液驱混合动力车辆动态特性研究

王杰，张银彩，商兴国

(1.唐山学院机电工程系，河北唐山063000;2.石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄050043)

液驱混合动力车辆由液压泵、高压蓄能器、低压蓄能器、高速响应开关阀和控制系统等组成。其中能量转化元件为轴向柱塞式液压泵/马达6，见图1。在车辆起步时，液压蓄能器单独驱动，控制系统使液压泵/马达以马达的工况工作［1-2］，输入功率经蓄能器、液压泵/马达实现能量释放。液驱混合动力的控制策略是系统工作的核心，通过能量释放实现车辆的正常起步，是液驱混合动力系统研究中的重要问题。

液驱混合动力车辆传动系统主要由高压蓄能器4、低压蓄能器8、高速响应开关阀3、二位四通电液阀5、可逆作用液压泵/马达6、减速器7 等部件组成，如图1所示。

图1 液驱混合动力车辆传动系统原理简图

1 液驱混合动力模型建立

1.1 液压泵/马达轴上力矩平衡方程建立

式中:Tm为等效到液压泵/马达轴上的驱动力矩，N·m;

Jp为液压泵/马达轴的转动惯量，kg·m2;

Bp为黏性阻尼系数，N·m·s/rad;

i0为主传动的传动比;

ip为液压泵/马达至主传动系传动比;

r为车轮半径，m;

u为车速，m/s。

1.2 液压泵/马达的流量方程建立

式中:qp为液压泵/马达实际输入流量，m3/s;

Vp为液压泵/马达的排量，m3/rad;

ωp为液压泵/马达轴的转速，rad/s;

Cip、Cep分别为液压泵/马达的内、外泄漏系数，m5/(N·s);

p为高压油路油压，Pa;

pL为低压油路油压，Pa，假定为一常数。

1.3 蓄能器中压力的变化方程建立

蓄能器中力平衡方程［3］:

式中:Aa为等效到蓄能器油液腔的截面积，m2;

pa为蓄能器内气体压力，Pa;

ma为等效到蓄能器蓄能腔液压油质量，kg;

qa为流出蓄能器中的流量，m3/s，其值等于液压泵/马达的输入流量qp(忽略泄漏);

Ba为蓄能器的当量黏性阻尼系数，kg/s;

Va为蓄能器中气体压力为pa时气体的体积，m3。

蓄能器中气体的压力方程:

式中:p1为蓄能器的最低工作压力，Pa;

V1为蓄能器中气体压力为p1时气体的体积，m3;

k为气体的多变指数。对式(6)在p1、V1附近泰勒展开，略去高次项整理得:

由式(4)得:

2 建立液压泵/马达伺服排量控制系统模型

电液伺服排量控制系统是通过控制伺服阀开口来改变变量活塞的位移，进而改变液压泵/马达斜盘的倾角，达到变量的目的。该机构是力反馈闭环控制回路，具有结构紧凑、响应快等优点，且便于远程控制［4］。伺服排量控制系统由4 部分构成:伺服阀、反馈杠杆、伺服缸、斜盘，如图2所示。

图2 变量泵电液伺服排量控制系统简图

2.1 伺服阀方程建立

伺服阀结构简图如图3所示。

图3 伺服阀结构简图

根据伺服阀各组成部分的作用关系，列出如下3个方程:线圈端电压-电流方程、线圈电流-电磁铁推杆力方程以及阀芯的力平衡方程，如式(9)—(11)所示:

式中:Ui为线圈端电压，V;

FM为电磁铁推杆推力，N;

KI为电流力增益;

Ky为电磁铁推杆调零弹簧刚度，N/m;

xV为阀芯位移，m;

mV为阀芯与电磁铁推杆质量，kg;

BV为阀芯阻尼系数，N·s/m;

KfV为阀芯稳态液动力刚度系数，N/m;

Ff为反馈杠杆的作用力，N。

2.2 反馈杠杆方程建立

根据杠杆原理可得反馈杠杆上的位移方程与力平衡方程:

式中:a、b、c、d为杠杆结构尺寸，m;

xh为反馈弹簧位移，m;

xp为伺服缸活塞位移，m;

Kh为反馈弹簧刚度，N/m;

Fs为活塞对反馈杠杆的作用力，N。

3 液驱混合动力车辆控制策略

根据输出轴的目标角加速度与实际角加速度的差值，按增量式PID 算法调节液压泵/马达的排量控制电流信号，调整液压泵/马达的排量，使输出轴角加速度满足要求。控制方案调节框图如图4所示。

图4 控制策略框图

4 车辆动态特性的仿真与试验研究

试验台布置如图5所示，采用力士乐的二次调节单元作为驱动装置与加载装置。变量泵的最大排量为125 L/min，变量泵/马达排量为140 L/min，飞轮惯量为50 kg·m2。

图5 试验台布置图

为试验操作简便，飞轮转速定在200 r/min 左右，蓄能器压力在10 MPa 左右。图6 为能量释放时飞轮转速响应曲线，图7 为高压蓄能器压力响应曲线。由图6、图7 可知:试验结果反映出的趋势与仿真分析结果基本一致，说明仿真模型建立的有效性及控制策略的合理性。

图6 飞轮转速响应曲线

图7 高压蓄能器压力响应曲线

5 结束语

建立了液驱混合动力车辆传动的仿真模型和控制器模型，提出了液驱混合动力车辆控制策略;进行了液驱混合动力动态特性的试验研究，试验结果验证了液驱混合动力车辆仿真模型的有效性及控制策略的合理性。

［1］WU Peirong，WANG Huiyi.Analysis and Design of a Vehicular HESTS and Its Fuzzy Logic Controller［C］//IEEE Instrumentation/Measurement Technology Conference Proceeding.Waltham Massachusetts.U.S.A，1995.

［2］WANG Huiyi，WU Peirong.Mechanism Analysis on a Hydraulic Energy Storage Transmission System［C］//International Symposium of Fluid Power，1995.

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