簡議四驅電動汽車液壓再生制動力系統的研究論文

　　引言

隨着全世界化石能源的消耗量增加，導致了人類生存環境的污染加劇，加上各國汽車保有量的增加，加劇了能源環境問題。由於四輪驅動電動汽車可以給駕駛者帶來更好的駕駛體驗，所以這一類電動汽車備受關注，成爲了研究的焦點。但是目前的四驅電動汽車還有不少缺點，主要集中在:電池的儲能密度低，回收制動能量有限;電池易出故障，造價過高等。本研究所採用的液壓再生制動能量系統，利用AMESim提供的HDC液壓庫建立了液壓系統結構圖，並通過仿真得到了整車驅動系統轉矩圖，以及通過加入液壓馬達的輔助驅動力後，分析了其對電動車電池輸出電流和動力性的影響程度。在同種工況下，液壓再生制動能量回收系統方案，比其他再生制動能量回收系統方案可爲電動汽車提供更大的輔助動力，還可以提高能量利用效率，儲存和釋放能量的速度要比其他儲能設備快，回收的能量也較多，這樣就相對地提高了電動汽車的續駛里程。

　　1、四驅電動汽車動力系統組成及工作原理

本研究以四驅電動汽車爲對象進行研究，四驅電動汽車的動力系統結構。包括一塊蓄電池?兩臺電機?一個蓄能器和一個動力耦合器。當車輛制動或減速時，通過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存在蓄能器中。汽車在起步或加速時，蓄能器中高壓油通過液壓馬達以轉矩的形式輸出，馬達與電機輸出的驅動力經過動力耦合器耦合後，傳輸給四驅電動汽車前軸，以此爲四驅電動汽車提供驅動力。

液壓再生制動系統原理爲:汽車減速或制動時，連接前軸和後軸的泵1和泵7啓動，將制動力通過傳動裝置對汽車進行制動，同時把汽車制動產生的扭矩轉化爲液壓能，儲存在蓄能器中。通過改變泵1和泵7的排量可以對制動力的大小進行控制。高壓油通過泵1和泵7上方的出油口流經單向閥，然後帶動馬達9轉動，飛輪11與馬達9通過離合器10連接，這時飛輪11由馬達帶動轉動，把液壓能以飛輪的動能形式儲存起來，實現了能量的轉化。如果在系統回收能量時，飛輪的速度趨於飛輪的臨界速度，斷開離合器10，從而達到保護飛輪的效果。同時接通三位四通換向閥6，把多餘的制動能量儲存在蓄能器5中，如果系統壓力超過預設最高值，則剩下的能量通過閥4釋放，以此來保護系統。在汽車起步加速或加速超車行駛時，將飛輪和蓄能器中存儲的能量通過傳遞裝置(類似於上述能量回收過程)釋放爲汽車提供驅動力，此時系統的壓力和飛輪的速度均下降。如果飛輪11的速度達到系統預設最小速度，並且蓄能器5中的壓力達到系統預設最小值時，則液壓再生制動系統不再提供驅動力。

　　2、整車動力學模型

整車動力性能的研究，就是要確定由液壓再生制動系統提供的能量與電機聯合驅動的四驅電動汽車，在克服行駛阻力的情況下，對汽車的起步加速性能、蓄電池的放電大小的影響。本研究根據汽車行駛動力學原理，利用ADVISOR軟件的仿真模塊建立的汽車動力傳動系統仿真模型對汽車進行仿真研究。

　　3、整車動力學模塊的數學模型

　　3.1整車動力學方程

整車動力學模塊是整個仿真研究的基礎，該模塊對汽車在水平路面上行駛的狀態進行受力分析，並對運行中所涉及到的行駛阻力進行計算，得到整車的運動方程、車輪處所需的轉矩和牽引力以及能量的改變。整車動力學模塊反向仿真的數學模型可由式(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爲車輪編號(i=1，2，3，4);m爲整車質量，kg;ms爲車輛的簧載質量，kg;Ixx、Iyy、Izz分別爲車輛繞x、y、z軸的轉動慣量，kg·m2;α爲路面坡度角;CD爲汽車空氣阻力系數;A爲迎風面積，m2;ρa爲空氣密度，kg/m3;g爲重力加速度，9.8m/s2;Ff爲輪胎滾動阻力，N;δTi爲車輪轉向角，rad。

滾動阻力: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爲:Ft=Ff+Fw+Fi+Fj(10)

式中:G爲鉛垂方向的載荷，N;f爲滾動阻力系數;ur爲相對速度，m/s;δ爲汽車旋轉質量換算係數;durdt行駛加速度，m/s2。

牽引消耗的有效動能:Et=∫Fturdt(11)

制動消耗的有效能量:Eb=∫Fμurdt(12)

有效總能量:Ek=Et+Eb(13)

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

3.2輪胎模型

由Paccejka提出的“MagicFormula”汽車輪胎模型對輪胎的特性進行了良好的描述，使之成爲汽車動力學仿真研究中應用較爲廣泛的'模型。該模型把輪胎的轉向力、回覆力矩和驅動力用一個函數表達式進行描述，既考慮了滑轉又有側偏的複合工況，表達式爲: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)爲滑轉與側偏複合工況時的權函數。

　　4、系統的仿真分析

本研究在AMESim上建立了仿真所需的整車動力傳動系統仿真模型。仿真參數主要包括整車參數和各動力傳動部件。

可知，在起步加速和加速超車時，由於液壓再生制動系統的響應速度快，可以較早的爲汽車提供驅動力，這就縮短了驅動系統的響應時間。現分別對0～50km/h起步?50～80km/h加速超車階段電動汽車的動力性能進行仿真。四驅電動汽車在0～50km/h起步階段單獨由電機驅動與聯合驅動的對比，可看出馬達電機聯合驅動提供的驅動力要大於單獨由電機驅動的驅動力，使得汽車的啓動加速能力得到明顯提高，加速時間縮短了1.05s;四驅電動汽車在50～80km/h加速超車階段單獨由電機驅動與聯合驅動的對比，可看出從50km/h開始加速，加到80km/h結束，電機單獨驅動用時5.1s，聯合驅動用時縮短了0.3s。

可知，在ECE-15循環工況下，帶有液壓再生制動系統的四驅電動汽車的蓄電池輸出的電流要小，蓄電池的壽命得到相應提高。如按佔比來計算，帶有液壓再生制動系統的四驅電動汽車相比普通四驅電動汽車，續駛里程能延長大約30%。

　　5、結論

以四驅電動汽車爲研究對象，對其制動能量的回收與再生制動能量的利用進行了研究，在四驅電動汽車上採用液壓再生制動系統與電機共同爲汽車提供驅動力，在起步車速0～50km/h階段，比單獨由電機驅動在時間上縮短了1.05s，在50～80km/h加速超車階段，比單獨用電機驅動在時間上縮短了0.3s，提高了整車的動力性能，實現了制動能量的高效回收利用。解決了四驅電動汽車電機啓動慢和輸出轉矩不足的問題，減小了電機的負荷，最大負荷比電動機的最大轉矩低得多，不僅降低了電機的損耗，還使得蓄電池的使用壽命得到了延長，此外，把液壓再生制動系統與電機系統進行耦合來驅動四驅電動汽車，延長了四驅電動汽車一次充電的續駛里程。所以本研究對今後設計和研究四驅電動汽車液壓再生系統具有指導意義。