重型車輛的氣壓制動能量回收的建模及仿真分析

(北京信息科技大學 機電學院 北京 100192)

引言

環境污染和能源消耗問題推動了重型車輛節能化及再利用問題的發展。制動能量回收的能量利用率是研究重型車輛的重中之重。當重型車輛在制動工況下由于摩擦力的作用，致使車輛的動能轉化為熱能，樣于人類的可持續發展。因此會帶來以下問題：(1)重型車輛在下坡時能量沒有得到充分利用并且當期強制怠速時會造成大量的燃油消耗。(2)重型車輛在制動時會產生較多的廢氣，這些廢氣會對人們的身體健康帶來損害。(3)為了提高重型車輛的安全效能可以勤于換摩擦元件、改善摩擦片之間的間隙，這樣可以降低由于制動器的損害而帶來的給人身帶來的威脅。

本文對重型車輛的氣壓制動能量回收系統在Simulink中對各模塊建立仿真模型及仿真研究，最后對仿真結果進行理論分析。

一、氣壓制動能量回收仿真模型

(一)三大系統簡介

為了研究氣壓制動能量回收系統，首先要建立系統仿真模型。本章首先對車輛動力學特性和氣動馬達排量調節特性進行數學分析，然后基于 MATLAB 搭建整車動力學模型以及氣壓制動能量回收系統模型。

重型車輛聯合制動系統可分為三大部分，即氣壓動力制動系統、動力分配系統、再生制動系統[1]。

圖1 聯合制動系統原理圖

(1)氣壓動力制動系統

氣壓動力制動系統主要由儲氣罐、電子踏板、制動閥以及制動器等組成。在制動工況下，控制器根據車速和制動強度以及再生儲氣罐SOC計算需求制動力矩，并將需求制動力矩信號發送給制動閥，控制閥口開口面積進而對實際制動力矩進行線性控制，對車輛進行制動。

(2)制動能量回收系統

制動能量系統由再生制動儲氣罐、二次元件(氣泵/氣動馬達)、單向閥以及扭矩耦合器等。由車輛制動時車輪的慣性力矩帶動空氣壓縮機轉動，將儲氣罐中的氣壓能充入再生儲氣罐中，實現了能量的轉化過程。

(3)動力調節系統

動力調節系統主要由電磁換向閥、儲氣罐、再生儲氣罐、空氣壓縮機組成。重型車輛進行制動后，儲氣罐氣壓會下降，再生儲氣罐氣壓會升高，當儲氣罐壓力到達其最低工作壓力時，電磁換向閥會打開，再生儲氣罐會為儲氣罐進行充氣；

(二)氣動力制動系統

氣壓動力制動系統主要由電子踏板1、電子控制單元2和3、儲氣罐8、空氣減壓閥4和5、制動氣室6和7等元件組成。

1-電子踏板；2、3-電子控制單元；4、5-前、后輪空氣減壓閥；6、7-前、后輪制動氣室；8-儲氣罐；

工作原理為：駕駛員有制動意圖后踩下電子踏板1，電子踏板上的轉角傳感器采集其轉角信號，并將此轉角信號轉化為電壓信號，通過電子控制單元2和3轉為電流信號，并傳送到空氣減壓閥4和5上，電流通過電磁線圈時，產生電磁力推動閥芯克服彈簧彈力產生位移，從而使得儲氣罐里的氣壓能進入制動氣室產生制動壓力，通過制動摩擦片對車輛進行制動。

1.氣壓動力制動系統的數學模型

(1)空氣壓縮機數學模型

(4.1)

式中，ωk—運輸車輛的車輪角速度；il—半軸到氣動離合器的傳動比；

ik—氣動離合器到空氣壓縮機的傳動比；

可以知道，空氣壓縮機的流量為：

(4.2)

式中，Vm—空氣壓縮機的排量；nk—空氣壓縮機的轉速，r/min。

把式(4-1)和式(4-2)代入式(4-3)得：

(4.3)

(4.4)

(2)制動氣室的數學模型

(4.7)

(4.8)

式中，P1表示制動氣室左側腔內的壓力，S0表示膜片承壓面積，k表示回位彈簧剛度，x表示推桿的位移。

(4.9)

其中，R1，R2分別為膜片內外半徑；μ為摩擦系數，F為活塞推力；δ為扇形角。

(4.10)

其中，Vz為制動氣室容積；Ez為制動氣室的等效體積彈性模量。

(3)儲氣罐的數學模型

儲氣罐充放氣過程，可認為是絕熱過程，可知儲氣罐排氣的流量方程為

(2.10)

式中，p0是儲氣罐的充氣壓力；V0是儲氣罐的有效容積；pA是儲氣罐的最高工作壓力；n為熱力學常數，取n=1.4；p1是儲氣罐的出口壓力。

(三)制動能量回收系統

1.柱塞式氣泵/氣動馬達的數學模型

氣泵/氣動馬達的排量表達式為[3]

(4.15)

再生制動力矩表達式為

(4.16)

氣泵/氣功馬達的流量表達式為

(4.17)

式中，V是氣泵/氣動馬達的排量(ml/r)；d是柱塞直徑(m)；Z是柱塞數量；y是活塞位移(m)，λ是斜盤傾角與活塞位移增益(rad/m)；Δ P —氣泵/氣動馬達進出口壓力差，(MPa)；n—氣泵/氣動馬達轉速，(r/min)。

2.再生儲氣罐的數學模型

(4.18)

式中，p0是再生儲氣罐的充氣壓力；V0為再生儲氣罐的有效容積；n為氣體的多變過程指數，取n=1；p為再生儲氣罐的出口壓力；

(三)動力調節系統

動力調節系統主要包括儲氣罐、再生儲氣罐及電磁換向閥。儲氣罐和再生制動儲氣罐數學模型前面已介紹，下面主要建立電磁換向閥的數學模型。

電磁換向閥的數學模型：

(1)電磁換向閥的受力分析

根據牛頓運動定理，當電磁換向閥通電時閥芯的運動方程為：

(4.31)

式中，m—閥芯質量；x—閥芯位移；

c—閥芯運動時的等效粘性阻尼(N·s/m)；

xp—恢復彈簧預緊量(m)；Fe—電磁吸力(N)；

p—閥芯所受的氣體壓強(Pa)；A0—閥芯的橫截面積(m2)；

K—彈簧剛度。

氣壓電磁閥的動態特性能 夠通過制動氣室的壓力變化來反映，因此研究電磁閥和制動氣室之間的壓力動態特性十分重要。

氣壓的制動過程包括兩個階段：電磁閥的開關動作和制動氣室的充放氣。所以本文采用物理方法來建立制動氣室充放氣過程的數學模型，并在此基礎上重點研究電磁閥的動態特性的壓力動特性的影響。

對于充氣過程，根據氣體連續性方程，氣體通過制動氣室入口小孔的瞬時流量可表達為：

(4.32)

A1—氣室入口截面積，A1=1.26×10-5m2；

R0—氣體常數，空氣：R0=287.1J/kg·K；

K—絕熱指數，K=4.1；

T1—氣室中氣體的絕對溫度，T1=313K；

P1、P2—分別為氣室入口上、下游的壓力(pa)。

理想氣體狀態方程符合下述關系：

(4.33)

式中：p—壓力(pa)；Qm—氣體流量(m3/s)；

V—氣室容積，V= 1×10-3m3。

二、氣壓制動能量回收仿真分析

(一)氣壓動力制動系統仿真分析

圖3 儲氣罐的壓力變化曲線

說明儲氣罐的壓力1s時不變，當1s之后增加至1.4MPa，然后1s之后趨于穩定。

(二)制動能量回收系統仿真分析

圖4 再生儲氣罐的壓力變化曲線

說明再生儲氣罐壓力從初始0.6MPa逐漸升高至1.35MPa，直到70s之后，壓力不變。

(三)動力調節系統仿真分析

圖5 儲氣罐壓力仿真曲線

說明儲氣罐壓力從初始1.4MPa逐漸降低至0.5MPa，直到60s之后，壓力保持不變。

三、結束語

本論文對氣壓制動能量回收系統進行了選型及參數匹配、控制策略的相關研究以及對重型車輛的氣壓制動能量回收的數學建模及simulink仿真分析。本論文主要進行了以下研究：

(1)對傳統氣壓制動系統的介紹和分析，逐步了解其優勢和弊端。并且對重型車輛的氣壓制動能量回收系統的結構進行設計。

(2)對氣壓制動能量回收系統的關鍵元件進行選型與參數匹配，根據關鍵元件的主要性能參數，可大致確定關鍵元件的參數范圍及其型號。

(3)對重型車輛的氣壓制動能量回收系統在Simulink中對各模塊建立仿真模型及仿真研究，最后對仿真結果進行理論分析。