液压混合动力公交车制动性能仿真与试验分析＊

曲金玉 李训明 任传波 韩尔樑 刘林

（1.山东理工大学；2.潍柴动力股份有限公司）

液压混合动力公交车制动性能仿真与试验分析＊

曲金玉1李训明1任传波1韩尔樑2刘林2

（1.山东理工大学；2.潍柴动力股份有限公司）

针对城市公交车运行特点和在城市运行工况下燃油经济性差的问题，提出一种新型液压混合动力系统，并建立制动回收过程动力学模型、能量再生过程动力学模型和柴油机液压起动模型等，对其制动性能进行仿真，最后进行了样机台架、实车道路试验。试验结果表明，该液压混合动力公交车可实现汽车制动能量回收等功能，在典型城市循环工况下制动能量回收率为69.7%，制动能量再生率为32.8%，液压起动发动机时间为1.7 s。

1 前言

液压混合动力系统包括发动机和液压动力系统，液压动力系统以液压蓄能器作为储能元件，以液压泵/液压马达作为动力元件[1,2]。德国汉堡国防科技大学Nikolaus H教授于1977年首创了二次调节静液传动技术，为液压混合动力系统的开发奠定了基础；美国威斯康星大学的Beachley Norman H和Fronczak Frank J等于1985年研究开发出了单一液压泵/液压马达制动能量再生系统，并首次应用在公共汽车上[3]。由于液压动力系统具有功率密度大、制动能量回收率高、安全可靠、成本低、节能环保等优点，在公交车、邮政车、垃圾车和重型车辆上应用广泛[4,5]。

目前的并联式混合动力汽车中，液压泵/液压马达通过传动装置耦合到车辆传动系统中，不便于整车布置，且无法实现发动机起/停控制[6,7]。本文针对现有并联式混合方式存在的不足和城市公交车运行特点，提出了一种新型液压混合动力系统。

2 液压混合动力系统组成与运行模式

2.1 液压混合动力系统组成

该液压混合动力系统的组成与布置如图1所示，其主要由混合动力总成、液压系统、电子控制系统3部分组成。

液压混合动力总成结构框图如图2所示。混合动力总成包括发动机总成、传动装置、电磁离合器总成、液压泵/液压马达总成。该总成保持原有发动机零部件结构不变，将传动装置装配在发动机缸体与飞轮壳之间，使曲轴通过传动装置与电磁离合器、液压泵/液压马达连接[8]，通过控制电磁离合器的接合与分离来实现液压泵/液压马达与发动机之间的动力传递。

2.2 液压混合动力系统运行模式

a.制动能量回收且发动机停机模式

当液压蓄能器处于低压状态且汽车制动时，电磁离合器接合，汽车惯性力驱动液压泵运转，将汽车的动能转化为液压势能存储在蓄能器中，同时发动机进入停机模式。终止制动后，发动机正常运行。在汽车紧急制动时，除进行制动能量回收且发动机停机外，汽车制动系统同时保持独立运行。

b.液压独立驱动且发动机停机模式

当液压蓄能器处于高压状态且汽车起步时，挂入前进挡，踩下加速踏板，电磁离合器接合，蓄能器存储的高压能量驱动液压马达运转，将液压蓄能器存储的高压势能转化为汽车动能，驱动汽车加速起步，同时发动机停止空转。蓄能器的压力释放至最低工作压力时模式终止，由发动机正常驱动汽车行驶。

c.发动机液压起动模式

当液压蓄能器处于中低压状态且汽车起步时，置变速器于空挡，接通起动开关后电磁离合器接合，利用蓄能器存储的高压能量驱动液压马达运转，实现发动机液压起动；在蓄能器压力低于最小工作压力时，发动机由起动机起动。

d.制动停车发动机停机模式

当液压蓄能器处于中高压状态且车速低于设定车速时，踩下离合器和制动踏板，将挡位置于空挡，发动机熄火。

e.发动机独立驱动模式

在倒挡和其它正常行驶的情况下，汽车由发动机独立驱动行驶。

3 液压混合动力系统建模与仿真

3.1 液压蓄能器压力、气体体积与储存能量的关系

在制动能量回收和再生过程中，液压泵/液压马达的运转使蓄能器中氮气的体积V和压力p发生变化。根据波义耳气体定律，两者之间的关系为[9]:

式中，p0为液压蓄能器充气压力，MPa；p1为液压蓄能器最低工作压力，MPa；p2为液压蓄能器工作压力，MPa；V0为液压蓄能器初始气体体积，m3；V1为液压蓄能器最大气体体积，m3；V2为液压蓄能器工作气体体积，m3；n为气体多变指数，绝热过程取n=1.4[10]。

蓄能器回收和再生过程中的能量变化ΔE为:

3.2 液压泵/液压马达流量、转速与车速之间的关系

制动回收再生过程中液压泵/液压马达的流量Q为:

式中，npm为液压泵/液压马达转速，r/min；Vg为液压泵/液压马达额定流量，mL/r；ηv为液压泵/液压马达容积效率。

制动回收再生过程中，液压蓄能器氮气体积的减少量等于蓄液体积的增加量ΔV:

式中，Npm为液压泵/液压马达总转数。液压泵/液压马达转速npm与车速u的关系为:

式中，ig为变速器各挡位传动比；io为主减速器传动比；r为车轮半径，m；ipm为液压泵/液压马达与发动机曲轴之间传动装置的传动比。

3.3 制动回收过程动力学模型

制动回收过程中，汽车动力平衡方程为[11]:

式中，δ为汽车的旋转部件质量换算系数；a1为汽车制动减速度，m/s2；m为汽车满载质量，kg；Fp为液压泵/液压马达制动阻力，N；Feo为发动机停止空转制动阻力，N；Ff为汽车滚动阻力，N；Fw为空气阻力，N；f为轮胎滚动阻力系数；Teo为发动机停止空转制动阻力矩，根据台架试验结果，取Teo=200N·m[12]；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，m2。

其中，液压泵制动阻力矩Tp为:

式中，ηmh为液压泵/液压马达机械效率；Δp为液压蓄能器压力，MPa。

汽车制动过程行驶距离S1为:

式中，u0为汽车制动初速度，km/h；u1为汽车制动末速度，km/h。

评价制动能量回收率η1的计算公式为:

3.4 能量再生过程动力学模型

在制动能量再生过程中液压独立驱动汽车，其动力学平衡方程为[11]:

式中，a2为汽车加速度，m/s2；Fm为液压马达输出驱动力，N。

其中，液压马达驱动转矩Tm为:

汽车液压起步行驶距离S2为:

式中，u2为汽车液压起步速度，km/h。

评价制动能量再生率η2的计算公式为:

3.5 发动机液压起动模型

发动机液压起动过程液压马达输出转矩Mm为:

式中，ηm为液压马达机械效率。

液压马达转矩与发动机反拖转矩M关系式:

式中，i为液压马达与发动机曲轴传动比。发动机液压起动过程曲轴驱动方程:

式中，J为发动机旋转部分转动惯量，kg·m2;Mf为发动机旋转摩擦力矩，N·m；Mc为发动机压缩力矩，N·m；ω为发动机飞轮角速度，rad/s。

发动机起动时，平均阻力矩经验公式[13]:

式中，ne为发动机曲轴转速，当ne为100～300 r/min时，ne对的影响可以忽略；ν为润滑油粘度；为 ν=1 000时的平均阻力矩，N·m。

3.6 仿真结果

对制动能量回收和再生过程进行仿真。混合动力系统主要结构参数见表1。

表1 液压混合动力系统主要技术参数

a.制动能量回收过程仿真

以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ3个不同挡位，初速度为45 km/h、蓄能器初始充气压力为16MPa进行制动能量回收过程仿真，得到3个不同挡位下的汽车减速度、行驶距离变化曲线如图3和图4所示。

b.制动能量再生过程仿真

以Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ3个不同挡位，蓄能器储存压力为30MPa、液压独立驱动汽车进行起步过程仿真，得到3个不同挡位下的汽车起步车速、行驶距离、加速度仿真曲线如图5～图7所示。

c.发动机液压起动过程仿真

当液压蓄能器内的压力分别为低压（18MPa）和高压（25MPa）时，对发动机液压起动模型进行仿真，结果如图8和图9所示。由仿真曲线可知，液压蓄能器内压力的高低对发动机液压起动没有影响，在0.6 s内就可使发动机转速达到700 r/min。

4 试验测试

4.1 台架试验

为了测试该系统各项性能指标，搭建发动机—液压混合动力系统试验台架，其主要包括发动机—液压混合动力系统、AVL电涡流测功机、AVL PUMP OPEN试验台管理控制和数据采集系统。

发动机以600 r/min怠速运转，通过测功机给混合动力制动回收系统增加制动扭矩，输入扭矩为171～701 N·m，测试系统制动回收性能，试验结果如图10所示。制动过程中，蓄能器压力从11.81 MPa上升至14.76MPa，用时8.8 s，上升速率为0.34MPa/s。

连续采用液压驱动发动机起动，即液压起动，测试液压起动时间和能量消耗量，结果如图12所示。经试验测得每次液压起动时间为1.8～1.9 s，每次起动蓄能器压力降低0.3～0.5MPa。

4.2 实车道路试验

对宇通ZK6126HG公交车加装该液压混合动力系统，在典型城市循环工况下进行实车道路试验以验证该系统在实车上的各项性能及燃油经济性。

测试曲线如图12～图14所示，由测试结果可知:

a.试验车从初始速度42.15 km/h以5挡制动到14.83 km/h，制动时间为12.18 s，平均制动减速度为0.63m/s2，蓄能器压力从16.34MPa上升至27.53MPa，制动能量回收率为69.7%；

b.试验车以3挡液压起步加速，蓄能器压力从27.5MPa减少到16MPa，车速加速至14.85 km/h，行驶距离为23.5m，平均加速度为0.45m/s2，制动能量再生率为32.8%；

c.试验车连续液压起动，平均每次起动蓄能器压力下降0.36MPa，起动时间为1.7 s。

5 结束语

a.针对城市公交车运行特点，提出了一种新型液压混合动力系统，其便于实车布置且具有发动机起/停功能，同时介绍了该系统的组成和工作模式，并对系统动力性能进行仿真。

b.利用台架试验和实车道路试验测试验证了该混合动力系统的各项性能，验证了混合动力试验样车可实现制动能量回收、液压驱动、发动机起/停、停车停机等功能。在典型城市循环工况下的试验结果表明，制动能量回收率和再生率分别为69.7%和32.8%，液压起动发动机时间为1.7s，达到了节能减排的目标。

1付松青,姜艳,李腾腾,等.液压混合动力技术研究及展望.汽车工程师,2010（11）:18～22.

2 Baseley S,Ehret C,Greif E,etal.Hydraulic Hybrid Systems for Commercial Vehicles.SAE Paper 2007-01-4150.

3赵春涛,姜继海,赵克定.二次调节静液传动技术在城市公交车辆中的应用.汽车工程,2001,23（6）:423～426.

4魏英俊.新型液压驱动混合动力运动型多用途车的研究.中国机械工程,2006,17（15）:1645～1648.

5 Charles L Gray,Jr Hydraulic Hybrids.EPA Hybrid Truck Initiative.Clean Automotive Technology,2006.

6刘国庆,闫叶翠,陈杰,等.液压混合动力公交车液压再生系统耦合方案研究.汽车工程,2010,32（4）:277～282.

7 Yan Yecui,Liu Guoqing,Chen Jie.Parameter Design Strategies of a Parallel Hydraulic Hybrid Bus.Vehicle Power and Propulsion Conference.VPPC'08.IEEE，2008:1～6.

8韩尔樑,刘林,任传波,等.发动机及其后取力输出系统.中国,CN201110335273.8，2012.

9李翔晟,常思勤,韩文.静液压储能传动汽车动力源系统匹配及性能分析.农业机械学报,2006,37（3）:12～16.

10封士彩.气囊式蓄能器气体多变指数理论值和实际值的确定.液压与气动,2002（5）:3～5.

11余志生.汽车理论.北京:机械工业出版社,2005.

12闫业翠,刘国庆,陈杰.液压混合动力公交车动力性能仿真与试验研究.汽车工程,2010,32（2）:93～98.

13徐天毅.发动机电起动过程的数学模型.内燃机工程, 1983（1）:39～46.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2014年5月22日。

Brake Performance Simulation and Test Analysis of Hydraulic Hybrid Bus

Qu Jinyu1,Li Xunming1,Ren Chuanbo1,Han Erliang2,Liu Lin2
（1.Shang University of Technology;2.Weichai Power Company）

In consideration of city buses operating characteristics and poor fuel economy in urban driving cycles,we present a novel hydraulic hybrid system,and build three models,i.e.brake energy recovery dynamic model,energy regeneration dynamic model and diesel hydraulic startmodel,and then make brake performance simulation.Finally we test performance of the system by bench and road test.The results show that the hydraulic hybrid bus is capable of braking energy recovery,braking energy recovery rate in typical urban driving cycle is up to 69.7%and energy regeneration rate is 32.8%,hydraulic engine start time is 1.7 second.

Hydraulic hybrid bus,Brake perform ance,Simulation,Test

液压混合动力公交车制动性能仿真试验

U469.72

A

1000-3703（2014）09-0048-05

国家自然科学基金项目（51275280），项目名称:汽车车身时滞减振控制理论与试验研究;山东省科技发展计划项目（2011GGX10505），项目名称:智能变矩调速动力驱动系统及其在电动车中的应用。