CN103991373B - 液压混合动力车辆恒压网络动力系统参数匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种液压混合动力车辆恒压网络动力系统参数匹配方法，该液压混合动力车辆恒压网络动力系统中包括一个以上液压变压器，为简化计算将一个以上液压变压器所组成的液压变压器组等效为一个液压变压器，令为等效液压变压器；通过变压器等效功率、变压器等效流量和变压器等效排量来表示该等效液压变压器的性能。由此从计算系统的特征驱动力出发，通过各个参数之间的内在联系，逐步确定恒压网络的压力、等效液压变压器的性能参数以及液压变压器的个数、液压马达的排量及个数。该方法解决了含有液压变压器的液压混合动力车辆系统的参数匹配问题，匹配方法简单有效，参数的选择具有灵活性，适用性强。

Description

液压混合动力车辆恒压网络动力系统参数匹配方法

技术领域

发明涉及动力装置参数设计方法，具体涉及液压混合动力车辆恒压网络动力系统参数匹配方法，属于动力装置设计方法。

背景技术

目前的液压混合动力车辆液压系统的结构主要包括液压泵、泵/马达、高压蓄能器、低压蓄能器、液压油缸和若干液压阀。传统的液压混合动力车辆动力系统是泵控马达式的调速系统，即发动机带动液压泵运转，驱动液压马达旋转。泵控马达系统的参数匹配主要集中在液压泵、液压马达和蓄能器的匹配上，且各个元件的设计相对比较独立，不能提供系统全面的参数关系。

液压混合动力车辆恒压网络动力系统不同于传统的泵控马达动力系统，在恒压网络动力系统中存在功率耦合，在恒压网络和负载油路中存在着更为复杂的功率传递。一般的液压混合动力车辆的参数匹配过程为：首先根据发动机的转矩、功率和转速来计算所需液压泵的排量和转速范围，选取合适的液压泵；根据所设定的驱动力和制动力以及车速的变化范围来确定泵/马达的排量和转速，进而选取合适的泵/马达；制动时，蓄能器用来回收和存储能量，蓄能器的选择要考虑车辆的制动性能，要考虑的参数有容积、最高压力、最低压力等。但该方法并不适用于具有液压变压器的液压混合动力车辆恒压网络动力系统，液压变压器是沟通恒压网络和负载油路的枢纽，因此具有液压变压器的恒压网络动力系统的参数匹配则要兼顾功率耦合和系统性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种液压混合动力车辆恒压网络动力系统参数匹配方法，该方法针对具有液压变压器的液压混合动力车辆恒压网络动力系统，以车辆的基本结构参数和基本性能出发，通过各个参数之间的内在联系，逐步选取合适的参数，这样即能保证车辆的结构参数设计要求，也能保证车辆的动力性。

所述液压混合动力车辆恒压网络动力系统包括由高压蓄能器、低压蓄能器以及自由活塞发动机组成的恒压网络、一个以上液压变压器和一个以上液压马达；其特征在于，将一个以上液压变压器所组成的液压变压器组等效为一个液压变压器，令为等效液压变压器；通过变压器等效功率P_HT、变压器等效流量q_v和变压器等效排量V来表示该等效液压变压器的性能；

所述变压器等效功率P_HT为：P_HT＝p_Aq_v/60，变压器等效流量q_v为：q_V＝N_HTVn_HTmax/1000；其中p_A为恒压网络的压力，N_HT为液压变压器的个数，n_HTmax为等效液压变压器的最高转速；

则对液压混合动力车辆恒压网络动力系统进行参数匹配指获得恒压网络的压力p_A、变压器等效功率P_HT、变压器等效流量q_v、变压器等效排量V、液压变压器个数N_HT、液压马达排量V_m以及液压马达个数N_m；已知车辆的车重G，液压元件的许用压力为P_max，车轮半径为r，车辆的最大爬坡度为i_max，车辆的最高车速为u_amax和主减速比为i₀；

步骤一：定义当等效液压变压器的变压比为1.0时的车辆驱动力为系统的特征驱动力F_d，则： $F_d=\frac{p_A{N}_m{V}_m{i}_0}{2\mathrm{\πr}}---\left(1\right)$

依据车辆最大爬坡度i_max、车辆最大动力因数D_max与车辆驱动力之间的匹配关系可得：

$F_d=\frac{\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_T}{2}+{\mathrm{\θ}}_{\max })}{\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }}{D}_{\max }---\left(2\right)$

其中α_T为等效液压变压器配流盘T口的有效包角，θ_max为等效液压变压器的最大控制角；由此可获得特征驱动力F_d的值；

步骤二：当等效液压变压器达到其最大变压比λ_max时，其A口的压力即恒压网络压力p_A应小于液压元件的许用压力，即应有：由此可获得恒压网络压力p_A的值；

上述步骤一与步骤二的先后顺序不做限制；

步骤三：确定等效液压变压器的性能参数和液压变压器的个数N_HT

(301)当车辆以最高车速行驶时，车辆驱动力最大，此时风阻为主要的阻力，忽略地面摩擦力、加速阻力和爬坡阻力；则此时车辆驱动力为：

$F_{T\max }=\frac{C_D{{\mathrm{Au}}_{a\max }}^2}{21.15}=\frac{p_A{N}_m{V}_m{i}_0\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HT}}}{2\mathrm{\π}r\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_T}{2}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HT}})}---\left(3\right)$

其中C_D为风阻系数，A为车辆迎风面积，θ_HT为车辆以最高车速行驶时等效液压变压器的控制角；

则：

$P_{\mathrm{HT}}=p_A{q}_v/60=\frac{F_d{u}_{a\max }\sqrt{{\left(\frac{C_D{{\mathrm{Au}}_{a\max }}^2}{21.15F_d}\right)}^2-\frac{C_D{{\mathrm{Au}}_{a\max }}^2}{21.15F_d}+1}}{2700}---\left(4\right)$

由此获得变压器等效功率P_HT；

(302)：获得变压器等效功率P_HT及恒压网络压力p_A后，依据式P_HT＝p_Aq_v/60可求得变压器等效流量q_v；

(303)：计算液压变压器个数N_HT和变压器等效排量V：

依据变压器等效流量q_V＝N_HTVn_HTmax/1000则有：

$N_{\mathrm{HT}}V=\frac{q_v}{n_{\mathrm{HT}\max }}---\left(5\right)$

依据所要设计车辆的结构形式，即依据所给定的液压变压器的个数N_HT，便可求得变压器等效排量V；

步骤四：计算液压马达排量V_m和液压马达个数N_m

依据式(1) $F_d=\frac{p_A{N}_m{V}_m{i}_0}{2\mathrm{\πr}}$ 可求得：

$N_m{V}_m=\frac{2\mathrm{\πr}{F}_d}{P_A{i}_0}---\left(6\right)$

由此可得到液压马达排量V_m和个数N_m的乘积，依据所要设计车辆的结构形式，即依据所给定的液压马达的个数N_m，便可求得液压马达排量V_m；

上述步骤三与步骤四的先后顺序不做限制。

有益效果：

(1)该方法解决了含有液压变压器的液压混合动力车辆系统的参数匹配问题，匹配方法简单有效，参数的选择具有灵活性，适用性强。

(2)采用该方法在对恒压网络动力系统进行设计时，为简化设计过程，将液压变压器组作为一个整体，即等效为一个液压变压器，仅通过变压器等效功率、变压器等效流量和变压器等效排量三个参数便可完成对液压变压器组的参数匹配，大大简化了参数匹配过程。

(3)以车辆驱动力为出发点，通过各个参数之间的内在联系，逐步选取合适的参数，这样能够保证车辆的结构参数设计要求，而且能够保证车辆的动力性，即加速性能、爬坡性能和最高车速。

附图说明

图1为车辆恒压网络液压驱动系统简图；

图2为该参数设计方法的设计流程图；

图3为变压器最大等效功率图；

图4为变压器最大等效流量；

图5为泵/马达转速—排量曲线。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种液压混合动力车辆恒压网络动力系统参数匹配方法，解决了含有液压变压器的液压混合动力车辆系统的参数匹配问题，匹配方法简单有效，参数的选择具有灵活性，适用性强。

具有液压变压器的液压混合动力车辆恒压网络动力系统简图如图1所示，包括由高压蓄能器、低压蓄能器以及自由活塞发动机组成的恒压网络、一个以上液压变压器和一个以上液压马达等。由于恒压网络动力系统中压力恒定，其采用的液压变压器的个数不会对网络中的压力带来影响，在对恒压网络动力系统进行设计时只需综合考虑其整体的功率、流量和排量。因此，为简化计算，将一个以上液压变压器所组成的液压变压器组等效为一个液压变压器，令为等效液压变压器；通过变压器等效功率P_HT、变压器等效流量q_v和变压器等效排量V来表示该等效液压变压器的性能。所述变压器等效功率P_HT为：P_HT＝p_Aq_v/60，变压器等效流量q_v为：q_V＝N_HTVn_HTmax/1000；其中p_A为恒压网络的压力，N_HT为液压变压器的个数，n_HTmax为等效液压变压器的最高转速。

则对该系统进行参数匹配指获得恒压网络的压力p_A、变压器等效功率P_HT、变压器等效流量q_v、变压器等效排量V、液压变压器个数N_HT、液压马达排量V_m以及液压马达个数N_m。

该方法的具体步骤为：

步骤一：确定车辆的车重G，液压元件许用压力P_max，车轮半径r，最大爬坡度i_max，最高车速u_max和主减速比i₀，并将这些参数作为已知参数。

步骤二：获取恒压网络动力系统的特征驱动力F_d，特征驱动力指等效液压变压器变压比为1.0时的车辆驱动力。

已知车辆驱动力F_T为：

$F_T=\mathrm{mgf}\cos \mathrm{\α}+\mathrm{mg}\sin \mathrm{\α}+\frac{C_D{{\mathrm{Au}}_a}^2}{21.15}+\mathrm{\σm}\frac{{\mathrm{du}}_a}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

其中：m为车辆的质量，f为滚阻系数，α为道路坡度，C_D为风阻系数，A为车辆迎风面积，u_a为车速，σ为转动质量换算系数，为车辆的加速度。

在公式(1)中，mgfcosα为地面摩擦力，mgsinα为爬坡阻力，空气阻力(即风阻)，加速阻力。当车辆爬坡时车速较低，可忽略空气阻力和加速阻力，则有：

F_T＝mgfcosα+mgsinα(2)

已知： $\left\{\begin{array}{c}\frac{p_B}{p_A}=-\frac{\sin \frac{{\mathrm{\α}}_A}{2}\sin \mathrm{\θ}}{\sin \frac{{\mathrm{\α}}_B}{2}\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_T}{2}+\mathrm{\θ})}\\ M_m=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_m{V}_m}{2\mathrm{\π}}=\frac{F_{T}r}{N_m{i}_0}\\ \mathrm{\Δ}{P}_m=\left|p_B\right|\end{array}\right.---\left(3\right)$

则有： $\frac{p_A{N}_m{V}_m{i}_0}{2\mathrm{\πr}}\frac{\sin \frac{{\mathrm{\α}}_A}{2}\sin \mathrm{\θ}}{\sin \frac{{\mathrm{\α}}_B}{2}\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_T}{2}+\mathrm{\θ})}=F_T=\mathrm{Gf}\cos \mathrm{\α}+G\sin \mathrm{\α}---\left(4\right)$

其中：p_A为等效液压变压器A口压力，即恒压网络压力；p_B为等效液压变压器B口压力，同时也是负载油路的压力；α_A、α_B、α_T分别为等效液压变压器配流盘A、B、T口的有效包角，θ为等效液压变压器的控制角，M_m液压马达的输出力矩，V_m为马达排量，N_m为马达个数。

在进行动力系统参数匹配时，等效液压变压器配流盘A、B、T口的有效包角按照等相来计算，即设定α_A、α_B、α_T均为120°，则式(4)可简化为：

$\frac{p_A{N}_m{V}_m{i}_0\sin \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}r\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_T}{2}+\mathrm{\θ})}=F_T=\mathrm{Gf}\cos \mathrm{\α}+G\sin \mathrm{\α}---\left(5\right)$

已知液压混合动力车辆最大爬坡度i_max为：

$i_{\max }=\tan {\mathrm{\α}}_{\max }=\frac{D_{\max }-f\sqrt{f^2-{D_{\max }}^2+1}}{f{D}_{\max }+\sqrt{f^2-{D_{\max }}^2+1}}---\left(6\right)$

其中：D_max为车辆最大动力因数，α_max为道路最大坡度，式(6)中最大爬坡度i_max已知，滚阻系数f已知，则可计算出车辆最大动力因数D_max的值。

而车辆最大动力因数D_max＝F_Tmax/G，通过式(5)可得：

$D_{\max }=\frac{p_A{N}_m{V}_m{i}_0\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }}{2\mathrm{\π}\mathrm{rG}\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_T}{2}+{\mathrm{\θ}}_{\max })}---\left(7\right)$

恒压网络动力系统的特征驱动力F_d为：

$F_d=\frac{p_A{N}_m{V}_m{i}_0}{2\mathrm{\πr}}---\left(8\right)$

综合式(7)和式(8)，便可得到：

$F_d=\frac{\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_T}{2}+{\mathrm{\θ}}_{\max })}{\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }}{D}_{\max }---\left(9\right)$

式(9)中，等效液压变压器的最大控制角θ_max，等效液压变压器配流盘T口的有效包角α_T均已知，车辆最大动力因数D_max已通过公式(6)获得，由此可求得特征驱动力F_d的值。

步骤三：确定恒压网络压力p_A

当等效液压变压器达到其最大变压比λ_max时，其A口的压力即恒压网络压力p_A应小于液压元件的许用压力，即应有：

$p_A\≤\frac{p_{\max }}{{\mathrm{\λ}}_{\max }}---\left(10\right)$

其中：λ_max为等效液压变压器的最大变压比，恒压网络压力值p_A的经验范围为(20MPa,42MPa)，结合公式(10)选取p_A的值。

步骤四：确定变压器等效功率P_HT

当车辆以最高车速行驶时，车辆驱动力F_T最大，此时风阻为主要的阻力，可忽略地面摩擦力、加速阻力和爬坡阻力。即当车辆以最高车速行驶时，车辆驱动力为：

$F_{T\max }=\frac{C_D{{\mathrm{Au}}_{a\max }}^2}{21.15}---\left(11\right)$

结合式(5)和(11)则有：

$\frac{p_A{N}_m{V}_m{i}_0\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HT}}}{2\mathrm{\π}r\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_T}{2}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HT}})}=\frac{C_{D}A}{21.15}{u_{a\max }}^2---\left(12\right)$

其中θ_HT为车辆以最高车速行驶时等效液压变压器的控制角。

令 $\mathrm{\Ω}=\frac{2\mathrm{\πr}\frac{C_D{{\mathrm{Au}}_{a\max }}^2}{21.15}}{p_A{N}_m{V}_m{i}_0\mathrm{\η}},$ 则有：

$\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_T}{2}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{HT}})=\frac{\sqrt{3}}{2\sqrt{{\mathrm{\Ω}}^2-\mathrm{\Ω}+1}}---\left(13\right)$

$u_{a\max }=\frac{9\mathrm{\πr}{N}_{\mathrm{HT}}V}{100N_m{i}_0{V}_m\sqrt{{\mathrm{\Ω}}^2-\mathrm{\Ω}+1}}{n}_{\mathrm{HT}\max }---\left(14\right)$

而变压器等效功率为：P_HT＝p_Aq/_v60(15)

变压器等效流量q_v为：q_V＝N_HTVn_HTmax/1000(16)

其中n_HTmax为等效液压变压器最高转速。

联立式(12)-(16)，可求得：

$P_{\mathrm{HT}}=\frac{F_d{u}_{a\max }\sqrt{{\left(\frac{C_D{{\mathrm{Au}}_{a\max }}^2}{21.15F_d}\right)}^2-\frac{C_D{{\mathrm{Au}}_{a\max }}^2}{21.15F_d}+1}}{2700}---\left(17\right)$

考虑设计中的效率问题和设计余量，一般取 $P_{\mathrm{HT}}\≥\frac{F_d{u}_{a\max }\sqrt{{\left(\frac{C_D{{\mathrm{Au}}_{a\max }}^2}{21.15F_d}\right)}^2-\frac{C_D{{\mathrm{Au}}_{a\max }}^2}{21.15F_d}+1}}{2700}.$ 在式(17)中，车辆的最高车速u_max已知，特征驱动力F_d已在步骤二中获得，风阻系数C_D以及车辆迎风面积A均已知，则可通过式(17)求得等效液压变压器的最小等效功率，变压器等效功率一般选取该最小值附近的值。

步骤五：获取变压器等效流量q_v

获得变压器等效功率P_HT之后，依据式P_HT＝p_Aq_v/60可求得液压变压器等效流量q_v。

步骤六：获取变压器个数N_HT和等效排量V

依据液压变压器等效流量q_V＝N_HTVn_HTmax有：

$N_{\mathrm{HT}}V=\frac{q_v}{n_{\mathrm{HT}\max }}---\left(18\right)$

其中n_HTmax为液压变压器最高转速，一般最高转速为3000r/min，液压变压器等效流量q_v已在步骤五中获得，由此可得到液压变压器等效排量V和个数N_HT的乘积，依据所要设计车辆的结构形式，即依据所给定的液压变压器的个数N_HT，便可求得液压变压器的等效排量V；液压变压器的个数N_HT一般为1个或2个。

步骤七：获取马达排量V_m和马达个数N_m

依据式(8) $F_d=\frac{p_A{N}_m{V}_m{i}_0}{2\mathrm{\πr}}$ 可求得：

$N_m{V}_m=\frac{2\mathrm{\πr}{F}_d}{P_A{i}_0}---\left(19\right)$

其中特征驱动力F_d已在步骤二获得，主减速比i₀已知，恒压网络压力p_A已在步骤三获得，由此可得到马达排量V_m和个数N_m的乘积，依据所要设计车辆的结构形式，即依据所给定的液压马达的个数N_m，便可求得马达排量V_m；液压马达的个数N_m一般为1个、2个或4个。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.液压混合动力车辆恒压网络动力系统参数匹配方法，所述液压混合动力车辆恒压网络动力系统包括由高压蓄能器、低压蓄能器以及自由活塞发动机组成的恒压网络、一个以上液压变压器和一个以上液压马达；其特征在于，将一个以上液压变压器所组成的液压变压器组等效为一个液压变压器，令为等效液压变压器；通过变压器等效功率P_HT、变压器等效流量q_v和变压器等效排量V来表示该等效液压变压器的性能；

所述变压器等效功率P_HT为：P_HT＝p_Aq_v/60，变压器等效流量q_v为：q_V＝N_HTVn_HTmax/1000；其中p_A为恒压网络的压力，N_HT为液压变压器的个数，n_HTmax为等效液压变压器的最高转速；

则对液压混合动力车辆恒压网络动力系统进行参数匹配指获得恒压网络的压力p_A、变压器等效功率P_HT、变压器等效流量q_v、变压器等效排量V、液压变压器个数N_HT、液压马达排量V_m以及液压马达个数N_m；已知车辆的车重G，液压元件的许用压力为P_max，车轮半径为r，车辆的最大爬坡度为i_max，车辆的最高车速为u_amax和主减速比为i₀；

步骤一：定义当等效液压变压器的变压比为1.0时的车辆驱动力为系统的特征驱动力F_d，则： $F_d=\frac{p_A{N}_m{V}_m{i}_0}{2\mathrm{\π}r}---\left(1\right)$

依据车辆最大爬坡度i_max、车辆最大动力因数D_max与车辆驱动力之间的匹配关系可得：

$F_d=\frac{sin(\frac{{\mathrm{\α}}_T}{2}+{\mathrm{\θ}}_{max})}{{\mathrm{sin\θ}}_{max}}{D}_{max}---\left(2\right)$

其中α_T为等效液压变压器配流盘T口的有效包角，θ_max为等效液压变压器的最大控制角；由此可获得特征驱动力F_d的值；

步骤二：当等效液压变压器达到其最大变压比λ_max时，其A口的压力即恒压网络压力p_A应小于液压元件的许用压力，即应有：由此可获得恒压网络压力p_A的值；

上述步骤一与步骤二的先后顺序不做限制；

步骤三：确定等效液压变压器的性能参数和液压变压器的个数N_HT

(301)当车辆以最高车速行驶时，车辆驱动力最大，此时风阻为主要的阻力，忽略地面摩擦力、加速阻力和爬坡阻力；则此时车辆驱动力为：

$F_{Tmax}=\frac{C_D{{\mathrm{Au}}_{a\max }}^2}{21.15}=\frac{p_A{N}_m{V}_m{i}_0{\mathrm{sin\θ}}_{HT}}{2\mathrm{\π}r\sin (\frac{{\mathrm{\α}}_T}{2}+{\mathrm{\θ}}_{HT})}---\left(3\right)$

其中C_D为风阻系数，A为车辆迎风面积，θ_HT为车辆以最高车速行驶时等效液压变压器的控制角；

则：

$P_{HT}=p_A{q}_v/60=\frac{F_d{u}_{amax}\sqrt{{\left(\frac{C_D{{\mathrm{Au}}_{a\max }}^2}{21.15F_d}\right)}^2-\frac{C_D{{\mathrm{Au}}_{a\max }}^2}{21.15F_d}+1}}{2700}---\left(4\right)$

由此获得变压器等效功率P_HT；

(302)：获得变压器等效功率P_HT及恒压网络压力p_A后，依据式P_HT＝p_Aq_v/60可求得变压器等效流量q_v；

(303)：计算液压变压器个数N_HT和变压器等效排量V：

依据变压器等效流量q_V＝N_HTVn_HTmax/1000则有：

$N_{HT}V=\frac{1000q_V}{n_{HT\max }}---\left(5\right)$

依据所要设计车辆的结构形式，即依据所给定的液压变压器的个数N_HT，便可求得变压器等效排量V；

步骤四：计算液压马达排量V_m和液压马达个数N_m

依据式(1)可求得：

$N_m{V}_m=\frac{2{\mathrm{\πrF}}_d}{p_A{i}_0}---\left(6\right)$

由此可得到液压马达排量V_m和个数N_m的乘积，依据所要设计车辆的结构形式，即依据所给定的液压马达的个数N_m，便可求得液压马达排量V_m；

上述步骤三与步骤四的先后顺序不做限制。

2.如权利要求1所述的液压混合动力车辆恒压网络动力系统参数匹配方法，其特征在于，所述步骤二中，确定恒压网络压力p_A时，综合公式和恒压网络压力值p_A的经验范围(20MPa,42MPa)获得恒压网络压力p_A的取值范围，选取该范围内的最大值作为所确定的恒压网络压力p_A值。

3.如权利要求1所述的液压混合动力车辆恒压网络动力系统参数匹配方法，其特征在于，液压变压器的个数N_HT为1个或2个。

4.如权利要求1所述的液压混合动力车辆恒压网络动力系统参数匹配方法，其特征在于，液压马达的个数N_m为1个、2个或4个。