一种新型电控液驱车辆的性能仿真与分析

第28卷第2期南　京　理　工　大　学　学　报Vol.28No.2 2004年4月Journal of N anjing U niversity of Science and T echnology Apr.2004文章编号:1005-9830(2004)02-0169-05一种新型电控液驱车辆的性能仿真与分析Ξ常思勤ΞΞ,易　纲(南京理工大学机械工程学院,江苏南京　210094)摘要:提出一种新的电控液驱车辆技术方案,针对这一方案建立车辆的仿真模型,初步确定主要技术参数与控制策略,对其经济性与动力性等基本性能进行了仿真计算,并与常规的同类车辆进行对比分析。

研究表明,新型电控液驱车辆具有优越的节能环保性能及其它特性,以及良好的发展前景。

关键词:车辆性能;电控;液压驱动;仿真中图分类号:U463.22文献标识码:A学科代码:580.20石油资源的日益减少与大气污染的加剧使车辆的节能与环保得到了越来越多的重视,特别对于车辆密集,交通拥挤的城市而言,车辆在频繁起步与制动、加速与减速的情况下,更进一步使车辆经济性恶化以及尾气有害排放严重。

针对这一问题,除了对发动机本身采取技术改进措施以外,电力驱动,混合动力驱动以及天然气发动机动力等多种车辆驱动方式得到了研究与应用[1]。

而本文则提出了一种新的电控液驱车辆的技术方案,针对这一方案初步确定了主要结构参数与控制策略,并建立了车辆的仿真模型,对其经济性与动力性等基本性能进行了仿真计算,并与常规的同类车辆进行了对比分析。

1　新型电控液驱车辆技术方案新型电控液驱车辆的基本特征主要包括:(1)以定压网络液压马达控制系统为理论基础的电控液驱。

(2)无级变速。

(3)车轮独立驱动与制动或轴驱动与制动。

(4)发动机工况与汽车负载基本无关,并通过工况的电控实现性能优化。

(5)可实现制动能量回收。

电控液驱车辆的基本技术方案见图1。

由电控单元1控制发动机4间歇工作于最佳经济性能区域及其附近,由发动机驱动液压泵5,在需要时为液压蓄能器6提供高压油。

每一车轮3上均装有一液压马达2,电控单元接收车轮角速度、油门踏板位置、制动踏板位置、发动机转速、液压蓄能器压力等传感器信号,并控制发动机的运转以及通过高速电磁开关阀分别控制与调节每一液压马达的转向与流量,在驱动时由液压蓄能器提供高压油,以所需的转收稿日期:2002-11-19ΞΞΞ作者简介:常思勤(1954—),男,江苏南京人,教授,博士生导师,主要研究方向:车辆现代设计理论与方法,车辆电控与机电液一体化技术,E2mail:changsq@。

1—电控单元　2—液压马达　3—车轮 4—发动机 5—液压泵 6—液压蓄能器7—液压管路　8—车架图1　新型电控液驱车辆的基本技术方案Fig.1　T echnical scheme of vehicle with electronic control and hydrostatic drive 矩驱动液压马达及车轮转动,在制动时将动能通过液压马达转换为高压油存入液压蓄能器。

2　仿真模型新型电控液驱车辆与常规汽车相比较,在系统结构与工作原理上有较大差异,涉及机械、液压以及电子控制等多方面的技术。

为了初步确定系统主要技术参数,定量评价技术方案的可行性与其主要性能,建立了车辆的仿真模型,对整车经济性与动力性等基本性能进行了计算分析。

对整车[2],由整车驱动力与行驶阻力的平衡,有F D =F R 。

驱动力F D =i p A q M ηM 2πr ,其中,i 为液压马达数;p A 为液压蓄能器压力,也即液压系统的压力;q M 与ηM 分别为液压马达的排量与总效率;r 为车轮有效半径。

行驶阻力[2]F R =f gm cos α+c D A u 221115+gm sin α+m δd u d t,其中,f 为滚动阻力系数;g 为重力加速度;m 为车辆总质量;u 为车速;式中右边的4项分别、空气阻力、上坡阻力与加速阻力,其和即为总的行驶阻力。

对液压蓄能器,由质量守恒可以得到d m A d t=Q P +Q M ,其中,m A 为液压蓄能器内的液压油质量;Q P 与Q M 分别为液压泵与液压马达的流量。

蓄能器的总容积为液腔与气腔之和,对气腔(即气囊),有多变过程方程式:pV n =const ,以及理想气体状态方程式:pV =m R T 。

上述关系式中,p ,V ,m ,T 分别为气腔内气体的压力、容积、质量与温度;R 为气体常数。

发动机驱动液压泵,有P E =p A Q p /ηp ,式中,P E 为发动机有效功率,ηP 为液压泵总效率。

发动机按下述模式间歇工作:当液压蓄能器压力低于某一限值且汽车不处于制动的工况时,发动机开始工作;当液压蓄能器压力高于某一限值或汽车处于制动的工况时,发动机停止工作;为达到经济性最佳,发动机尽可能工作在最低有效燃油消耗率区域所对应的转速下;当液压泵的输出流量小于液压马达输入流量且发动机转速尚未达到最高转速时,发动机转速则适当调高。

对发动机的万有特性,将数值按二维数组存入,计算中用二次插值求得任意工况点的发动机有效燃油消耗率。

对于制动能量回收,考虑制动过程中的能量守恒,可以得到 12m δ(u 22-u 21)=∫t 2t 1(Q M p A /ηB )d t式中,u 2与u 1分别为时刻t 2与t 1的车速;ηB 为制动能量回收效率。

根据上述主要关系式,自行开发了仿真计算软件,用于对新型电控液驱车辆进行基本性能的仿真计算。

071南　京　理　工　大　学　学　报 第28卷第2期3　性能仿真计算及其讨论以一微型客车为具体对象,进行了性能仿真计算,微型客车的主要技术参数见表1。

表中,A 为车辆迎风面积;C D 为空气阻力系数;δ为旋转质量换算系数。

此外,还初步确定了电控液驱系统的技术参数(包括系统工作压力、蓄能器容积、液压泵与马达排量等)和在各种不同工况下系统的控制策略。

表1　微型客车主要技术参数Table 1　Main technology parameters of minicar参数m/kg A /m 2u max /(km ・h -1)P Emax /kW f C D δ数值1500214100350101401551105图2　经济性计算的工况Fig.2　Operating condition for economy calculation 3.1　经济性计算按G B/T 12545—90《车辆燃料消耗量试验方法》中的“多工况燃料消耗量试验”所规定的工况(见图2)进行了客车经济性计算。

进行多循环计算直至收敛为止,收敛的准则取为一个循环起点与终点的液压蓄能器内的压力保持不变。

计算中,液压泵与液压马达的总效率均取为88%,制动能量回收效率取为80%,并假设其不随工况变化。

图3给出了在一个多工况循环中,液压蓄能器压力p A (相对值)、液压泵流量Q P (相对值)与液压马达流量Q M (相对值)的变化情况。

液压蓄能器压力在额定值的83%至105%之间变化。

在一个多工况循环中发动机工作1次,持续时间约为15s 。

计算的每100km 的耗油量为4107L ,但其中未计及发动机保持怠速时或停机后重新起动过程中所消耗的燃料。

图3　系统内主要参数的变化情况Fig.3　Variation of main parameters insystem 图4　客车加速过程Fig.4　Accelerating processof the vehicle对同样参数的常规微型客车对比计算表明,常规微型客车多工况下每100km 的耗油171总第135期 常思勤　易　纲　一种新型电控液驱车辆的性能仿真与分析量为6190L ,新型电控液驱微型客车的燃油消耗降低了约41%。

新型电控液驱车辆经济性显著提高的主要原因如下:一方面由于发动机工况与车辆阻力负荷基本无关,因而能保证其工作于高效区域内,显著改善常规车辆中发动机工作于负荷较低的工况和非稳定工况下效率不高的问题;另一方面,能实现制动能量的回收与再利用。

3.2　动力性计算计算了客车的加速性能,加速过程曲线见图4,图中,L 为距离。

加速性能计算结果表明,原地起步加速至400m 所需时间为24.8s ,此时的车速为85.9km/h ;加速至90km/h 与100km/h 所需时间分别为28.7s 与44.2s ,优于常规微型客车的加速性能。

此外,还计算了客车能够长期持续运行的最高车速,计算值为107.5km/h 。

在此工况下,发动机以最大功率持续运行,液压泵所供油量刚好为液压马达所消耗。

新型电控液驱车辆的一个显著特点是,由于可在短时间内由发动机带动的液压泵与液压蓄能器同时供能,使车辆短时间的加速性能有明显提高,其最高车速可能更高,例如,对计算的微型客车的车速至少可达到120km/h 以上,其持续时间主要与液压蓄能器的容积有关。

图5　客车制动过程Fig.5　Breaking process of the vehicle3.3　制动性计算制动性计算的目的仅是初步评价液压马达回收制动能量的能力与取代常规制动系统的可能性。

计算假设无常规制动系统以及制动能量由液压马达回收。

此时液压马达以最大排量作为泵工作,将制动时的客车动能转换为液压油的压力能,高压油供入液压蓄能器。

未考虑驾驶员以及装置的反应滞后时间。

初速度为80km/h 的制动过程计算结果见图5。

制动距离计算值为43.2m ,所需时间为3.89s ;初速度为50km/h 时,制动距离计算值为16.9m ,所需时间为2.44s 。

计算表明,可以在减速与非紧急制动时,由液压马达回收制动能量与取代常规制动系统。

此外,由于制动力与车速成正比,车轮转速下降后,制动力也成比例下降,因而不可能出现车轮“抱死”的现象。

可考虑采用辅助制动装置或再适当加大液压马达的排量等措施来进一步提高紧急制动时的性能。

例如,提高制动时液压马达出口的压力,也可取得较好的效果。

计算表明,当液压马达出口压力提高20%时,对于初速度为80km/h 的制动过程,制动距离计算值缩短为37.7m ,所需时间为3.40s 。

综上所述,针对一种新的电控液驱车辆的技术方案,初步确定了主要结构参数与控制策略,并建立了车辆的仿真模型,对其经济性与动力性等基本性能进行了仿真计算并与常规的同类车辆进行了对比分析。

计算表明,新型电控液驱车辆在经济性方面的优势十分突出,在取得显著的节能效果同时可使有害排放水平大幅度降低。

在实际使用中,特别是在车辆频繁起步与制动、加速与减速的情况下,新型电控液驱车辆节能与环保的优势将更为明显。

同时,电控液驱车辆加速性能优于常规车辆,制动性能可采取相关措施进一步提高并存在取代常规制动系统的可能性。

271南　京　理　工　大　学　学　报 第28卷第2期由于是初步计算,电控液驱系统主要技术参数与控制策略的确定均较为粗略,存在着进一步提高与优化车辆各方面性能的可能性,但已验证了技术方案的可行性。