簡(jiǎn)議四驅(qū)電動(dòng)汽車液壓再生制動(dòng)力系統(tǒng)的研究論文

　　引言

　　隨著全世界化石能源的消耗量增加，導(dǎo)致了人類生存環(huán)境的污染加劇，加上各國(guó)汽車保有量的增加，加劇了能源環(huán)境問(wèn)題。由于四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車可以給駕駛者帶來(lái)更好的駕駛體驗(yàn)，所以這一類電動(dòng)汽車備受關(guān)注，成為了研究的焦點(diǎn)。但是目前的四驅(qū)電動(dòng)汽車還有不少缺點(diǎn)，主要集中在:電池的儲(chǔ)能密度低，回收制動(dòng)能量有限;電池易出故障，造價(jià)過(guò)高等。本研究所采用的液壓再生制動(dòng)能量系統(tǒng)，利用AMESim提供的HDC液壓庫(kù)建立了液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并通過(guò)仿真得到了整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩圖，以及通過(guò)加入液壓馬達(dá)的輔助驅(qū)動(dòng)力后，分析了其對(duì)電動(dòng)車電池輸出電流和動(dòng)力性的影響程度。在同種工況下，液壓再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)方案，比其他再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)方案可為電動(dòng)汽車提供更大的輔助動(dòng)力，還可以提高能量利用效率，儲(chǔ)存和釋放能量的速度要比其他儲(chǔ)能設(shè)備快，回收的能量也較多，這樣就相對(duì)地提高了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

　　1、四驅(qū)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)組成及工作原理

　　本研究以四驅(qū)電動(dòng)汽車為對(duì)象進(jìn)行研究，四驅(qū)電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。包括一塊蓄電池﹑兩臺(tái)電機(jī)﹑一個(gè)蓄能器和一個(gè)動(dòng)力耦合器。當(dāng)車輛制動(dòng)或減速時(shí)，通過(guò)離合器與液壓泵的作用，把油箱中的液壓油以高壓油的形式儲(chǔ)存在蓄能器中。汽車在起步或加速時(shí)，蓄能器中高壓油通過(guò)液壓馬達(dá)以轉(zhuǎn)矩的形式輸出，馬達(dá)與電機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)力經(jīng)過(guò)動(dòng)力耦合器耦合后，傳輸給四驅(qū)電動(dòng)汽車前軸，以此為四驅(qū)電動(dòng)汽車提供驅(qū)動(dòng)力。

　　液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)原理為:汽車減速或制動(dòng)時(shí)，連接前軸和后軸的泵1和泵7啟動(dòng)，將制動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)裝置對(duì)汽車進(jìn)行制動(dòng)，同時(shí)把汽車制動(dòng)產(chǎn)生的扭矩轉(zhuǎn)化為液壓能，儲(chǔ)存在蓄能器中。通過(guò)改變泵1和泵7的排量可以對(duì)制動(dòng)力的大小進(jìn)行控制。高壓油通過(guò)泵1和泵7上方的出油口流經(jīng)單向閥，然后帶動(dòng)馬達(dá)9轉(zhuǎn)動(dòng)，飛輪11與馬達(dá)9通過(guò)離合器10連接，這時(shí)飛輪11由馬達(dá)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，把液壓能以飛輪的動(dòng)能形式儲(chǔ)存起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化。如果在系統(tǒng)回收能量時(shí)，飛輪的速度趨于飛輪的臨界速度，斷開(kāi)離合器10，從而達(dá)到保護(hù)飛輪的效果。同時(shí)接通三位四通換向閥6，把多余的制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存在蓄能器5中，如果系統(tǒng)壓力超過(guò)預(yù)設(shè)最高值，則剩下的能量通過(guò)閥4釋放，以此來(lái)保護(hù)系統(tǒng)。在汽車起步加速或加速超車行駛時(shí)，將飛輪和蓄能器中存儲(chǔ)的能量通過(guò)傳遞裝置(類似于上述能量回收過(guò)程)釋放為汽車提供驅(qū)動(dòng)力，此時(shí)系統(tǒng)的壓力和飛輪的速度均下降。如果飛輪11的速度達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)最小速度，并且蓄能器5中的壓力達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)最小值時(shí)，則液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)不再提供驅(qū)動(dòng)力。

　　2、整車動(dòng)力學(xué)模型

　　整車動(dòng)力性能的研究，就是要確定由液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)提供的能量與電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的四驅(qū)電動(dòng)汽車，在克服行駛阻力的情況下，對(duì)汽車的起步加速性能、蓄電池的放電大小的影響。本研究根據(jù)汽車行駛動(dòng)力學(xué)原理，利用ADVISOR軟件的仿真模塊建立的汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型對(duì)汽車進(jìn)行仿真研究。

　　3、整車動(dòng)力學(xué)模塊的數(shù)學(xué)模型

　　3.1整車動(dòng)力學(xué)方程

　　整車動(dòng)力學(xué)模塊是整個(gè)仿真研究的基礎(chǔ)，該模塊對(duì)汽車在水平路面上行駛的狀態(tài)進(jìn)行受力分析，并對(duì)運(yùn)行中所涉及到的行駛阻力進(jìn)行計(jì)算，得到整車的運(yùn)動(dòng)方程、車輪處所需的轉(zhuǎn)矩和牽引力以及能量的改變。整車動(dòng)力學(xué)模塊反向仿真的數(shù)學(xué)模型可由式(1)～式(13)表示:

　　m(u+qw-rv)=msh(q+pr)+∑4i=1Fxi-mgsinαg-12CDAfρa(bǔ)u2-Ff(1)

　　m(v+ru-pw)=-msh(p+qr)+∑4i=1Fyi(2)

　　Izz=(Ixx-Iyy)pq+lf(Fy1+Fy3)-lr(Fy2+Fy4)+T2(Fx1+Fx2)-T2(Fx3+Fx4)(3)

　　Fxi=FticosδTi-FsisinδTi(4)

　　Fyi=FtisinδTi+FsicosδTi(5)

　　式中，i為車輪編號(hào)(i=1，2，3，4);m為整車質(zhì)量，kg;ms為車輛的簧載質(zhì)量，kg;Ixx、Iyy、Izz分別為車輛繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;α為路面坡度角;CD為汽車空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積，m2;ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3;g為重力加速度，9.8m/s2;Ff為輪胎滾動(dòng)阻力，N;δTi為車輪轉(zhuǎn)向角，rad。

　　滾動(dòng)阻力:Ff=Gfcosα(6)

　　空氣阻力:Fw=CDA21.15u2r(7)

　　坡度阻力:Fi=Gsinα(8)

　　加速阻力:Fj=δmdurdt(9)

　　整車行駛牽引力大小為:Ft=Ff+Fw+Fi+Fj(10)

　　式中:G為鉛垂方向的載荷，N;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);ur為相對(duì)速度，m/s;δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);durdt行駛加速度，m/s2。

　　牽引消耗的有效動(dòng)能:Et=∫Fturdt(11)

　　制動(dòng)消耗的有效能量:Eb=∫Fμurdt(12)

　　有效總能量:Ek=Et+Eb(13)

　　式中:Et為整車牽引消耗的能量，J;Eb為整車制動(dòng)消耗的能量，J;Ek為整車消耗的有效總能量。

　　3.2輪胎模型

　　由Paccejka提出的“MagicFormula”汽車輪胎模型對(duì)輪胎的特性進(jìn)行了良好的描述，使之成為汽車動(dòng)力學(xué)仿真研究中應(yīng)用較為廣泛的模型。該模型把輪胎的轉(zhuǎn)向力、回復(fù)力矩和驅(qū)動(dòng)力用一個(gè)函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行描述，既考慮了滑轉(zhuǎn)又有側(cè)偏的復(fù)合工況，表達(dá)式為:y(x)=Dsin{Carctan[Bx-E(Bx-arctan(Bs))]}(14)

　　Ycombine(x)=G(x)y(x)+Sy(15)

　　x=X+Sh(16)

　　式中:G(x)為滑轉(zhuǎn)與側(cè)偏復(fù)合工況時(shí)的權(quán)函數(shù)。

　　4、系統(tǒng)的仿真分析

　　本研究在AMESim上建立了仿真所需的整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型。仿真參數(shù)主要包括整車參數(shù)和各動(dòng)力傳動(dòng)部件。

　　可知，在起步加速和加速超車時(shí)，由于液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，可以較早的為汽車提供驅(qū)動(dòng)力，這就縮短了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間�，F(xiàn)分別對(duì)0～50km/h起步﹑50～80km/h加速超車階段電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能進(jìn)行仿真。四驅(qū)電動(dòng)汽車在0～50km/h起步階段單獨(dú)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)與聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的對(duì)比，可看出馬達(dá)電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)提供的驅(qū)動(dòng)力要大于單獨(dú)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，使得汽車的啟動(dòng)加速能力得到明顯提高，加速時(shí)間縮短了1.05s;四驅(qū)電動(dòng)汽車在50～80km/h加速超車階段單獨(dú)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)與聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的對(duì)比，可看出從50km/h開(kāi)始加速，加到80km/h結(jié)束，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)用時(shí)5.1s，聯(lián)合驅(qū)動(dòng)用時(shí)縮短了0.3s。

　　可知，在ECE-15循環(huán)工況下，帶有液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)的四驅(qū)電動(dòng)汽車的蓄電池輸出的電流要小，蓄電池的壽命得到相應(yīng)提高。如按占比來(lái)計(jì)算，帶有液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)的四驅(qū)電動(dòng)汽車相比普通四驅(qū)電動(dòng)汽車，續(xù)駛里程能延長(zhǎng)大約30%。

　　5、結(jié)論

　　以四驅(qū)電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，對(duì)其制動(dòng)能量的回收與再生制動(dòng)能量的利用進(jìn)行了研究，在四驅(qū)電動(dòng)汽車上采用液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)共同為汽車提供驅(qū)動(dòng)力，在起步車速0～50km/h階段，比單獨(dú)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)在時(shí)間上縮短了1.05s，在50～80km/h加速超車階段，比單獨(dú)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)在時(shí)間上縮短了0.3s，提高了整車的動(dòng)力性能，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量的高效回收利用。解決了四驅(qū)電動(dòng)汽車電機(jī)啟動(dòng)慢和輸出轉(zhuǎn)矩不足的問(wèn)題，減小了電機(jī)的負(fù)荷，最大負(fù)荷比電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩低得多，不僅降低了電機(jī)的損耗，還使得蓄電池的使用壽命得到了延長(zhǎng)，此外，把液壓再生制動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行耦合來(lái)驅(qū)動(dòng)四驅(qū)電動(dòng)汽車，延長(zhǎng)了四驅(qū)電動(dòng)汽車一次充電的續(xù)駛里程。所以本研究對(duì)今后設(shè)計(jì)和研究四驅(qū)電動(dòng)汽車液壓再生系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義。