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简议四驱电动汽车液压再生制动力系统的研究

作者:2017-01-19 15:38文章来源:未知
  引言
  随着全世界化石能源的消耗量增加,导致了人类生存环境的污染加剧,加上各国汽车保有量的增加,加剧了能源环境问题。由于四轮驱动电动汽车可以给驾驶者带来更好的驾驶体验,所以这一类电动汽车备受关注,成为了研究的焦点。但是目前的四驱电动汽车还有不少缺点,主要集中在:电池的储能密度低,回收制动能量有限;电池易出故障,造价过高等。本研究所采用的液压再生制动能量系统,利用AMESim提供的HDC液压库建立了液压系统结构图,并通过仿真得到了整车驱动系统转矩图,以及通过加入液压马达的辅助驱动力后,分析了其对电动车电池输出电流和动力性的影响程度。在同种工况下,液压再生制动能量回收系统方案,比其他再生制动能量回收系统方案可为电动汽车提供更大的辅助动力,还可以提高能量利用效率,储存和释放能量的速度要比其他储能设备快,回收的能量也较多,这样就相对地提高了电动汽车的续驶里程。
  1四驱电动汽车动力系统组成及工作原理
  本研究以四驱电动汽车为对象进行研究,四驱电动汽车的动力系统结构。包括一块蓄电池﹑两台电机﹑一个蓄能器和一个动力耦合器。当车辆制动或减速时,通过离合器与液压泵的作用,把油箱中的液压油以高压油的形式储存在蓄能器中。汽车在起步或加速时,蓄能器中高压油通过液压马达以转矩的形式输出,马达与电机输出的驱动力经过动力耦合器耦合后,传输给四驱电动汽车前轴,以此为四驱电动汽车提供驱动力。
  液压再生制动系统原理为:汽车减速或制动时,连接前轴和后轴的泵1和泵7启动,将制动力通过传动装置对汽车进行制动,同时把汽车制动产生的扭矩转化为液压能,储存在蓄能器中。通过改变泵1和泵7的排量可以对制动力的大小进行控制。高压油通过泵1和泵7上方的出油口流经单向阀,然后带动马达9转动,飞轮11与马达9通过离合器10连接,这时飞轮11由马达带动转动,把液压能以飞轮的动能形式储存起来,实现了能量的转化。如果在系统回收能量时,飞轮的速度趋于飞轮的临界速度,断开离合器10,从而达到保护飞轮的效果。同时接通三位四通换向阀6,把多余的制动能量储存在蓄能器5中,如果系统压力超过预设最高值,则剩下的能量通过阀4释放,以此来保护系统。在汽车起步加速或加速超车行驶时,将飞轮和蓄能器中存储的能量通过传递装置(类似于上述能量回收过程)释放为汽车提供驱动力,此时系统的压力和飞轮的速度均下降。如果飞轮11的速度达到系统预设最小速度,并且蓄能器5中的压力达到系统预设最小值时,则液压再生制动系统不再提供驱动力。
  2整车动力学模型
  整车动力性能的研究,就是要确定由液压再生制动系统提供的能量与电机联合驱动的四驱电动汽车,在克服行驶阻力的情况下,对汽车的起步加速性能、蓄电池的放电大小的影响。本研究根据汽车行驶动力学原理,利用ADVISOR软件的仿真模块建立的汽车动力传动系统仿真模型对汽车进行仿真研究。
  3整车动力学模块的数学模型
  3.1整车动力学方程
  整车动力学模块是整个仿真研究的基础,该模块对汽车在水平路面上行驶的状态进行受力分析,并对运行中所涉及到的行驶阻力进行计算,得到整车的运动方程、车轮处所需的转矩和牵引力以及能量的改变。整车动力学模块反向仿真的数学模型可由式(1)~式(13)表示:
  m(u+qw-rv)=msh(q+pr)+∑4i=1Fxi-mgsinαg-12CDAfρau2-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为车轮编号(i=1,2,3,4);m为整车质量,kg;ms为车辆的簧载质量,kg;Ixx、Iyy、Izz分别为车辆绕x、y、z轴的转动惯量,kg·m2;α为路面坡度角;CD为汽车空气阻力系数;A为迎风面积,m2;ρa为空气密度,kg/m3;g为重力加速度,9.8m/s2;Ff为轮胎滚动阻力,N;δTi为车轮转向角,rad。
  滚动阻力:Ff=Gfcosα(6)
  空气阻力:Fw=CDA21.15u2r(7)
  坡度阻力:Fi=Gsinα(8)
  加速阻力:Fj=δmdurdt(9)
  整车行驶牵引力大小为:Ft=Ff+Fw+Fi+Fj(10)
  式中:G为铅垂方向的载荷,N;f为滚动阻力系数;ur为相对速度,m/s;δ为汽车旋转质量换算系数;durdt行驶加速度,m/s2。
  牵引消耗的有效动能:Et=∫Fturdt(11)
  制动消耗的有效能量:Eb=∫Fμurdt(12)
  有效总能量:Ek=Et+Eb(13)
  式中:Et为整车牵引消耗的能量,J;Eb为整车制动消耗的能量,J;Ek为整车消耗的有效总能量。
  3.2轮胎模型
  由Paccejka提出的“MagicFormula”汽车轮胎模型对轮胎的特性进行了良好的描述,使之成为汽车动力学仿真研究中应用较为广泛的模型。该模型把轮胎的转向力、回复力矩和驱动力用一个函数表达式进行描述,既考虑了滑转又有侧偏的复合工况,表达式为: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)为滑转与侧偏复合工况时的权函数。
  4系统的仿真分析
  本研究在AMESim上建立了仿真所需的整车动力传动系统仿真模型。仿真参数主要包括整车参数和各动力传动部件。
  可知,在起步加速和加速超车时,由于液压再生制动系统的响应速度快,可以较早的为汽车提供驱动力,这就缩短了驱动系统的响应时间。现分别对0~50km/h起步﹑50~80km/h加速超车阶段电动汽车的动力性能进行仿真。四驱电动汽车在0~50km/h起步阶段单独由电机驱动与联合驱动的对比,可看出马达电机联合驱动提供的驱动力要大于单独由电机驱动的驱动力,使得汽车的启动加速能力得到明显提高,加速时间缩短了1.05s;四驱电动汽车在50~80km/h加速超车阶段单独由电机驱动与联合驱动的对比,可看出从50km/h开始加速,加到80km/h结束,电机单独驱动用时5.1s,联合驱动用时缩短了0.3s。
  可知,在ECE-15循环工况下,带有液压再生制动系统的四驱电动汽车的蓄电池输出的电流要小,蓄电池的寿命得到相应提高。如按占比来计算,带有液压再生制动系统的四驱电动汽车相比普通四驱电动汽车,续驶里程能延长大约30%。
  5结论
  以四驱电动汽车为研究对象,对其制动能量的回收与再生制动能量的利用进行了研究,在四驱电动汽车上采用液压再生制动系统与电机共同为汽车提供驱动力,在起步车速0~50km/h阶段,比单独由电机驱动在时间上缩短了1.05s,在50~80km/h加速超车阶段,比单独用电机驱动在时间上缩短了0.3s,提高了整车的动力性能,实现了制动能量的高效回收利用。解决了四驱电动汽车电机启动慢和输出转矩不足的问题,减小了电机的负荷,最大负荷比电动机的最大转矩低得多,不仅降低了电机的损耗,还使得蓄电池的使用寿命得到了延长,此外,把液压再生制动系统与电机系统进行耦合来驱动四驱电动汽车,延长了四驱电动汽车一次充电的续驶里程。所以本研究对今后设计和研究四驱电动汽车液压再生系统具有指导意义。
 

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