液驱混合动力车辆动力源储能元件匹配优化研究

李翔晟 陈 斗 李 晓

1.中南林业科技大学，长沙，410004 2.湖南铁路科技职业技术学院，株洲，412000 3.山东信息科技职业技术学院，潍坊，261061

0 引言

节能与环保是汽车工业可持续发展的永恒主题，由于液驱混合动力车辆的储能元件——液压蓄能器较蓄电池在能量充放效率和时效性以及功率密度和比功率等方面具有明显优势，尤其是对启停频繁的行走机械和循环工况的执行机构更具优势，同时蓄能器能快速实现能量再生转换，具有明显的节能效果，因此液驱混合动力传动也越来越受到关注。液驱混合动力车辆采用液压储能传动和二次调节技术，这种动力传动系统由于蓄能器的加入使得其与传统车辆的工作方式有很大的不同，主要表现在动力源的工作方式基本与负载无关联，即液压泵的输出流量与液压马达的流量没有直接的耦联关系，两者之间的流量差，将直接流入或流出蓄能器（蓄能或释能），这样动力源可在一个相对经济稳定的工作区工作，减少瞬态工况，降低燃油消耗和排放［1－4］。

在国外，尤其是美国，在液驱混合动力车辆及能量管理策略方面的研究较为全面深入，一些研究成果已在实际中得到应用，如UPS的送货车。美国环保署和美国伊顿公司联合进行的试验测试表明，其国内研制的液驱混合动力车辆的燃油经济性改善率一般高达30%～60%［5］。德国的M.A.N公司、日本的Mitsubishi公司和英国的Ricardo公司都开发研制过液压混合动力车辆。其样车的试验测试也表明其燃油经济性较传统车辆提高25%～34%［6－7］。在国内，液驱混合动力车辆的研究主要集中在哈尔滨工业大学、上海交通大学 、北京理工大学、华南理工大学和南京理工大学等一些高校以及上海交大神舟、嘉捷博大和北京创世奇科技公司等研究机构和单位［8－11］。其研究主要集中在制动能再生和二次调节技术，对动力源方面的匹配研究还涉及得不够深入。本文以改善燃油经济性为研究目标，利用动力源运行规则假设及优化对其储能元件——蓄能器进行匹配优化分析，并通过城市和公路循环工况对使用不同容积蓄能器车辆的燃油经济性改善率进行仿真分析，探讨其对车辆燃油经济性的影响。

1 液驱混合动力车辆动力源系统简化模型

为了说明能量流关系，将液驱混合动力车辆系统简化为图1所示的模型，其中发动机、液压泵和液压蓄能器组成液驱混合动力车辆的集成动力源。图1中显示了每个组件之间的功率流和相关的效率，其中正向能量流指流入蓄能器的能量，逆向能量流指流出蓄能器和车辆减速或制动反馈的能量。忽略蓄能器到连接点A的压力损失和液压油箱压力变化影响，对节点A列功率平衡方程：

式中，Pacc为蓄能器功率；Pp为液压泵功率；Pp／m为二次元件（泵／马达）功率。

图1 动力源系统简化模型及能量流

2 动力源运行初始规则假设

为了便于后面的叙述，先定义蓄能器的充液状态SOC（state of charge of the accumulator）：

式中，Qacc为流入蓄能器的流量，Qacc＝Qp／m＋Qp；V0为蓄能器的初态容积；Vacc为蓄能器的最大储能容积；βp／m、Vp／m，max、np／m、ηmv分别为液压泵／马达排量比、最大排量、转速和 容积效率；βp、Vp，max、np、ηpv分 别为液压泵 的排 量比、最大排量、转速和容积效率。

为了分析蓄能器容积大小对动力源性能和燃油经济性的影响，需先确定某种运行初始规则假设。动力源的工作特性和经济性与动力源的运行方式有关，为了探讨它们之间的关系需确定其基本运行规则。初始规则确定主要依靠4个基本工作参数和发动机两种状态假设。4个基本参数分别取发动机启停点蓄能器的充液状态SOC，即SOC上下限阈值；发动机在蓄能器SOC上下限阈值之间的工作状态或在此SOC阈值内发动机以某种稳定功率工作的阈值功率；SOC上下限阈值差（带宽），即发动机启停点对应的SOC变化范围。发动机的两种状态假设是指当达到SOC上限后，发动机是停机，还是怠速。

在确定初始规则时，以蓄能器的充液状态和车辆行驶平均功率需求为控制参数调节发动机的输出功率，发动机的工作区域为在所有功率需求下对应的等功率线低油耗率区，液压泵可通过排量或转速控制模式，保持其在希望的条件下工作。初始规则假设的基本思想如图2所示，假设发动机的启停点SOC阈值分别设置为40%和55%，则SOC带宽为15%，发动机在带宽内以某一阈值功率稳定运行（如最大功率的40%）。

图2 蓄能器的充液状态与发动机的工作状态

根据图2假设，当蓄能器的充液状态SOC在0～10%范围内时，发动机以最大功率在高效率区工作，随着蓄能器充液状态SOC的增大，发动机输出功率逐步降低；当SOC在40%～55%范围内变化时，发动机在高效率区以阈值功率稳定运行，则维持蓄能器的一定的充液状态；如果预测下一循环是加速，则维持SOC接近高阈值点以便满足加速需要；如果预测下一循环是制动，则维持SOC接近低阈值点以便满足回收制动能需要；当SOC大于55%（SOC阈值上限）时，发动机可关机或怠速，这两种状态的选择，除考虑燃油经济性外，还要考虑车辆附件运行的需要；当SOC小于40%（SOC阈值下限）时，若发动机处于关机，启动发动机工作，以阈值功率运行，若此时不能满足需求功率，则增大发动机输出功率，且运行在低油耗区，若有富裕能量则向蓄能器充液，直到蓄能器SOC阈值达到上限为止。

3 基于初始规则假设的不同容积蓄能器对燃油经济性的影响

以表1参数为基础，根据城市循环试验工况和公路工况对选用的不同容积大小的液压蓄能器进行性能仿真计算，结果如表2所示。图3所示为城市循环试验工况。图4所示为城市循环试验工况下蓄能器充液状态的变化。

表1 计算用主要参数

表2 不同容积蓄能器的车辆特性

图3 城市循环试验工况图

图4 蓄能器充液状态变化

根据表2的城市循环工况，在运行初始规则假设下，选用63L容积的蓄能器的燃油经济性改善率优于40L和80L容积的蓄能器；由图4可知，容积为40L的蓄能器在第一个制动工况结束前，SOC就达到100%，此时车辆制动能约为1.0610MJ（制动车速为50km／h），蓄能器回收的制动能最大约为0.439 819 55MJ，若要继续使用液压马达制动回收能量，只能实行溢流，需要使用摩擦制动，制动能损失约58.51%，制动能回收利用比63L容积蓄能器要少；另外，在同一阈值（如充气压力、最高压力和阈值功率）工作条件下，动力源的能量利用率较容积为63L蓄能器的能量利用率要低一些，比因其质量轻减少的能量消耗要多，因而总体上看，使用40L容积蓄能器的燃油经济性改善率较使用63L容积蓄能器的燃油经济性改善率要稍低一些；采用80L容器的蓄能器能全部回收制动能量，但因其质量较63L容积的蓄能器增加约26%，故由容积蓄能器总负载增加而引起的燃油经济性改善率较63L容积的蓄能器要低一些。另外，在同样充液状态下，大容积蓄能器比小容积蓄能器消耗的充液功率要多。在城市工况下，基于初始规则假设计算的容积为40L的蓄能器的燃油经济性改善率比基于容积为63L和80L的蓄能器的燃油经济性改善率要低一些，主要是由于规则制约了动力源能量的利用，通过规则优化，其燃油经济性可得到进一步改善。

在公路循环试验工况下，车辆行驶制动工况较少，发动机运行在低油耗区，显著减少了城市工况下启停转换次数多和经常处于工作状态的情况。这里需要指出的是，在相同阈值工作条件下，较小容积的蓄能器具有较高的充液状态、比能量和循环效率，因而选用容积为40L的蓄能器较容积为63L和80L的蓄能器的燃油经济性改善率要高一些。

另外，由表3可知，蓄能器的容积大小对车辆的加速性能几乎没有影响，原因是蓄能器具有非常高的比功率，能在很短时间内提供加速所需要的瞬时大功率，其容积大小的影响可忽略不计。提高发动机阈值功率或发动机工作SOC阈值下限，以及提高蓄能器充液状态或由发动机提供车辆持续加速功率，都能进一步改善车辆的加速性能，降低其燃油消耗率。

4 基于初始规则优化的不同容积蓄能器对燃油经济性的影响

在确定的动力源运行规则下，发动机启停对应的SOC阈值、阈值功率和SOC带宽的选择，对于动力源的工作周期和燃油经济性的改善有着重要的影响。为了得到这些参数的最佳值，以城市循环试验工况为依据，在不同阈值条件下对燃油经济性进行仿真，其结果如图5、图6所示。由图5、图6可知，在确定的规则条件下，当阈值功率为25%、发动机停机启动工作对应的SOC阈值（下限）为30%、发动机恒值功率（阈值功率）工作的SOC带宽为10%，即发动机停机对应的SOC阈值（上限）为40%时，动力源的燃油经济性改善率最优。由表2可知，本文优化规则下的城市循环试验工况的燃油经济性改善率比优化前提高约3.45%～5.85%，达到27.16%。不同容积蓄能器的燃油经济性改善率比较如表3所示。

图5 燃油经济性改善率随阈值功率的变化

图6 燃油经济性改善率随SOC循环带宽的变化

表3 燃油经济性改善率对比

5 基于动态规划算法的不同容积蓄能器对燃油经济性的影响

利用动态规划算法对使用不同容积蓄能器的城市循环工况和公路工况进行优化仿真计算，其结果如图7～图18所示。图8为城市工况下液压马达排量变化。图9、图10为不同容积蓄能器充液状态和功率需求变化。图11～图13为城市循环试验工况。图15～图17为公路试验工况。图14、图18分别为城市工况和公路工况下液压泵和液压马达排量的变化。

图7 城市循环试验工况

图8 液压马达排量比的变化

图9 不同容积蓄能器的充液状态

图10 不同容积蓄能器的功率变化

由图9可见，在0～20s和120～165s期间，车速为0，液压马达输出功率也为0，发动机的输出功率用于给蓄能器充液，为下一个加速阶段准备充足的能量，若要使蓄能器达到或恢复到同样充液状态（压力），容积为40L的蓄能器所需的功率比容积为63L和80L的蓄能器所需的功率要少。根据式（1）可知，达到同一充液（压力）水平，小容积蓄能器所需的功率更小，发动机消耗的燃油更少，故燃油经济性改善率较高。与此相似，容积为63L的蓄能器比容积为80L的蓄能器的燃油经济性改善率要好。另外，图9中容积为40L的蓄能器在第315s时还有一次向系统输出能量的过程，减少了发动机的功率输出，同时为回收后面的制动能提供了足够的容积，因此，使用容积为40L的蓄能器的总的燃油经济性改善率较高。

图11 城市循环工况的蓄能器充液状态

图12 发动机和蓄能器的功率变化

图13 城市循环工况需求的功率

由图15、图16和图18可知，在公路工况循环试验开始和结束时的蓄能器充液状态在80%，其他阶段都小于80%。公路工况主要由发动机提供车辆行驶所需的能量，液压泵经常工作在接近最大排量的高效率区；另外，在公路工况制动工况少，需要回收的能量少，发动机没有城市工况启停机次数多，经常处于工作状态，并运行在低油耗区，车辆需求功率也小；蓄能器充液状态较低，液压泵的排量可以接近最大，以便保证液压泵总能以高效率运行。使用小容积蓄能器除比能量高外，燃油经济性改善率也比使用大容积的要好。

图14 液压泵和液压马达排量的变化

图15 公路循环工况与蓄能器的充液状态

图16 发动机和蓄能器的功率

图17 公路循环工况需求的功率

由表3可得出同样的结论，即在优化条件下，使用小容积蓄能器的燃油经济性改善率比使用大容积的要好，进一步佐证了前述关于在运行初始规则假设条件下的蓄能器容积选择原则。

图18 液压泵和液压马达排量的变化

6 结语

蓄能器的容积不仅影响回收制动能量的大小，而且影响车辆的质量、成本和性能。因此蓄能器总容积的选择应根据车型和质量，从能量储存和回收的角度，按实际设计需要来确定。

根据本文的仿真计算和分析，一般蓄能器容积的选择，应根据能量流分配，在保证可充分回收制动能的前提下，使用较小容积蓄能器的燃油经济性改善率比使用大容积的要好一些，在本文中采用容积为40L的蓄能器时，车辆的燃油经济性改善率达25%～39%。

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