一种液压混合动力车辆燃油经济性研究
李军成，刘敬平，韩志玉
(湖南大学 先进动力总成技术研究中心 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙，410082)
摘 要：阐述一种液压混合动力垃圾回收车辆的动力传动系统的构成和能量策略；采用整车性能模拟软件GT-DRIVE和自编程序联合模拟计算的方法，建立该液压混合动力垃圾回收车的整车燃油经济性计算模型；根据指定的运行工况对垃圾回收车的1个工作循环进行模拟，计算得到车辆的燃油消耗量和发动机工作工况点分布；将计算结果与原柴油机动力垃圾回收车的结果进行对比分析，研究液压混合动力车辆的燃油经济性。研究结果表明：液压混合动力技术既能回收利用车辆制动能，又能调整优化发动机的工作点，在指定工况内，最大节油量达43.30%，因此，该技术应用于常停常起工况的大质量车辆上具有较强的节油潜力和广阔的应用前景。
关键词：车辆；液压混合动力；燃油经济性；模拟计算
中图分类号：U463.22 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)01-080-07
Fuel economy of a hydraulic hybrid vehicle
LI Jun-cheng, LIU Jing-ping, HAN Zhi-yu
(State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,
Research Center for Advanced Powertrain Technology, Hunan University, Changsha 410082, China)
Abstract: The configuration and power strategy of hydraulic hybrid garbage pickup vehicle powertrain system were detailed. The vehicle performance simulation software, i.e., GT-DRIVE，and a self developed program were used to build up the vehicle model, and was applied to compute the fuel economy of the vehicle. The computation was conducted using a typical driving cycle to simulate a working cycle of the garbage pickup. The simulated fuel economy of the hydraulic hybrid vehicle and the engine operation points were compared to that of the original vehicle. The results show that because the hydraulic hybrid concept can store and re-use energy and optimize the engine operation points, the greatest decrease in the rate of the fuel consumption is 43.30%. This technique has significant fuel economy potential when it is applied to vehicles of great mass and frequent start-stops.
Key words: vehicle; hydraulic hybrid; fuel economy; simulation caculation
为应对能源危机和环境污染，全球汽车工业都在积极地研究和开发新型的动力总成系统，以期达到节能减排的目的。液压式储能器动力系统因具有功率密度高、能量转换速度快的优点，已经引起国内外研究机构关注，并逐渐被应用到某些车辆上[1]。例如：Ford汽车公司与美国环保署联合开展液压混合动力车辆的研究，并于2004年宣布制造出首辆液压混合动力SUV(Sport utility vehicle)样车[2]；美国环保署与美国UPS公司于2007年联合设计制成了液压混合动力邮递车[3]；国内金龙公司推出了节能环保型液压混合动力城市客车[4]，2008年苏州客车展览会上，北京嘉捷博大汽车节能汽车有限公司也展出了基于金龙客车车身制造的“液压混合动力”客车[5]。液压混合动力车辆采用一套液压储能式能量回收系统，根据能量控制策略回收和利用制动能量[6]，同时优化发动机工作的工况区域[7]，达到节能减排的目的[8]。液压混合动力车辆的动力系统经过合理匹配才能发挥其优势，所以，在设计液压混合动力车辆时需要对其动力传动系统的性能进行评价。在此，本文作者以某柴油机动力垃圾回车为基础将其设计成液压混合动力车辆，采用整车性能模拟软件GT-DRIVE和自编程序联合模拟计算的方法，建立液压混合动力垃圾回收车燃油经济性计算模型，对车辆的燃油经济性进行对比计算研究。
1 车辆动力传动系统组成和能量策略
1.1 动力传动系统组成
液压混合动力车辆以传统内燃机动力车辆为基础，增加1套可以回收利用车辆制动能的液压式储能动力系统，构成车辆的第二套动力系统[9-11]。本文研究的液压混合动力垃圾回收车采用与原柴油机动力的垃圾回收车相同的发动机，取消原车的六档变速箱，用1个行星齿轮系耦合发动机与液压泵/马达驱动车辆。动力系主要元件有：发动机，离合器，行星齿轮系，可变排量液压泵，双向变量泵/马达，高压储能器和低压储能器等，如图1所示。
图1 液压混合动力车辆系统示意图
Fig.1 Schematic of a hydraulic hybrid vehicle system
该动力总成系统可以实现发动机驱动车辆、液压式储能器驱动车辆、发动机和液压式储能器混合驱动车辆，并且通过一个行星轮机构来实现无级变速。
1.2 能量策略
根据实际行驶中的起步、加速、匀速和制动、停车，确定液压混合动力垃圾回收车辆动力总成系统的能量策略[12]。
(1) 起步工况：液压马达驱动车辆起步，内燃机停机。
(2) 加速工况：根据车辆需求功率，车速水平和当时储能器的状态决定供能方式。当储能器的输出功率满足车辆需求功率时，为纯液压驱动模式，储能器的液压液体驱动双向变量泵/马达驱动车辆；否则，为发动机驱动液压泵泵油，液压液体驱动双向变量泵/马达最终驱动车辆；或者为发动机和储能器共同驱动双向变量泵/马达驱动车辆。
(3) 匀速工况：根据车辆需求功率，车速水平和储能器的压力判断车辆驱动方式。若车速较高，发动机可以工作在经济区域，则动力由发动机直接传递到车辆而不经过液压系统；若车速较低，则与加速工况的判断方式相同。
(4) 制动工况：双向变量泵/马达以泵的方式工作，将液压液体泵入储能器，储能器里的气体被压缩，制动能存储到储能器里。
(5) 停车工况：发动机怠速，液压马达不工作，车辆静止。
2 原型车辆运动学建模和运行工况
2.1 原型车GT-DRIVE运动学建模
对液压混合动力车辆运动学建模和编写燃油经济性计算程序之前，需要获得车辆按照指定运行工况行驶时的驱动扭矩及制动扭矩，这些参数通过采用GT-DRIVE软件建立原柴油机动力垃圾回收车的运动学模型计算获得。以GT-DRIVE软件为平台将发动机模块、离合器模块、车身模块、变速器模块、轮胎模块联接起来，然后，将发动机万有特性数据、变速器数据及其他整车参数输入相应模块，最后，设置模拟计算控制参数完成车辆运动学模型的建立。模型布置如图2所示。
垃圾回收车行驶方程如下[13]：
(1)
式中：Tt为驱动轮上的驱动扭矩；r为车轮半径；m为车辆质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；CD为风阻系数；A为迎风面积；ua为车速；i为道路坡度；δ为车辆旋转质量换算系数。计算时模型将按指定的运行工况求解车辆行驶方程。垃圾回收车主要参数如表1所示。
图2 车辆运动学模型
Fig.2 Vehicle kinematic model
表1 垃圾回收车主要参数
Table 1 Major parameters of trash pickup truck
2.2 运行工况
车辆燃油经济性的评价通常是在一定的运行工况下评价[14]，因此，指定一个能综合反映垃圾回收车行驶情况的运行工况来研究其燃油经济性。指定的运行工况如图3所示。本文将该道路工况分为①～④分段，它们表征了垃圾回收车辆的典型行驶工况。
图3 运行工况
Fig.3 Driving cycle
分段①表示垃圾回收车从垃圾回收站出发经高速路向居民区行驶，其特征是车辆历时较短、停车和启动工况很少、车速保持较高水平，车辆空载质量为 16 t。
分段②表示车辆到达居民区进行垃圾回收，其特征是历时较长，车辆频繁起停，车速很低，随着回收垃圾的进行，车辆质量增加，模型中设定本段车辆质量为20 t。
分段③表示车辆继续在居民区回收垃圾，其主要特征与②分段的相同，不同的是：随着回收垃圾的增多车辆质量不断增加，模型中设定本段车辆质量为 23 t。
分段④表示车辆结束垃圾回收工作经高速路从居民区向垃圾回收站行使，其特征是停车和启动工况很少，车速保持在较高水平，车辆满载质量为27 t。
2.3 模型标定
对原车按一定循环进行测试，获得发动机转速和车速随时间变化的测试值，然后，将GT-DRIVE模型模拟计算值与测试值进行比较，标定模型。发动机转速对比如图4所示，车辆速度对比如图5所示。由图4和图5可知：计算值与测试值有较好的一致性，原车运动学模型标定完成。利用标定后的运动学模型按指定的运行工况进行模拟计算，求解车辆行驶方程，得到各个时刻车辆驱动扭矩以及制动扭矩，同时可得到原垃圾回收车工作过程中的燃油消耗量和发动机工作工况区域，从而完成液压混合动力垃圾回收车辆建模的参数以及获得原车燃油经济性参数。
图4 发动机转速计算值与测试值对比
Fig.4 Engine speed comparison between calculation values and measurement values
图5 车辆速度计算值与测试值对比
Fig.5 Vehicle speed comparison between calculation values and measurement values
3 液压混合动力车辆数学模型
3.1 功率平衡关系
发动机单独驱动车辆时：
(2)
式中：P为车辆需求功率；Pe为发动机输出功率；ηm为机械传动系统效率。
液压马达单独驱动车辆时：
(3)
式中：Pout为储能器输出功率；ηh为液压传动系统效率。
发动机和储能器共同驱动车辆时：
(4)
式中：
为发动机与液压泵的传动效率。
发动机驱动车辆同时给储能器充油时：
(5)
式中：Pin为储能器输入功率；ηT为发动机直接驱动 效率。
液压泵/马达提供制动扭矩制动车辆时：
(6)
式中：Pb为车辆需要的制动功率；ηb为液压系统制动能回收效率。
3.2 变量泵、双向变量泵/马达和储能器数学模型
车辆制动能量的回收和利用是通过液压变量泵、双向变量泵/马达和储能器来实现的，这些元件的数学描述如下。
对于液压变量泵：
(7)
式中：Pp为变量泵的泵出功率；ηvp为变量泵的容积效率；ηmp为变量泵的机械效率；np为变量泵的转速；Vp为变量泵的排量；?pp为变量泵进出口压力差。
对于双向变量泵/马达：
(8)
式中：Pm为马达的输出功率；ηvm为马达的容积效率；ηmm为马达的机械效率；nm为马达的转速；Vm为马达的排量；?pm为马达进出口压力差。
液压混合动力车辆的储能器由高压液体腔和气囊构成，储能器储存能量和释放能量的过程对应于气体被压缩和膨胀的多变过程。
(9)
式中：p0为储能器充气压力；V0为储能器充气压力下的气体体积；p为储能器压力；V为储能器压力为p时的气体体积；
为多变指数，本文计算设定气体的状态变化过程为等温过程，=1；C为常数。在计算求解过程中以一个很小的时间间隔?t将整个运行过程离散，则在?t内储能器气体做功为：
(10)
由式(9)和式(10)得：
(11)
式中：Vt1和Vt2为?t时间间隔内储能器压缩或者膨胀过程的开始和结束状态下的气体体积，当EA为负值时，储能器存储能量，当EA为正值时，储能器对外做功驱动车辆。若在?t时间间隔内为车辆制动过程，则：
(12)
式中：Eb为制动能；Tb为车轮处制动扭矩；nr为车轮转速。若在?t时间间隔内是车辆驱动过程，则
(13)
式中：Ed为车辆驱动能；Td为车轮驱动扭矩；?t的选取与GT-DRIVE模型的中的时间间隔相同。
此前GT-DRIVE运动学模型计算已经获得车辆各个时刻的制动扭矩Tb、驱动扭矩Td及对应转速nr，所以，可以计算获得各个时段内的Eb或Ed，再根据能量守恒定律确定储能器做功EA。
(14)
或
(15)
式中：
为液压式储能器功率占车辆总需求驱动功率的百分比，当车辆由储能器单独驱动时，=1；当发动机单独直接驱动车辆时，=0；当发动机与储能器共同驱动时，在0~1之间取值。
根据式(11)可以计算出储能器各个时刻的压力和容积，确定储能器的状态：
(16)
(17)
式中：pt2为气体压缩或膨胀过程结束时刻的压力。
3.3 发动机最佳经济性工作曲线
发动机最佳经济性工作点是每条等功率曲线上的燃油消耗率最小点[15]。将每条等功率曲线按转速 40 r/min进行离散化，得到一系列离散点。以发动机万有特性数据为依据，用二维插值的方法计算出每一离散点的燃油消耗率，然后，确定每条等功率曲线的燃油消耗率最小点。最后，对这些最佳经济性工作点采用五次多项式进行曲线拟合，得到1条曲线，并假定这条曲线就是发动机最佳经济性工作曲线。最佳经济性工作曲线与柴油机万有特性如图6所示。
图6 发动机万有特性
Fig.6 Engine universal characteristics
4 模拟计算结果及分析
根据液压混合动力车辆的能量策略及各元件数学模型，采用“If-then”结构编写车辆的燃油经济性计算程序，对液压混合动力垃圾回收车的工作过程进行模拟。与原车一样按指定的运行工况进行模拟计算，获得车辆在运行工况各分段内的燃油消耗量、发动机工作工况点分布、储能器的压力等。车辆燃油消耗量计算结果与原车结果对比如表2所示。
从表2可以看到：运行工况第①分段内液压混合动力车辆的节油潜力最小，只有3.76%。其主要原因是：在此分段内车辆从垃圾站向居民区行驶，大部分时间车速较高，发动机主要工作在经济区域；另外，此时车辆空载总质量较小，且制动工况很少，可回收利用的制动能量很小。
表2 车辆燃油消耗量计算结果
Table 2 Computation results of fuel consumption of vehicle
运行工况第②、第③分段内液压混合动力车辆的节油潜力非常大，分别节油43.30%和39.26%。这2个分段是垃圾回收车辆在居民区回收垃圾的过程，车辆起停非常频繁，且随着垃圾回收量的增加，车辆质量增大，可回收利用的制动能量相当大；另外，在这2个分段内车速低，原车发动机的工作点很多在低负荷非经济区域内，所以，有很大的节能潜力。由于整个运行工况的时间很长，故取第③分段前900 s内的参数进行代表性分析说明，如图7~10所示。
图7所示为原车发动机工作点的分布图。由图7可知：工作点大都分散在中低负荷区域，而且有很多工作点位于非经济区域。图8所示为液压混合动力车辆的发动机工作点分布图，可知借助于无级变速器发动机的工作点控制在最佳经济性曲线上，使得工作点集中且处在发动机的经济区域，燃油消耗量大大降低。
图9和图10所示分别为车速曲线和储能器内的压力曲线。从图9和图10可看到：车辆制动时液压马达以泵方式工作回收制动能量，储能器压力升高，存储能量；当车辆加速或匀速行驶时，液压马达单独或辅助驱动车辆，储能器压力降低，释放能量，以此节省燃油消耗。
图7 原垃圾回收车发动机工作点
Fig.7 Engine operation points of original trash recycling truck
图8 液压混合动力车辆发动机工作点
Fig.8 Engine operation points of Hydraulic Hybrid Vehicle
图9 车辆车速与时间的关系
Fig.9 Relationship between vehicle speed and time
图10 储能器压力与时间的关系
Fig.10 Relationship between accumulator pressure and time
运行工况第④分段是垃圾回收车已完成工作，车辆经高速路行驶返回的过程。此时制动工况很少，液压混合动力车辆节油潜力较小，但车辆满载垃圾质量很大，节油量比第①分段的要大，节油7.99%。
5 结论
(1) 液压混合动力车辆通过液压系统，可以回收车辆大部分制动能，并在需要时作为动力单独驱动或辅助驱动车辆行驶，减少了燃油消耗。
(2) 液压混合动力车辆可以使发动机负荷与车辆负荷分离，优化发动机工作点，使大部分工作点落在经济区域内，减少燃油消耗。
(3) 液压混合动力技术用于大质量常停常起工况的车辆上如垃圾回收车、城市公交车等，有很大的应用潜力。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2010-01-10；修回日期：2010-03-15
基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2008AA11A118)；国家支撑计划项目(2009BAG13B00)
通信作者：李军成(1982-)，男，广西桂林人，博士研究生，从事汽车发动技术、整车性能匹配研究；电话：13874875432；E-mail: lijuncheng2013@163.com
