朱曉基， 王 強(qiáng)， 何曉暉， 楊 菲， 沙毅剛

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院機(jī)電教研中心， 江蘇 南京 210007)

引言

隨著車(chē)輛行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)制動(dòng)能量回收的研究也越來(lái)越深入。趙金祥和SUN Hui等[1-2]對(duì)再生制動(dòng)策略和能量控制策略進(jìn)行了研究；董晗等[3]對(duì)制動(dòng)能量回收特性進(jìn)行了研究；柯堅(jiān)等[4]對(duì)蓄能器在挖掘機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究；劉桓龍等[5]對(duì)蓄能器在公交車(chē)制動(dòng)時(shí)能量回收進(jìn)行了試驗(yàn)研究；李思升[6]對(duì)液驅(qū)混合動(dòng)力車(chē)輛蓄能器驅(qū)動(dòng)加速性能進(jìn)行了研究。本研究以電控液驅(qū)汽車(chē)中的蓄能器為研究對(duì)象，主要針對(duì)蓄能器回路的能量回收效率進(jìn)行研究。

某電控液驅(qū)混合動(dòng)力汽車(chē)應(yīng)用蓄能器回路回收制動(dòng)能量，在汽車(chē)起步時(shí)回路釋放能量以提高啟動(dòng)速度。相對(duì)于傳統(tǒng)汽車(chē)，該電控液驅(qū)混合動(dòng)力汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)是能夠回收和再利用傳統(tǒng)汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中浪費(fèi)的制動(dòng)能量。蓄能器在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)回收制動(dòng)能量， 以液壓能的形式儲(chǔ)存，當(dāng)車(chē)輛啟動(dòng)或者加速時(shí)，蓄能器所儲(chǔ)存的液壓能釋放儲(chǔ)存的能量來(lái)幫助汽車(chē)的啟動(dòng)或加速，提高汽車(chē)的性能。

某電控液驅(qū)汽車(chē)的蓄能器回路主要由發(fā)動(dòng)機(jī)，液壓泵、液壓馬達(dá)、蓄能器、電控元件和各種液壓閥組成，蓄能器液壓回路結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.電磁換向閥 2.變量液壓泵-馬達(dá) 3.分流閥 4.蓄能器5.二位四通比例閥 6.變量柱塞泵 7、13.二位二通電磁閥8.精過(guò)濾器 9.粗過(guò)濾器 10.液壓油箱 11.溢流閥 12.單向閥圖1 電控液驅(qū)車(chē)蓄能器液壓回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

某電控液驅(qū)汽車(chē)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵，液壓泵通過(guò)液壓傳遞能量到液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)直接或間接驅(qū)動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，由液壓傳動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)極調(diào)速[7-8]。制動(dòng)能量回收時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)控制液壓閥13右位，液壓閥5左位，液壓閥7下位，使液壓能存儲(chǔ)到蓄能器中，能量回收完成時(shí)，控制液壓閥13左位，使液壓能存儲(chǔ)于蓄能器中；回收的制動(dòng)能量的釋放也通過(guò)閥門(mén)來(lái)控制，控制器使液壓閥5右位，液壓閥7處于上位，此時(shí)蓄能器中存儲(chǔ)的液壓能釋放到液壓回路中。液壓回路中蓄能器回收的再生制動(dòng)能量能夠提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，再生制動(dòng)能量回收效率又受儲(chǔ)能元件以及其他因素影響。

1 蓄能器能量回收效率的理論分析

蓄能器回路中采用的是氣體隔離式蓄能器，以蓄能器皮囊中的氣體為研究對(duì)象，由氣體狀態(tài)方程：

(1)

式中，p0—— 蓄能器充氣壓力

V0—— 氣囊充氣體積

p1，p2—— 分別為系統(tǒng)的最低工作壓力和最高工作壓力

V1，V2—— 對(duì)應(yīng)的氣體體積

當(dāng)氣體在等溫下工作時(shí)k=1，當(dāng)氣體在絕熱條件下工作時(shí)k=1.4。由于電控液驅(qū)車(chē)的蓄能器工作時(shí)時(shí)間較短，所以蓄能器充放壓可視為在絕熱條件下進(jìn)行。

蓄能器所能儲(chǔ)存的能量為：

(2)

由于蓄能器中所存儲(chǔ)能量的難以直接檢測(cè)含量多少，所以采用間接測(cè)量的方法。利用蓄能器所存儲(chǔ)的能量單獨(dú)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，通過(guò)測(cè)量液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而間接計(jì)算蓄能器所存儲(chǔ)的能量。在不計(jì)蓄能器釋放能量時(shí)的能量損失情況下，得到蓄能器回收制動(dòng)能效率的公式如下：

(3)

(4)

(5)

式中，E—— 蓄能時(shí)液壓馬達(dá)所具有的能量

w，n—— 蓄能器蓄能時(shí)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和轉(zhuǎn)速

J—— 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

E1—— 蓄能器回收的能量

η—— 蓄能器能量回收效率

w1，n1—— 分別為蓄能器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)時(shí)達(dá)到的最高的角速度和轉(zhuǎn)速

通過(guò)對(duì)式(2)的分析，蓄能器存儲(chǔ)能量的多少受到蓄能器體積的限制，又受到壓力的影響。由式(5)中可以看出蓄能器的能量回收效率與液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速又受到排量的影響。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的又一種設(shè)計(jì)方法，可采用正交實(shí)驗(yàn)法研究轉(zhuǎn)速、壓力和排量對(duì)蓄能器能量回收效率的影響。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的搭建

根據(jù)某電控液驅(qū)車(chē)液壓回路的結(jié)構(gòu)圖，搭建1/4車(chē)輛模型，根據(jù)圖1簡(jiǎn)化出實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的局部液壓回路，如圖2所示。

1.蓄能器 2.蓄能器安全閥 3.75 kW頻電機(jī) 4.吸油過(guò)濾器5.液壓油箱 6.變量柱塞泵 7.精過(guò)濾器 8.電磁溢流閥9.比例換向調(diào)速閥 10.變量柱塞馬達(dá) 11.磁粉制動(dòng)器和慣性飛輪圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架液壓回路圖

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架是1/4電控液驅(qū)汽車(chē)的實(shí)物仿真平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的各種參數(shù)與電控液驅(qū)車(chē)整車(chē)的參數(shù)相匹配，通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)來(lái)研究蓄能器回路的各種性能[9]。臺(tái)架的整體實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 臺(tái)架整體實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓泵通過(guò)液壓系統(tǒng)帶動(dòng)液壓馬達(dá)運(yùn)動(dòng)，各個(gè)部件之間滿足相應(yīng)的參數(shù)匹配[10]。其中，磁粉制動(dòng)器通過(guò)模擬1/4汽車(chē)行駛過(guò)程中受到的轉(zhuǎn)矩、阻力；慣性飛輪模擬1/4汽車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性；蓄能器是電控液驅(qū)汽車(chē)中的輔助元件，具有儲(chǔ)存能量、回收制動(dòng)能量和驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的作用[11]。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中采用電腦控制并通過(guò)儀器檢測(cè)液壓系統(tǒng)中的重要參數(shù)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中包含多種傳感器，檢測(cè)所需要的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、壓力和流量等物理量；實(shí)驗(yàn)臺(tái)架具有相應(yīng)的控制系統(tǒng)，利用相應(yīng)軟件通過(guò)控制系統(tǒng)能夠設(shè)置不同的參數(shù)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，控制檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

圖4 控制檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

利用臺(tái)架設(shè)備設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)，研究蓄能器的各種性能特點(diǎn)，為電控液驅(qū)汽車(chē)的蓄能器回路的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

首先研究蓄能器在充壓下的特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的控制系統(tǒng)設(shè)置對(duì)蓄能器進(jìn)行充壓，并保持一定的時(shí)間，得到蓄能器的壓力波動(dòng)圖。通過(guò)圖5可以看出，蓄能器保壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的壓力波動(dòng)，在低壓時(shí)的壓力波動(dòng)情況相對(duì)于高壓時(shí)壓力波動(dòng)較大；在蓄能器釋放所儲(chǔ)存的能量時(shí)，蓄能器的壓力越高，釋放能量的速度越快。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)該盡量避免波動(dòng)帶來(lái)的影響[12]，從圖5可以看出，蓄能器壓力在17～20 MPa時(shí)的壓力波動(dòng)較小，因此，選取這個(gè)壓力范圍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖5 蓄能器沖壓到不同壓力時(shí)的壓力波動(dòng)圖

蓄能器在電控液驅(qū)汽車(chē)中的主要功能是回收制動(dòng)能量，研究相應(yīng)的制動(dòng)能量回收效率是十分必要的?；緦?shí)驗(yàn)原理為：在蓄能器制動(dòng)能回收實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)到達(dá)一定的轉(zhuǎn)速n后，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)開(kāi)啟蓄能器進(jìn)行制動(dòng)能量的回收，能量回收過(guò)程結(jié)束后，通過(guò)蓄能器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，記錄液壓馬達(dá)達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速n1，并由此來(lái)研究蓄能器能量回收效率η。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置正常工作條件下液壓泵的目標(biāo)轉(zhuǎn)速分別為350， 400， 450， 500 r/min，得到液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速分別約為130, 145, 160, 190 r/min，研究蓄能器回收能量情況，蓄能器在液壓馬達(dá)不同轉(zhuǎn)速下回收的能量單獨(dú)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變化情況如圖6所示。通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，由于蓄能器的限制，蓄能器回收的能量能驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速約為140 r/min。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下蓄能器回收能量驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速圖

通過(guò)數(shù)據(jù)分析計(jì)算，得到正常工作條件下蓄能器在液壓馬達(dá)不同轉(zhuǎn)速下的回收能量的效率如表1所示。

表1 蓄能器在不同轉(zhuǎn)速下的有效能量回收效率

對(duì)蓄能器回收能量的效率采用數(shù)值分析的方法將離散點(diǎn)轉(zhuǎn)化為連續(xù)曲線，采用精度較高的保形Hermite插值和三次方插值的方法進(jìn)行分析，得到數(shù)據(jù)如圖7所示。通過(guò)圖形可知，保形Hermite插值的分析方法中圖線的變化趨勢(shì)更符合實(shí)際規(guī)律，蓄能器在液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為160～190 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的能量回收效率較高。實(shí)驗(yàn)分析為蓄能器在電控液驅(qū)汽車(chē)中制動(dòng)能量回收的應(yīng)用中提供了依據(jù)。

為了研究液壓壓力和液壓馬達(dá)的排量對(duì)于制動(dòng)能量的回收效率的影響，分別對(duì)不同排量和不同液壓壓力設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)并分析。得到不同壓力下蓄能器能量回收情況如表2所示，不同排量下蓄能器能量回收情況如表3所示。

利用保形Hermite插值分析的方法得到不同排量和不同壓力下的蓄能器能量回收效率圖如圖8和圖9所示。通過(guò)圖8分析知液壓馬達(dá)排量越大，蓄能器能量回收效率越高，排量對(duì)在低轉(zhuǎn)速情況下能量回收效率影響較小，對(duì)于高轉(zhuǎn)速情況下的能量回收效率影響較明顯。通過(guò)圖9分析可知，壓力對(duì)低轉(zhuǎn)速時(shí)蓄能器能量回收效率的影響較大， 較高的壓力能夠明顯提高低轉(zhuǎn)速時(shí)的蓄能器能量回收效率，液壓壓力對(duì)于高轉(zhuǎn)速時(shí)的能量回收效率影響較小。

表2 不同液壓馬達(dá)排量下對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)及數(shù)據(jù)分析

表3 不同壓力下對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)及數(shù)據(jù)分析

圖8 液壓馬達(dá)不同排量下蓄能器能量回收效率

圖9 不同壓力下蓄能器能量回收效率

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)蓄能器能量回收效率理論計(jì)算方法的研究，基于某電控液驅(qū)車(chē)輛的液壓系統(tǒng)，搭建了1/4車(chē)輛液壓回路實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，開(kāi)展了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，得到了蓄能器能量回收效率的規(guī)律：

(1) 在蓄能器沖壓保壓過(guò)程中，壓力較低時(shí)蓄能器的壓力振動(dòng)較大，在17～20 MPa時(shí)比較穩(wěn)定；

(2) 對(duì)正常工作條件下蓄能器在液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速不同時(shí)進(jìn)行制動(dòng)能回收實(shí)驗(yàn)，得到蓄能器在液壓馬達(dá)制動(dòng)初始轉(zhuǎn)速為145～190 r/min時(shí)的制動(dòng)能量回收效率并進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，蓄能器在轉(zhuǎn)速為160～190 r/min的能量回收效率明顯較高；

(3) 通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)研究液壓馬達(dá)排量和液壓壓力對(duì)蓄能器能量回收效率的影響。排量對(duì)于制動(dòng)初始轉(zhuǎn)速較高時(shí)的能量回收效率影響較大，壓力對(duì)于制動(dòng)初始轉(zhuǎn)速較低時(shí)的能量回收效率影響較大。