb r i d b u s；po we r p e r f o r ma nc e；f ue l e c o n o m y；s i m u l a t i on；t e s t i n g 日 IJ吾 液压混合动力系统通常是 由传统内燃机和液压 动力元件构成的双动力源混合动力系统 ， 储能元件 为液压蓄能器 ， 动力元件为液压泵或液压泵／ 马达。 液压混合动力系统有串联式和并联式两种典型的结 构 ， 通过制动能再生和优化发动机工作 区间来改善 车辆燃油经济性。国内外积极致力于液压混合动力 车辆的开发 ， 取得了一定的成果 。串联式系统主要 应用于轻、 中型车， 如中型军用车、 包裹递送车和轻 型汽车， 城市工况下节油率 5 0 ％以上； 并联式系统 主要应用于中、 重型车， 如重型军用车、 垃圾 车和公 交车， 工作 中需要频繁起停 ， 平均节油率为 2 5 ％I 1 j 。 国内主要采用并联式混合动力系统 ， 在城市公交车 上进行线路试运行 ， 节油率为 1 5 ％ 一 2 5 ％。 混合动力汽车动力 系统 的参 数匹配是影 响动 力性和燃油经济性 的重要 因素 ， 由系统的动力性要 求和整车控制策略确定。基于汽车驱动力一 行驶阻 力平衡方程式 的方法忽略了汽车起步阶段的动 力学过程 J 。对液压混合动力公交车进行动力性 能仿真及实 车试验研 究 ， 可为 系统参数 匹配提供 依据 。 上海市重点产业技术产学研联合公关项目 沪产学研0 6 3 4 资助。 原稿收到 日期为 2 0 0 9年2月 1 9日， 修改稿收到 日期为 2 0 0 9年5月 1 2日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 0年 第3 2卷 第2期 1 液压混合动力公交车模型 液压混合动力系统的串联式和并联式结构如 图 1 所示。串联式结构的液压混合动力系统更方便于 发动机的管理， 具有更高的燃油经济性， 但要更换传 动机构， 液压系统 中还要采用或增加大排量液压马 达； 并联式液压混合动力系统， 发动机和液压马达可 通过各自的离合器来驱动车轮， 可采用发动机单独 驱动 、 液压马达单独驱动或者发动机 和液压马达混 合驱动 3种工作模式。文中研究的并联式液压混合 动力系统， 结构如图 1 b 所示， 因为基础车辆动力 系统不作改变， 这种结构的液压混合动力系统可用 于新车加装及旧车改造。 a 串联式 图 1 液压混合动力系统 在传统公交车上加装一套液压储能系统 由动 力元件液压泵／ 马达 、 储能元件液压蓄能器和控制单 元构成 和传统公交车的动力系统一起构成双动力 源的并联式液压混合动力系统 。以一辆传统柴油公 交车 E Q 6 1 1 0改造的液压混合动力公交车为研究对 象， 模型只考虑纵 向运动， 汽车行驶在 良好的平直路 面， 未涉及行驶过程中的偏转、 侧倾 、 横 向滑动和垂 直运动 ， 忽略左右轮运动 的差异。系统仿真模 型如 图2 所示。基础车辆模型主要包括汽车动力学、 发 动机 、 驾驶员 、 变速器发动机离合器等子模型 ； 液压 系统主要包括液压蓄能器、 液压泵／ 马达和泵离合器 子模型。 1 ． 1 汽车动力学子模型 由汽车的驱动力一 行驶阻力平衡方程 可得 F 。 F f F F 1 式 中 ， 为驱动力 ， 为滚动阻力 ， 为风阻， ， 为 加速阻力。 2 rwh 压力 ．信 号 l T P I 阀 控翻 ▲ 信号 一 墨 兰 塑 皇 泵／ 马达转矩 图2 并联式液压混合动力系统模型 式 中 Mr ‘ Mr ‘ f 叼 g 7 0 叼 h ， h 10 ” 【 1 ／ 叼 叼 。 叼 h ， 7 1w h 0 其中 T w 为车轮转矩； 为汽车整备质量 ； g为 重力加速度 m ／ s 为轮胎滚动阻力系数； C 。 为风 阻系数 ； A为迎风面积 m ； r w h 为车轮半径 m ； “ 为车速 k m ／ h ； d u ／ d t 为汽车加速度 m／ s ； ， w h 为 车轮的转动惯量 ； ， 为发动机转动惯量 ； ， h 为液压系 统转动惯量； 为传动系统效率。 3 式 中 为发动机提供 的转矩 ； 为液压泵／ 马达提 供的转矩 ； i 为变速器速 比； 。 为主减速器速比。 1 ． 2 发动机子模型 发动机子模型用来计算发动机 的转矩和燃油消 耗量。由发动机的万有特性 图得到 ， 转矩是发动机 载荷 l o a d和转速 n 的函数。车辆制动工况下载荷 为 0 ， 发动机最大转矩对应最大载荷 ， 并使用线性插 值得到所有载荷点的转矩。模型中， 极值和外插点 也可以使用。 发动机的输 出转矩为 l o a d ， n 4 燃油消耗量为制动平均有效压力 P 和转速 n 的函数， 表达式为 ，Q t Ap ， n 。 { P 。 4 T ． ／ 5 【 P 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 o l o V o 1 ． 3 2 N o ． 2 闫业翠， 等 液压混合动力公交车动力性能仿真与试验研究 式中 Q t 为燃油消耗量 ， 为发动机排量 ， P 为发 动机的输出功率。 1 ． 3 液压泵／ 马达子模型 公称流量q 为排量 d 和转速 的乘积， 表达 式为9 d p n 。 6 参考压力 P 是输入压力 P p i． 和输 出压力 P p 叭 n 的 线性组合 ， k 。 为比例系数 ， 有 P k o P p in 1 一k P 7 P为液体密度， 输出流量q ⋯为 g q p ／ p 0 8 1 ． 4 液压蓄能器子模型 液压蓄能器是动态子模型 ， 根据波义尔定律 ， 有 f p Jp o c o ⋯ L P P l i q P g a s 、 ＼ ， 蓄能器蓄能和放能的能量E 为 E fP d 一 [ p o ／ p 1-y 一 1 ] 上 一 1 0 式 中 p和 P 。 为蓄能器当前压力和蓄能器预充气状 态压力， 。 和 为当前气体体积和预充气体体积， p 。i 和p 分别为当前液体压力和气体压力， y为气体 多变指数。 1 ． 5 基本控制策略 一 般情况下， 液压蓄能器中的压力高于最低工 作压力， 汽车 由液压泵／ 马达起步 ， 加速到液压 能释 放至最低工作压力 P 。 ， 发动机起动或由怠速转为驱 动 ， 继续加速或匀速行驶 ， 液压动力系统脱离 ， 维持 空循环工况 ， 汽车需要减速时 ， 汽车制动， 发动机关 闭或维持怠速 ， 汽车惯性动能给液压蓄能器蓄能至 最高工作压力 P ， 若汽车需要继续减速， 原车制动器 起作用 ， 直至停车。综上所述 ， 液压混合动力系统工 作在放能 、 蓄能和空循环 3种模式下 ， 主要根据汽车 的行驶需求 ， 加速或制动工况 ， 以及液压蓄能器的压 力 ， 输出 3个电磁 阀控制信号， 即 、 和 ， 控制 单元还发出发动机和液压动力的离合器信号 e n g i n e mo d e和 c l u p u m p o 2 动力学分析 整车动力学模型与传动系通过驱动轮相联系， 驱动轮的转速和转动角加速度放在整车动力学模型 中求解， 在传动系中视为已知量 。液压混合动力 系统中， 液压 马达和发动机可 以分别独立驱动 ， 制动过程中液压泵／ 马达可以独立制动， 其传动系如 图 3所示。 图3 液压混合动力系统的传动系 图中 为泵／ 马达的理论转矩 ； 。 为泵／ 马达 的转矩损失； T o ． 为泵／ 马达输出到变速器或变速器输 入到 马达的转矩； 为发动机输出到变速器的转 矩 ； ， f 为变速器从输出轴一侧看的转动惯量 ； 为输 出轴角速度； i 为变速器到车轮的传动比； i 。 为泵到 变速器的传动比； ， 为车体和轮胎在车轮轴上的等 效转动惯量； 为车轮角速度； T r 为阻力矩。 2 ． 1 液压系统独立驱动 在车辆起步时， 液压蓄能器能量在工作范围内， 优先采用液压动力起步。发动机离合器断开 ， 泵／ 马 达离合器接合。液压泵／ 马达通过变速器将动力传 递至车轮 ， 驱动车辆起步。如图 3所示 ， 系统的动力 学方程为 f p t p p l ， 1 1 、 【 i ／ i p T w h ， f ， v 2 ． 2 液压系统独立制动 在车辆制动的过程中， 液压蓄能器能量在工作 范围内， 优先采用液压动力系统制动。发动机离合 器断开， 泵／ 马达离合器接合。液压系统产生的制动 阻力通过变速器传递至车轮， 使车辆减速。如图3 所示 ， 系统的动力学方程为 f ⋯ 、 【 i ／ i r r 一， l 一 ， v 2 ． 3 发动机独立驱动 当蓄能器能量不在工作范围内， 发动机独立驱 动车辆行驶。如图 3所示 ， 系统的动力学方程为 』 t T o T o e 1 3 【 h I t L 动力性能仿真与实车验证 汽车的动力性主要可由3方面的指标来评定 1 汽车的最高车速； 2 汽车的加速时间； 3 汽车 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 6 汽车工程 2 0 1 0年 第 3 2卷 第 2期 的最大爬坡度 J 。文中所研究的并联式液压混合动 力公交车， 对基础车的动力系统没做任何改变， 同时 可以自动控制动力的切换， 发动机和液压泵／ 马达都 可独立驱动 ， 动力性能维持原车的水平 ， 所 以液压混 合动力公交车动力性能仿真主要研究液压动力独立 起步和制动性能。研究液压驱动的起步能力， 意义 在于提高燃油经济性和改善排放。公交车制动、 起 步频繁 ， 在起步工况下燃油经济性和排放最为恶劣 ， 液压混合动力系统将回收的制动能用在公交车起步 的工况下 ， 由液压系统独立驱动车辆起步 ， 将获得整 车最佳的燃油经济性。 3 ． 1 液压系统独立起步性能仿真 公交车平地情况下多为 Ⅱ挡起步， 爬坡情况下 采用 I 挡。液压系统 的驱动力通过变速器传递， 在 起步或爬坡时同样可采用切换大速 比挡位 的方法获 得较大的驱动力。液压混合动力系统主要参数如表 l所示 表 1 液压混合动力系统主要参数 柴油发动机 V 6 ， 7 ． 8 L ， 1 9 9 k W／ 2 2 0 0 r mi n 一 1 2 8 k W， △ P 3 5 MP a 液压泵／ 马达 4 4 7 N m， 卸 3 5 MP a 公称容量 6 3 L 液压蓄能器 额定压力 3 1 ． 5 MP a 手动变速器 传动比 6 ． 7 6 5 ／ 3 ． 7 9 4 ／ 2 ． 2 6 ／ 1 ． 4 2 4 ／ 1 满载总质量 1 5 5 0 0 k g 仿真车辆满载情况下的液压起步性能试验以不 同压力标识蓄能器中所存能量的多少来进行液压混 合动力公交车的起步能力仿真 ， 蓄能器的工作压力 范围为 1 0～3 0 M P a ， 起步时液压 蓄能器的初始压力 分别设为 l 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 b l P a ， 1 I 挡起步结果如图 4所 示。从表 2中可看到 ， 3 0 MP a 、 2 0 s 时 ， 车辆起步速度 达到 6 ． 6 8 m ／ s 2 4 k m ／ h 。液压动力起步 可在不 同 压力到达不同的车速 ， 参考文献 [ 5 ] 规定的城市 客 车试验循环， 换接发动机驱动时可换人较经济的挡 位运行。在动力满足路况要求的前提下， 液压动力 起步还可采用Ⅲ挡起步， 在某些情况 下依然可满足 时间／ s 时间／ s l 5 ，I P ⋯ ⋯ 2 0 M P a ⋯一2 5 ，I P a ⋯ - - 3 0 h ，I 】 P a 图4 液压系统 Ⅱ挡起步能力仿真 起步要求。在液压起步的过程 中， 根据动力 的要求 还可换挡 。 表 2 液压系统 1 1 挡起步性能 初始压 加速 最大速度／ 适合发动 力／ MP a 时间／ s k m h一 机挡位 l 5 l 5 ． 1 1 1 Ⅲ 2 0 1 9 ． 1 l 7 Ⅳ 2 5 l 9 ． 9 2 l V 3 0 2 0 2 4 V 以最 大工作 压力 为 初始 压力 ， 在 3 0 ％的坡道上进行坡 道起步能力试验 ， 结果如 图 5 所示 ， 液压独立起步 ， 在 3 0 ％ 的坡道 上可 以驱 动车辆行 驶 4 1 m， 运行时间为 1 7 s 。坡道起 步能力 为汽车能够 在坡道 上 起动且 1 mi n内向上行驶 至少 1 0 m的最大坡度 。 图5 液压动力坡道 起步能力仿真 3 ． 2 液压系统独立制动性能仿真 基础车制动系统保 留， 液压系统独立制动性能 实际上是车辆的缓速性能。在不同蓄能器容量、 液 压泵／ 马达排量、 初始压力 、 制动挡位 和制动初速度 下 ， 分别进行液压动力制动性能仿真 ， 通过车速曲 线、 制动距离及制动时间 ， 研究制动性能及制动能量 回收效果。 以 1 0 m／ s 的初速度制动， 不同初始压力下制动 仿真曲线如图6 所示。初始压力越大， 制动力越大， 制动时间和距离减小， 但蓄能量减小； 初始压力小， 制动开始时的制动力也小 ， 但蓄能量增加。初始压 姜 瑚 * 瘩 橱 芷 酱 一 l 0 a ⋯-1 5 MP a ⋯ ⋯ 2 0 a 图6 液压系统不同初始压力下制动 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 闫业翠， 等 液压混合动力公交车动力性能仿真与试验研究 9 7 力为 1 5 MP a时， 制动时间为 1 3 s 时 ， 制动减速度约为 0 ． 5 m ／ s ， 制动距离为 1 0 3 m 。在国家典型公交循 环 。 中， 平 均减 速 度 为 0 ． 4 2 m ／ s ， 减速 度 为 0～ 0 ． 5 m ／ s 的概率为 6 8 ％。 以 l O m ／ s的初速度制动 ， 不 同挡位下制动仿真 曲线如图7所示。传动比越大 ， 则制动力越大， 制动 时间越短 ， 制动距离越小， 但 速 比太大时 ， 泵超高速 运转 ， 对液压系统使用不利。应选择适 当挡位 ， 传动 效率和制动力都比较适合。不同初始车速下的制动 仿真曲线如图8 所示。初始速度越高， 减速度越大， 由于蓄能器容量有限， 速度较高时， 蓄能器已经蓄 满， 将 由原 车制 动 装 置 继 续 制 动。初 始 速 度 为 1 1 ． 8 m ／ s时蓄满。在 国家典型公交循 环 中， 初始 速度小于 1 1 ． 8 m ／ s 的概率占 8 3 ％， 可将制动能全部 回收。 乏 * g * 暑 褪 强 时间／ s 时间／ s 一 1 1 挡⋯一 Ⅲ挡⋯Ⅳ挡⋯ V挡 图7 液压系统不同挡位下制动 鲁 褪 蓉 图 8 液压系统不同初始车速下制动 3 ． 3 动力与燃油经济性实车验证 液压系统独立驱动 ， 平地 Ⅱ挡起步试验结果如 图9和表 3所示。对 比表 3与表 2中的数据可知， 抖 窨 褪 蓉 。 。 1 5 MP a。 。 - 2 0 M P a- - - - - 2 5 M P a-- - - 3 0 M P a 图9 液压系统1 I 挡起步性能实车试验 由于在实际试验中蓄能器随着压力的增大泄漏量增 大， 造成能量的损失， 其加速时间和最大速度值都偏 小， 而且误差随初始压力的增大而逐渐增大。 表 3 液压系统 Ⅱ挡起步性能实车试验 初始压 加速 最 大速度／ 时间 速度误差／ 力／ MP a 时间／ s k m ． h 一 误差／ s k m ． h一 1 5 1 5 l l 一0 ． 1 O 2 0 1 6 ． 8 1 6 2 ． 3 一I 2 5 1 6 ． 9 1 7 3 一d 3 0 l 5 ． 6 1 9 ． 2 4 ． 4 4 ． 8 由于国家典型公交工况总行驶里程较长， 道路 试验困难， 取近似的平均公交工况制订了三循环的 简化公交工况， 如 图 1 0所示 ， 在液压混合动力 系统 能够满足循环工况的前提下， 进行燃油经济性 的实 车道路试验 ， 由于是实际道路试验和人工操作 ， 结果 取其平均值， 燃油经济性改善达2 5 ％以上。 菩 拂 ∞ 漂 时间／ s 传统动力 ⋯ 液压混合 图 l 0 燃油经济性实车道路试验 3 ． 4 典型公交循环下的动力与燃油经济性仿真 国家典型城市公交循环 更全面地体现 了实际 公交工况的特点， 但运行时间和里程较长， 不易实行 实车道路试验。通过研究对象在仿真环境下运行， 验证液压混合动力公交车在国家典型城市公交循环 下的动力性和燃油经济性 。 如图 1 i所示 ， 液压动力独立起步 ， 然后切换为 发动机运行 ， 速度误差在 - t - O ． 1 5 m ／ s 约 - I- 0 ． 5 k in ／ h 之内， 切换加速度在 3 m／ s 之 内， 切换平稳 。制动 能占驱动能的 4 3 ％， 制动再生效率为 7 0 ％。仿真证 明 ， 液压混合动力系统对基础车辆的燃油经济性改 善达 3 0 ％。 4 结论 针对并联液压混合动力公交车的结构特点和控 制策略， 传统公交车动力系统保持不变 ， 液压动力系 下转第 1 0 2页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 2‘ 汽车工程 2 0 1 0年 第 3 2卷 第2期 上接第 9 7页 0 I 3 0 ．2 0 ． 1 一0 ． 0 。0 ． 2 ．0 _ 3 ∞ 曩 时间， s 时间／ s 图1 1 公交典型工况下动力与燃油经济性仿真 统工作在车辆制动和起步阶段， 不影响整车的动力 性能和制动性能， 增加液压动力系统起步和制动的 几率可以提高其对传统公交车燃油经济性的改善。 仿真和试验证明， 液压动力起步的加速度可以达到 国家典型公交工况的起 步动力性能要求 ， 动力切换 平稳 ， 制动再生效率达 7 0 ％。简化公交行驶循环下 试验证明， 燃油经济性提高 了 2 5 ％ ； 中国典型城市 公交循环下仿真证明， 液压混合动力系统对传统公 交车的燃油经济性改善为 3 0 ％。 参考文献 G l e n n R We n d e 1 ． H y d r a u l i c H y b ri d T e c h n o l o g y R e v i e w [ C] ． Mi c h i g a n Cl e a n F l e e t Co n f e r e n c e， 2 0 0 7． 余志生． 汽车理论 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 9 ． 秦大 同， 舒红 ， 胡建军 ， 等． 轻度混合动力汽 车动力性能仿真及 动力系统参数匹配研究[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 4 ， 4 0 2 7 8 8 2． 杨得军 ， 林柏忠 ， 郭学立 ， 等． 汽车动力传动 系实时动力学仿真 模型[ J ] ． 汽车工程 ， 2 0 0 6， 2 8 5 4 3 0- 4 3 2 ， 4 4 2 ． G B ／ T l 2 5 4 5 1 9 9 O 汽车燃料消耗量试验方法[ S ] ． 1 9 9 0 ． G B ／ T 1 8 3 8 5 --2 0 0 5 电动汽车动力性能试验方法[ S ] ． 2 0 0 5 ． G B ／ T 1 9 7 5 4 --2 0 0 5重型混合 动力电动汽车能 量消耗量试验方 法[ S ] ． 2 0 0 5 ． s ．要 卅 ⋯ ⋯ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m