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基于液压变压器的液驱混合动力车辆系统研究

陈延礼  
【摘要】:随着世界汽车化进程的快速发展,汽车保有量的不断增加,全球能源短缺和环境污染等问题日益恶化,导致世界各国迫切需求研发节能环保型汽车。液压驱动混合动力技术作为混合动力技术的重要分支之一,由于其优越的节能潜力,已经引起了国内外学者的重视。尤其液压变压器(Hydraulic Transformer HT)作为一种新兴二次调节元件的出现,大大提高了液压系统的柔性和效率。同时,由于该元件在理论上可以高效无节流损失的实现压力转换,也可使各个负载间互不相关的从恒压网络系统中获取能量,有效的避免了在整车系统中压力、流量耦联现象的产生,所以通过液压变压器构建液驱混合动力车辆系统,不仅可以实现车辆制动能的回收和二次利用,而且避免了传型统液驱混合动力系统中液压阀调节控制过程时导致的节流损失,大大提高了液压系统效率。因此,本文结合国家“863”计划项目“-混合动力系统与节能型工程机械技术的应用研究”,开展对基于液压变压器的液驱混合动力车辆系统的研究工作。 论文主要研究内容如下: 1.在广泛阅读国内外研究文献的基础上,综述了国内外液驱混合动力车辆系统的构成形式、研究现状以及液压变压器的发展历程、节能原理和工程应用概况,并提出了本文的主要研究内容; 2.提出了基于极限环理论对液驱混合动力车辆调控系统动态特性进行定性分析的方法,通过系统奇点、无穷远奇点的性态以及其闭轨线的固有属性,绘制了调控系统的全局拓扑结构相图。同时,证明了该系统平衡点的分布情况以及该系统有且仅有唯一的平衡点、无论液压油粘度系数B如何变化该系统均不存在极限环和当B≥0时,系统关于平衡点渐进稳定,当B=0时,平衡点是系统中心点等固有属性; 3.通过对液混车辆系统的节能效果进行分析,得出了液压变压器配流盘控制角与蓄能器间的节能特性参数、液压变压器瞬时压力比分别与HT柱塞角位移、配流盘控制角和T腰形槽口压力等影响参数的关系曲线以及液压变压器瞬时压力比分别与串、并联式蓄能器的节能特性参数等,为选取优化参数提高蓄能器的各项节能指标提供理论依据。经与传统型液混车辆系统的节能效果对比,当车辆处于在不同制动转矩情况下,本文提出的液混车辆节能效果明显。 4.根据蓄能器的优化节能条件,提出了液混车辆在不同制动工况中的节能优化控制算法(即初始负载调节阶段和液压变压器调节阶段控制算法),并采用PID,FLC(Fuzzy Logic Controller)和Fuzzy-PID控制策略分别对该系统调控装置的基本控制性能、鲁棒性能以及优化节能控制算法的响应特性进行了仿真分析,结果表明PID和Fuzzy-PID控制器能够满足优化节能控制算法中对液压变压器的控制要求。 5.提出了一种管路基本元素的近似算法,并引入算例与著名的Hullender和Zhao T.管路分布参数近似计算模型进行对比,结果表明该算法在中低频时十分接近精确解。对液驱混合动力车辆系统的脉动特性,以及在考虑管路效应情况下的脉动特性进行分析,得出了分别采用Hullender、Zhao T.以及本文管路近似模型时,串、并联式蓄能器与液压变压器柱塞角位移的脉动关系曲线,结果表明,串联式蓄能器在吸收脉动性能方面优于并联式蓄能器。 6.搭建了基于液压变压器的液驱混合动力系统试验平台,对液压变压器的基本特性、液混车辆系统的脉动特性以及分别采用PID、Fuzzy-PID控制策略对液混车辆系统调控装置的控制性能进行了实验测试,实验结果表明与理论分析结果一致。 7.总结了本文的研究工作和成果,归纳了本文的创新点,并对尚未研究的工作进行展望。 论文创新性成果如下: 1.根据液压混合动力车辆系统的工作原理及其构成,采用极限环理论对车辆系统调整装置的动态特性进行分析。通过奇点、无穷远奇点性态以及闭轨迹的固有属性,得出了液混车辆系统调控装置的全局拓扑结构相图。 2.通过蓄能器和液压变压器的数学模型,得出了液压变压器配流盘控制角与蓄能器的节能特性参数,以及液压变压器瞬时压力比与蓄能器瞬态节能参数的关系。经对比表明论文提出的液压混合动力车辆系统在不同制动工况下节能效果明显。 3.当液混车辆处于不同制动工况时,根据蓄能器优化节能条件,提出了液压混合动力车辆的优化节能控制算法,并得出三种控制器对液压变压器调控装置的基本控制性能和鲁棒性能,以及优化节能控制算法在三种控制器响应下的各种性能参数。 4.提出了一种管路近似算法并结合液压混合动力车辆系统数学模型,得出液混车辆系统的脉动特性,以及在考虑管路效应情况下的脉动特性。经对比结果表明,本文提出的管路近似算法在中低频时合理有效;串联式蓄能器在脉动衰减方面优于并联式蓄能器。


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