CN113864289A - 一种混合动力汽车液压系统的仿真平台及其实现方法 - Google Patents

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CN113864289A CN202111081680.0A CN202111081680A CN113864289A CN 113864289 A CN113864289 A CN 113864289A CN 202111081680 A CN202111081680 A CN 202111081680A CN 113864289 A CN113864289 A CN 113864289A
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Abstract

本发明属于混合动力汽车液压系统技术领域。一种混合动力汽车液压系统的仿真平台，包括液压系统、液压仿真模型和控制器；所述液压系统包括进油装置、回油装置、油池和测试工件，所述进油装置与油池通过进油管路连接，所述油池与测试工件连接；所述油池与回油装置通过回油管路连接；所述液压系统和液压仿真模型分别与所述控制器连接；所述控制器用于向所述液压系统和液压仿真模型发送控制指令。本发明将液压仿真模型和液压系统的物理模型进行有效耦合，构建混合动力汽车液压系统的仿真平台，能最大限度的模拟系统实际运行工况，提高液压系统效率，实现对新能源汽车电驱变速箱的换挡与离合器驱动控制性能判定。

Description

一种混合动力汽车液压系统的仿真平台及其实现方法
技术领域
本发明属于混合动力汽车液压系统技术领域，具体涉及一种混合动力汽车液压系统的仿真平台及其实现方法。
背景技术
在石油资源供应日渐缺乏和保护环境可持续发展的要求下，寻找新能源代替传统燃料已然成为了国际性问题。以电力为主的新能源技术被积极应用到汽车生产中，为了弥补纯电动汽车动力不足、续驶里程短的缺陷，将电机和内燃机整合为一体的混合动力汽车便应运而生了。为了适应混合动力车型的需要，混合动力汽车液压系统的研究技术也成为了目前的当务之急。混合动力汽车液压系统用于混合动力汽车电驱变速箱的换挡和离合器驱动控制，液压系统是一种以油液作为工作介质，利用油液的压力能并通过控制阀门等附件操纵液压执行机构工作的整套装置，液压系统中性能受到影响的主要原因为液压泵的输出流量、输出压力不能与负载需求的流量、压力相匹配，或者液压泵、阀类元件产生压力损失。而对混合动力汽车液压系统运行优化性能，缺乏有效的验证手段，若通过纯数学仿真进行研究，仿真参数设置固定，仿真模型输出结果较为固定，无法客观反映实际情况，仿真结果与实际情况差异大；若通过纯物理模型开展实验研究，需要较长研发时间，且系统灵活可控性较差，无法实现物理系统的实时调整。将仿真模型与物理模型有机结合的半实物仿真技术，能够最大限度的反映实际液压系统运行优化状况，同时保留部分仿真验证的灵活可控性。
发明内容
本发明克服了上述技术问题的缺点，提供了一种混合动力汽车液压系统的仿真平台及其实现方法，将液压仿真模型和液压系统的物理模型进行有效耦合，构建基于半实物仿真的混合动力汽车液压系统，最大限度的模拟系统实际运行工况，使液压泵与负载相互匹配、保证系统设备较高的灵活可控性，提高液压系统效率，实现对新能源汽车电驱变速箱的换挡与离合器驱动控制性能判定。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种混合动力汽车液压系统的仿真平台，包括液压系统、液压仿真模型和控制器；所述液压系统包括进油装置、回油装置、油池和测试工件，所述进油装置与油池通过进油管路连接，所述油池与测试工件连接；所述油池与回油装置通过回油管路连接；液压仿真模型用于模拟真实混合动力汽车液压系统；所述液压系统和液压仿真模型分别与所述控制器连接；所述控制器用于向所述液压系统和液压仿真模型发送控制指令。
作为本发明的进一步改进，所述进油装置包括清洁油箱、油泵电机、进油泵、节流阀、单向阀和第一过滤器，所述清洁油箱与进油泵的输入端连接；所述油泵电机与所述进油泵连接驱动所述进油泵工作，所述进油泵的输出端与所述节流阀连接；所述油池的输入端设有单向阀；所述进油管路中设置有第一过滤器；所述第一过滤器位于节流阀与单向阀之间；
所述回油装置包括回油油箱、回油泵、溢流阀和第二过滤器；所述油池的输出端与所述回油泵的输入端连接，所述回油泵的输出端与所述回油油箱的输入端连接；所述回油管路中设置有所述溢流阀；所述回油回油管路中设置有第二过滤器。
作为本发明的进一步改进，所述清洁油箱和回油油箱内均设有液位传感器。
作为本发明的进一步改进，所述清洁油箱内设有清洁度传感器。
作为本发明的进一步改进，所述清洁油箱内还设有温度传感器、加热器和冷却器。
作为本发明的进一步改进，所述进油管路与回油管路上分别设有压力表。
本发明还提供一种混合动力汽车液压系统的仿真平台的实现方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、根据液压系统的原理结构在AMESim软件里搭建液压系统的物理模型；
步骤二、基于液压系统的物理模型进行图形化建模后，利用Matlab/Simulink仿真软件建立液压仿真模型，根据系统的物理模型搭建各个液压元件，然后根据系统的功率流程连接各个元件的模型；
步骤三、在Simulink平台中为液压仿真模型中的各个元件的仿真模型设置参数并进行仿真；
步骤四、将液压系统的物理模型、液压仿真模型耦合后进行联合仿真，对液压系统和液压仿真模型采用控制器进行控制，构建机电一体化的混合动力汽车液压系统仿真平台。
作为本发明的进一步改进，所述步骤二中液压仿真模型包括：液压泵的数学模型、单向阀的数学模型、节流阀的数学模型、溢流阀的数学模型；
液压泵作为液压系统的动力源，具体数学模型为：
Figure BDA0003264298160000031
其中，q1为液压泵的实际流量；q0为液压泵的理论流量；G0为液压泵的液导；进口油压为P0；出油口的压力为P1；V1为液压泵的出口容积；K为油液体积弹性模量；
单向阀作为液压系统中的液阻元件，其数学模型为：
Figure BDA0003264298160000032
其中，q1为通过单向阀的流量；R1为单向阀液阻，R1＝128μl/πd4＝3.125×107m3.Pa.S；P2为单向阀进口压力；P3为单向阀出口压力；
节流阀，能对液压系统的油路起到稳定作用，其具体的数学模型如下：
Figure BDA0003264298160000033
其中，q3为通过节流阀的流量；R2为节流阀的液阻；G1为节流阀的液导，G1＝3.09×10-7m3.Pa-1.S-1；P5为节流阀的进口压力，p4为节流阀的出口压力；
溢流阀，能维持液压系统的油路压力于恒定，其具体的数学模型如下：
q4＝C(p6-p7)；
其中，q4为通过溢流阀的流量；C为溢流阀综合流量系数，C＝0.964Re-0.05，Re为液体的雷诺数，此处取管道雷诺数为1500，那么C＝0.669；p6为溢流阀的进口压力；p7为溢流阀的出口压力。
作为本发明的进一步改进，所述液压泵包括进油泵和回油泵。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的混合动力汽车液压系统的仿真平台，根据设备参数建立该仿真平台的液压系统、液压仿真模型和控制器，通过对液压系统进行改进，有利于使液压泵与负载相互匹配、提高液压系统效率，控制器向液压系统发送控制指令，液压系统在接收到控制器发送的控制指令后，驱动液压仿真模型中的元件进行工作，从而实现模拟液压的动态特性，对所述液压系统、液压仿真模型和控制器进行联合仿真，有效缩短了设备的系统建模时间，提升了仿真模型的准确度。
本发明混合动力汽车液压系统的仿真平台的实现方法，在传统纯数学仿真的基础上，综合考虑系统的测试重点、安全性和灵活性以及实验条件，将液压仿真模型与液压系统的物理模型结合，达到更接近真实系统运行工况的优化性能测试，同时保留仿真验证的灵活可控性。通过对液压泵的数学模型、单向阀的数学模型、节流阀的数学模型、溢流阀的数学模型进行建模，探究在液压系统中性能受到影响的主要因素，以便掌握液压系统的能耗情况，提高系统效率。
附图说明
图1是本发明一种混合动力汽车液压系统的仿真平台的结构框图；
图2是本发明液压系统的简化框图A；
图3是本发明液压系统的简化框图B；
图4是本发明液压系统的液压原理图；
图5是本发明液压仿真模型的Simulink仿真图；
图6是本发明实施例流经进油泵组的流量仿真图；
图7是本发明实施例流经阀体的流量仿真图；
图8是本发明实施例流经回油泵组的流量仿真图。
其中，附图中标记为：1、液压系统；2、液压仿真模型；3、控制器；4、进油装置；5、回油装置、6、油池；7、测试工件；8、清洁油箱；9、油泵电机；10、进油泵；11、节流阀；12、单向阀；13、第一过滤器；14、回油油箱；15、回油泵；16、溢流阀；17、第二过滤器；18、液位传感器；19、清洁度传感器；20、加热器；21、冷却器；22、温度传感器；23、压力表；24、液位开关；25、第三过滤器；
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。需要说明的是，本发明的具体实施例只是为了能更清楚的描述技术方案，而不能作为本发明保护范围的一种限制。
请参阅图1-图7，一种混合动力汽车液压系统的仿真平台，包括液压系统1、液压仿真模型2和控制器3；所述液压系统1包括进油装置4、回油装置5、油池6和测试工件7，所述进油装置4与油池6通过进油管路连接，所述油池6与测试工件7连接；所述油池6与回油装置5通过回油管路连接；液压仿真模型2用于模拟真实混合动力汽车液压系统；所述液压系统1和液压仿真模型2分别与所述控制器连接；所述控制器用于向所述液压系统1和液压仿真模型2发送控制指令。
作为本发明的进一步改进，所述进油装置4包括清洁油箱8、油泵电机9、进油泵10、节流阀11、单向阀12和第一过滤器13，所述清洁油箱8与进油泵10的输入端连接；所述油泵电机9与所述进油泵10连接驱动所述进油泵10工作，所述进油泵10的输出端与所述节流阀11连接；所述油池6的输入端设有单向阀12；所述进油管路中设置有第一过滤器13；所述第一过滤器13位于节流阀11与单向阀12之间；
所述回油装置5包括回油油箱14、回油泵15、溢流阀16和第二过滤器17；液压系统1的油箱包括清洁油箱8和回油油箱14，中间用隔板隔开，所述油池6的输出端与所述回油泵15的输入端连接，所述回油泵15的输出端与所述回油油箱14的输入端连接；所述回油管路中设置有所述溢流阀16，系统中多余油液通过该溢流阀16流回回油油箱14内，用于控制回油管路的实际液位；所述回油回油管路中设置有第二过滤器17。对于进油管路中的第一过滤器13选择过滤精度为3μm的过滤器，回油管路中的第二过滤器17采用2级过滤，最高过滤精度为10μm；清洁油箱8与回油油箱14内还设有第三过滤器25，第三过滤器25为空气过滤器；进油泵10和回油泵15的类型均采用叶片泵，叶片泵具有输油量均匀，压力脉动较小，容积效率较高，但结构比较复杂，对油液污染比较敏感。上位机通过CAN通讯卡与控制器3通讯，按照检测的流程来控制油泵电机9和各个阀体。通过理论计算出阀体和管路的参数，包括各种元器件的型号选择。再根据液压系统1的原理图，在仿真软件环境下建立液压系统1的动态仿真模型，并对所述液压系统1、液压仿真模型2和控制器3进行联合仿真，通过仿真来验证理论计算的正确性，以及对各个系统进行动态分析。从而实现对新能源汽车电驱变速箱的换挡与离合器驱动控制性能判定。
作为本发明的进一步改进，所述清洁油箱8和回油油箱14内均设有液位传感器18和液位开关24；所述清洁油箱8内设有清洁度传感器19、加热器20和冷却器21，清洁度传感器19用于测试油品的清洁度，实时监测液压油的污染程度。
作为本发明的进一步改进，所述油池6内设有温度传感器22。所述进油管路与回油管路上分别设有压力表23与溢流阀16，用来检测油路中液压油的压力大小，及时进行疏通。
本发明的混合动力汽车液压系统的仿真平台，根据设备参数建立该仿真平台的液压系统1、液压仿真模型2和控制器3，通过对液压系统1进行改进，有利于使液压泵与负载相互匹配、提高液压系统1效率，控制器向液压系统1发送控制指令，液压系统1在接收到控制器发送的控制指令后，驱动液压仿真模型2中的元件进行工作，从而实现模拟液压的动态特性，对所述液压系统1、液压仿真模型2和控制器3进行联合仿真，有效缩短了设备的系统建模时间，提升了仿真模型的准确度。
本发明还提供一种混合动力汽车液压系统的仿真平台的实现方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、根据液压系统1的原理结构在AMESim软件里搭建液压系统1的物理模型；
步骤二、基于液压系统1的物理模型进行图形化建模后，利用Matlab/Simulink仿真软件建立液压仿真模型2，液压仿真模型2用于模拟真实混合动力汽车液压系统；根据系统的物理模型搭建各个液压元件，然后根据系统的功率流程连接各个元件的模型；
步骤三、在Simulink平台中为液压仿真模型2中的各个元件的仿真模型设置参数并进行仿真；
步骤四、将液压系统1的物理模型、液压仿真模型2耦合后进行联合仿真，对液压系统1和液压仿真模型2采用控制器进行控制，构建机电一体化的混合动力汽车液压系统仿真平台。
作为本发明的进一步改进，所述步骤二中液压仿真模型2包括：液压泵的数学模型、单向阀1212的数学模型、节流阀1111的数学模型、溢流阀1616的数学模型；其中，所述液压泵包括进油泵10和回油泵15。
液压泵作为液压系统的动力源，具体数学模型为：
Figure BDA0003264298160000061
其中，q1为液压泵的实际流量；q0为液压泵的理论流量；G0为液压泵的液导；进口油压为P0；出油口的压力为P1；V1为液压泵的出口容积；K为油液体积弹性模量；
单向阀12作为液压系统中的液阻元件，其数学模型为：
Figure BDA0003264298160000062
其中，q1为通过单向阀12的流量；R1为单向阀12液阻，R1＝128μl/πd4＝3.125×107m3.Pa.S；P2为单向阀12进口压力；P3为单向阀12出口压力；则单向阀12流量方程为：
Figure BDA0003264298160000071
节流阀11，能对液压系统的油路起到稳定作用，其具体的数学模型如下：
Figure BDA0003264298160000072
其中，q3为通过节流阀11的流量；R2为节流阀11的液阻；G1为节流阀11的液导，G1＝3.09×10-7m3.Pa-1.S-1；P5为节流阀11的进口压力，p4为节流阀11的出口压力；则节流阀11的数学模型可以写为：
q2＝3.09×10-7(p5-p4)；
溢流阀16，能维持液压系统的油路压力于恒定，在液压大系统中若忽略液动力、库伦摩擦、粘性阻尼和阀芯重力的影响，可将溢流阀16的流量方程进行简化得到其具体的数学模型如下：
q4＝C(p6-p7)；
其中，q4为通过溢流阀16的流量；C为溢流阀16综合流量系数，C＝0.964Re-0.05，Re为液体的雷诺数，此处取管道雷诺数为1500，那么C＝0.669；p6为溢流阀16的进口压力；p7为溢流阀16的出口压力。则溢流阀16的数学模型可以写成：
q4＝0.669(p6-p7)；
结合液压系统简化图和得出的液压泵与各个阀的数学模型，在Simulink环境下进行仿真。
本发明仿真平台主要是对液压系统1中的泵组以及各类阀体进行动态仿真，通过计算各种数学模型，做好仿真前的准备。本实施例中涉及液压泵的额定转速为1500rpm，排量为9.8ml/r。整个仿真过程包括输入、中间传输、输出响应，以液压系统1中液压泵的排量为输入信号，以输出的压力为输出信号，通过仿真分别得到系统中泵和各类阀体的压力随系统工作时间的变化。其中，各类阀体包括单向阀12、节流阀11或者溢流阀16。
参见图3和图6，油泵电机9将测试油从清洁油箱8中抽出，随着油泵电机9转速趋于稳定，流经进油泵10的油液流量也会趋于稳定，整体上测试油流经进油泵10的量随时间的变化趋势呈线性关系。仿真过程中将进油泵10的排量作为输入信号，经过仿真显示图形如图6，显示的结果为压力随时间的变化趋势，基本符合。
参见图7，测试油被液压泵抽出之后通过节流阀11和单向阀12进入油池6，然后从出油口流出，由于系统有一定的压力限制。因此节流阀11和单向阀12都是为了保证系统管路的油压稳定，从节流阀11和单向阀12的模型中可以看出油压和流量呈线性关系。经过节流阀11和单向阀12之后管路中的油压随时间也是呈线性关系，根据仿真结果可以看出大致与实际相符合。
参见图8，整个液压系统1中的泵组都选用同一种型号,所以当回油泵15组的转速达到额定转速时，理论上流经的油液也逐渐趋于稳定，随时间呈线性的关系。经过回油泵15组之后的油压随时间也应该是线性关系，与仿真图基本符合。
本发明将液压仿真模型2与液压系统1的物理模型结合，达到更接近真实系统运行工况的优化性能测试，同时保留仿真验证的灵活可控性。通过对液压泵的数学模型、单向阀12的数学模型、节流阀11的数学模型、溢流阀16的数学模型进行建模，探究在液压系统1中性能受到影响的主要因素，以便掌握液压系统1的能耗情况，提高系统效率。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (9)

1.一种混合动力汽车液压系统的仿真平台，其特征在于，包括液压系统(1)、液压仿真模型(2)和控制器(3)；所述液压系统(1)包括进油装置(4)、回油装置(5)、油池(6)和测试工件(7)，所述进油装置(4)与油池(6)通过进油管路连接，所述油池(6)与测试工件(7)连接；所述油池(6)与回油装置(5)通过回油管路连接；液压仿真模型(2)用于模拟真实混合动力汽车液压系统；所述液压系统(1)和液压仿真模型(2)分别与所述控制器连接；所述控制器用于向所述液压系统(1)和液压仿真模型(2)发送控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车液压系统的仿真平台，其特征在于：所述进油装置(4)包括清洁油箱(8)、油泵电机(9)、进油泵(10)、节流阀(11)、单向阀(12)和第一过滤器(13)，所述清洁油箱(8)与进油泵(10)的输入端连接；所述油泵电机(9)与所述进油泵(10)连接驱动所述进油泵(10)工作，所述进油泵(10)的输出端与所述节流阀(11)连接；所述油池(6)的输入端设有单向阀(12)；所述进油管路中设置有第一过滤器(13)；所述第一过滤器(13)位于节流阀(11)与单向阀(12)之间；
所述回油装置(5)包括回油油箱(14)、回油泵(15)、溢流阀(16)和第二过滤器(17)；所述油池(6)的输出端与所述回油泵(15)的输入端连接，所述回油泵(15)的输出端与所述回油油箱(14)的输入端连接；所述回油管路中设置有所述溢流阀(16)；所述回油管路中设置有第二过滤器(17)。
3.根据权利要求2所述的一种混合动力汽车液压系统的仿真平台，其特征在于：所述清洁油箱(8)和回油油箱(14)内均设有液位传感器(18)。
4.根据权利要求2所述的一种混合动力汽车液压系统的仿真平台，其特征在于：所述清洁油箱(8)内设有清洁度传感器(19)。
5.根据权利要求2所述的一种混合动力汽车液压系统的仿真平台，其特征在于：所述清洁油箱(8)内还设有温度传感器(22)、加热器(20)和冷却器(21)。
6.根据权利要求2所述的一种混合动力汽车液压系统的仿真平台，其特征在于：所述进油管路与回油管路上分别设有压力表(23)。
7.一种混合动力汽车液压系统的仿真平台的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、根据液压系统1的原理结构在AMESim软件里搭建液压系统1的物理模型；
步骤二、基于液压系统1的物理模型进行图形化建模后，利用Matlab/Simulink仿真软件建立液压仿真模型2，根据系统的物理模型搭建各个液压元件，然后根据系统的功率流程连接各个元件的模型；
步骤三、在Simulink平台中为液压仿真模型2中的各个元件的仿真模型设置参数并进行仿真；
步骤四、将液压系统1的物理模型、液压仿真模型2耦合后进行联合仿真，对液压系统1和液压仿真模型2采用控制器3进行控制，构建机电一体化的混合动力汽车液压系统仿真平台。
8.根据权利要求7所述的一种混合动力汽车液压系统的仿真平台的实现方法，其特征在于，所述步骤二中液压仿真模型2包括：液压泵的数学模型、单向阀12的数学模型、节流阀11的数学模型、溢流阀16的数学模型；
液压泵作为液压系统1的动力源，具体数学模型为：
Figure FDA0003264298150000021
其中，q1为液压泵的实际流量；q0为液压泵的理论流量；G0为液压泵的液导；进口油压为P0；出油口的压力为P1；V1为液压泵的出口容积；K为油液体积弹性模量；
单向阀12作为液压系统1中的液阻元件，其数学模型为：
Figure FDA0003264298150000022
其中，q1为通过单向阀12的流量；R1为单向阀12液阻，R1＝128μl/πd4＝3.125×107m3.Pa.S；P2为单向阀12进口压力；P3为单向阀12出口压力；
节流阀11，能对液压系统1的油路起到稳定作用，其具体的数学模型如下：
Figure FDA0003264298150000023
其中，q3为通过节流阀11的流量；R2为节流阀11的液阻；G1为节流阀11的液导，G1＝3.09×10-7m3.Pa-1.S-1；P5为节流阀11的进口压力，p4为节流阀11的出口压力；
溢流阀16，能维持液压系统1的油路压力于恒定，其具体的数学模型如下：
q4＝C(p6-p7)；
其中，q4为通过溢流阀16的流量；C为溢流阀16综合流量系数，C＝0.964Re-0.05，Re为液体的雷诺数，此处取管道雷诺数为1500，那么C＝0.669；p6为溢流阀16的进口压力；p7为溢流阀16的出口压力。
9.根据权利要求7所述的一种混合动力汽车液压系统的仿真平台的实现方法，其特征在于，所述液压泵包括进油泵10和回油泵15。
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