(1.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350108；2.流體動力與電液智能控制 福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福州大學(xué))，福建 福州 350108；3.上海衡拓液壓控制技術(shù)有限公司, 上海 201612)

引言

一源多驅(qū)系統(tǒng)是液壓領(lǐng)域的常見系統(tǒng)，目前常用的多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)主要有3類：節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)、負(fù)載敏感系統(tǒng)以及二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)[1-3]。液壓變壓器是恒壓網(wǎng)絡(luò)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的新興液壓元件，液壓開關(guān)變壓器是一種新型的液壓壓力轉(zhuǎn)換裝置[4-5]，其概念與電子領(lǐng)域的DC/DC開關(guān)變換器類似，利用液壓元件的固有反應(yīng)特性——流體容腔具有液容效應(yīng)、小直徑慣性管具有液感效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)壓力轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)變壓器簡單、造價(jià)低、效率較高，逐漸成為液壓系統(tǒng)壓力轉(zhuǎn)換研究領(lǐng)域的熱門[6]。

液壓開關(guān)變壓器這一概念首先由BROWN F T等[7]借鑒DC/DC開關(guān)變換器原理，提出基于高速開關(guān)閥、液容和液感組合實(shí)現(xiàn)壓力變換的液壓回路，為液壓開關(guān)變壓器發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨后，參考DC/DC開關(guān)變換器中的Buck，Boost等變換器，許多學(xué)者又提出了不同方案。MANHARTSGRUBER B等[8]和NEGRI V J D等[9]分別設(shè)計(jì)了降壓型、升壓型液壓開關(guān)變壓器，兩種方案的仿真結(jié)果均表明了液壓開關(guān)變壓器的高效變壓特性。但此類變壓器在工作時(shí)，高速開關(guān)閥在開啟關(guān)斷時(shí)存在壓力波動，而變壓器工作時(shí)開關(guān)多為高頻切換，壓力波動劇烈，大大影響了變壓器的變壓效率。

RANNOW M B等[10]設(shè)計(jì)了一種加入電控鎖定彈簧蓄能器的液壓軟開關(guān)回路，有效減少閥在高頻啟閉時(shí)的節(jié)流損失。VEN DE VAN[11]在此基礎(chǔ)上，提出一種帶有新型彈簧蓄能器的軟開關(guān)液壓回路，但該彈簧蓄能器復(fù)雜的機(jī)構(gòu)使變壓裝置在較大泵源壓力和占空比工況下的節(jié)能效果不佳。YUDELL A C等[12]在基于HENZE C P等[13]所設(shè)計(jì)的DC/DC零電壓開啟升壓變換器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種兩開關(guān)閥有短暫重疊關(guān)斷時(shí)間的升壓型液壓軟開關(guān)變壓器。免去復(fù)雜鎖定裝置基礎(chǔ)上大幅減少了閥門切換時(shí)的壓力波動，且高效的諧振開關(guān)裝置可以降低對高速開關(guān)閥的性能需求、節(jié)約成本。

本研究基于DC/DC變換器中的非隔離型四開關(guān)Buck-boost變換器，設(shè)計(jì)出一種適用于液壓系統(tǒng)的四高速開關(guān)閥式新型升/降壓型液壓開關(guān)變壓器，并引入軟開關(guān)技術(shù)以解決由于高速開關(guān)閥高頻啟閉所帶來的高能耗問題，以此設(shè)計(jì)液壓軟開關(guān)變壓器；隨后，為使得慣性管具有較低的能耗，使慣性管流量呈反向環(huán)流型并設(shè)計(jì)相應(yīng)的四開關(guān)閥控制方法，設(shè)計(jì)出同時(shí)滿足4個(gè)高速開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)軟開啟的啟閉時(shí)序；最后，建立模型分析液壓軟開關(guān)變壓器升、降壓原理的可行性。

1 升降壓型液壓軟開關(guān)變壓器設(shè)計(jì)

1.1 變壓器回路設(shè)計(jì)

本節(jié)所考慮的方案為非隔離型DC/DC升降壓開關(guān)變壓器[14-15]。圖1所示為四開關(guān)Buck-boost軟開關(guān)變換器，該變壓器繼承了傳統(tǒng)Buck-boost 變換器所具備的升降壓功能，同時(shí)減少該變換器的無源器件，降低了控制難度[16]。圖1中，Vin為輸入電壓；Vout為輸出電壓；R為負(fù)載；S1, S2, S3, S4為開關(guān)元件；E1, E2, E3, E4為二極管；C1,C2,C3,C4,Cout為電容；L為電感。在四開關(guān)Buck-boost 變換器中引入軟開關(guān)技術(shù)解決開關(guān)管在通斷時(shí)的電壓、電流不為零而引起的電壓、電流突變或重疊等問題，實(shí)現(xiàn)零壓開啟，提高系統(tǒng)變壓效率。

由于電路與液壓回路存在相似之處，所以可根據(jù)電子元件對照選出所需要的液壓元件，對照圖如圖2所示。

通過對電子元件與液壓元件的對照，設(shè)計(jì)出如圖3所示的四開關(guān)升降壓型液壓軟開關(guān)變壓器。

1.2 升降壓型液壓軟開關(guān)變壓器工作原理

升降壓型液壓變壓器的一個(gè)工作周期分為8個(gè)步驟，完整工作流程如圖4所示。目前四開關(guān)Buck-boost開關(guān)變換器主要有兩種電感電流多段式工作模式[17]，參照相關(guān)文獻(xiàn)，本研究僅介紹升降壓型液壓開關(guān)變壓器的慣性管流量波形反向環(huán)流型的工作時(shí)序。每個(gè)步驟所完成的動作及如何實(shí)現(xiàn)每個(gè)閥的零壓開啟在下方詳細(xì)步驟中給出：

(1) 在t0～t1時(shí)間內(nèi)，由于pp>pt，慣性管中的流體產(chǎn)生動能，此期間內(nèi)的負(fù)載流量由負(fù)載蓄能器提供；

(2)t1～t2為開關(guān)閥的死區(qū)時(shí)間，彈簧蓄能器儲能至單向閥3開啟，此時(shí)，閥3兩端壓差較小，從而實(shí)現(xiàn)閥3的零壓開啟；

(3) 在t2～t3時(shí)間內(nèi)，泵源壓力大于負(fù)載壓力，泵源對慣性管補(bǔ)充能量，慣性管中的流量逐漸增加；反之慣性管釋放能量，慣性管流量降低；

(4)t3～t4為開關(guān)閥的死區(qū)時(shí)間，彈簧蓄能器5放能，慣性管輸入壓力減少至單向閥2開啟，此時(shí)閥2兩端壓差很小，可實(shí)現(xiàn)閥2的零壓開啟；

(5) 在t4～t5時(shí)間內(nèi)，由于pl>pt，慣性管向負(fù)載端釋放能量，慣性管中的流量逐漸減小直至反向；

(6)t5～t6為開關(guān)閥的死區(qū)時(shí)間，彈簧蓄能器6放能，使慣性管輸出壓力減少至單向閥4開啟，此時(shí)閥4兩端壓差很小，可實(shí)現(xiàn)閥4的零壓開啟；

(7) 在t6～t7時(shí)間內(nèi)，慣性管兩端的壓力均為pt，此時(shí)慣性管釋放能量使得油液續(xù)流，且由于慣性管本身的液阻，此時(shí)慣性管的反向流量緩慢減少；

(8)t7～t8為開關(guān)閥的死區(qū)時(shí)間，彈簧蓄能器5開始充能，直到單向閥1開啟，此時(shí)閥1兩端壓差很小，可實(shí)現(xiàn)閥1的零壓開啟，此時(shí)，一個(gè)完整的變壓器工作周期結(jié)束，返回步驟(1)進(jìn)入下個(gè)開關(guān)周期。

2 升降壓型液壓軟開關(guān)變壓器數(shù)學(xué)模型

2.1 液感與液容

1) 液感元件

運(yùn)用集總參數(shù)法建立慣性管集總參數(shù)模型[18]，將慣性管中的阻性、容性和感性參數(shù)用液阻R、液容C1，C2以及液感L3個(gè)元件來表示，且慣性管內(nèi)的液容C1，C2均分放置在慣性管的兩端，系統(tǒng)模型如圖5所示。

為保證集總參數(shù)模型的有效性，可取慣性管長度lt為：

lt=0.04λ[12]

(1)

式中,λ—— 工作波長，其值為c與T的乘積，c=1265 m/s，T為工作周期

慣性管內(nèi)的液感L由下式確定：

(2)

式中，ρ—— 油液密度

At—— 慣性管截面積

在層流狀態(tài)下，慣性管內(nèi)的液阻R由下式確定：

(3)

式中,μ—— 油液運(yùn)動黏度

C1，C2為慣性管內(nèi)的油液壓縮所提供的容性，可由下式確定：

(4)

式中，Vt—— 慣性管體積

β—— 油液體積模量

類似于電路的基爾霍夫定律，慣性管的流量是慣性管的液感、管內(nèi)壓力差以及液阻損耗的函數(shù)：

(5)

式中,pin—— 慣性管輸入壓力

pout—— 慣性管輸出壓力

qL—— 慣性管流量

慣性管在集總參數(shù)模型下，慣性管的進(jìn)出口的壓力由下式確定：

(6)

(7)

式中，C1—— 慣性管左半側(cè)油液的液容

C2—— 慣性管右半側(cè)油液的液容

qin—— 慣性管輸入流量

qout—— 慣性管輸出流量

2) 液容元件

在升降壓型液壓變壓器回路中，液容元件起到濾除系統(tǒng)紋波，穩(wěn)定輸出的作用。依據(jù)充氣式蓄能器結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為力學(xué)模型，可將蓄能器的力學(xué)模型分為氣腔模型和液腔模型，以此來建立充氣式蓄能器的數(shù)學(xué)模型。

由上述充氣式蓄能器力學(xué)模型可得到蓄能器的氣腔模型為：

(8)

式中,pa—— 蓄能器氣腔壓力

pb—— 蓄能器液腔壓力

Aa—— 蓄能器氣囊橫截面積

ke—— 氣體剛度系數(shù)

Va—— 蓄能器氣腔體積

ce—— 氣體阻尼系數(shù)

液腔數(shù)學(xué)模型為：

(9)

式中，pl—— 負(fù)載壓力

m—— 液腔內(nèi)液壓油等效質(zhì)量

B—— 液壓油黏性阻尼系數(shù)

2.2 液壓軟開關(guān)

為了降低升降壓型液壓開關(guān)變壓器閥口的功耗，借鑒DC/DC中的零壓開啟技術(shù)，引入液壓軟開關(guān)來減少高速開關(guān)閥開關(guān)時(shí)的節(jié)流損失。

本小節(jié)將建立回路中軟開關(guān)部分元件的數(shù)學(xué)模型以及系統(tǒng)的高速開關(guān)閥閥口損耗模型。圖7中元件1，2，3為軟開關(guān)的基本組成部分。

1) 高速開關(guān)閥模型

為了便于分析開關(guān)變壓器的變壓性能，將高速開關(guān)閥的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化，即不考慮高速開關(guān)閥的動態(tài)響應(yīng)過程，將閥口的啟閉簡化為線性啟閉的過程，通過4個(gè)高速開關(guān)閥的閥口流量公式為：

(10)

(11)

(12)

(13)

式中,pp—— 泵源壓力

pt—— 回油背壓

qvi—— 通過高速開關(guān)閥閥口的流量,i=1,2,3,4

Cd—— 油液的流量系數(shù)

Avi—— 高速開關(guān)閥的閥口截面積,i=1,2,3,4

2) 單向閥模型

假設(shè)單向閥為理想的液壓元件，當(dāng)滿足閥口兩端壓差大于開啟壓力時(shí)，閥口可瞬時(shí)開啟，則回路中4個(gè)單向閥的閥口流量公式為：

(14)

(15)

(16)

(17)

式中,qci—— 通過單向閥的流量，i=1,2,3,4

Ac—— 單向閥的閥口截面積

pc—— 單向閥開啟壓力

3) 彈簧蓄能器模型

彈簧蓄能器示意圖如圖8所示。彈簧蓄能器在液壓軟開關(guān)變壓器中起到類似液容的功能，因此可將彈簧蓄能器當(dāng)作1個(gè)純液容元件，彈簧蓄能器的數(shù)學(xué)模型為：

(18)

(19)

(20)

式中，psv—— 彈簧蓄能器的壓力

Csv—— 彈簧蓄能器的液容

qsv—— 進(jìn)入彈簧蓄能器的流量

Ap—— 彈簧蓄能器活塞面積

ks—— 彈簧剛度

dp—— 彈簧蓄能器活塞直徑

2.3 能耗及效率模型

1) 高速開關(guān)閥功耗模型

液壓開關(guān)變壓器系統(tǒng)中，4個(gè)高速開關(guān)閥的閥口損耗Ploss用以下公式表示：

(21)

式中，Δp—— 高速開關(guān)閥進(jìn)出口壓差

2) 變壓器效率模型

液壓開關(guān)變壓器的效率是通過將一個(gè)周期內(nèi)傳遞給負(fù)載的功率除以泵源提供的功率得出的，該功率取整個(gè)周期的平均值：

(22)

式中,qload—— 負(fù)載流量

3 仿真分析

基于升降壓型液壓開關(guān)變壓器和液壓軟開關(guān)變壓器的MATLAB/Simulink仿真模型，選取升壓工況和降壓工況進(jìn)行兩種變壓器仿真分析，主要對比上述兩種變壓器的負(fù)載壓力和能耗的差異，驗(yàn)證液壓軟開關(guān)對提高變壓器效率的有效性。

液壓開關(guān)變壓器相關(guān)仿真參數(shù)如表1所示，該部分參數(shù)和液壓軟開關(guān)變壓器相同，而表2參數(shù)僅為液壓軟開關(guān)變壓器所設(shè)。

表1 液壓開關(guān)變壓器參數(shù)Tab.1 Parameters of hydraulic switching transformer

表2 液壓軟開關(guān)變壓器參數(shù)Tab.2 Parameters of hydraulic soft switching transformer

3.1 升壓仿真結(jié)果分析

選取閥1占空比D1為0.7，閥3占空比D3為0.4，閥1、閥4重疊占空比δ為0.4的條件下進(jìn)行仿真，一個(gè)工作周期的仿真曲線對比如圖9所示。

由圖9a的負(fù)載壓力圖可知，液壓開關(guān)變壓器的負(fù)載壓力為13.2 MPa，液壓軟開關(guān)變壓器的負(fù)載壓力為15.8 MPa，負(fù)載壓力提高2.6 MPa，效果顯著。負(fù)載壓力提升的原因是引入軟開關(guān)后，閥口端的損耗下降，使得更多流入液壓軟開關(guān)變壓器的能量轉(zhuǎn)換至負(fù)載端，而不至于在系統(tǒng)中耗散。

從圖9b可以看出，在閥4切換至閥3時(shí)，閥口功耗最高達(dá)到18 kW，加入軟開關(guān)消除壓力突變后，最大閥口功耗由18 kW降至3 kW，將閥口功耗大幅減小，而此部分能量在一個(gè)開關(guān)變壓器周期內(nèi)，將由開關(guān)變壓器轉(zhuǎn)換至負(fù)載端，從而提升負(fù)載壓力。

改變閥1的占空比由0.4升至0.8，液壓開關(guān)變壓器在有無軟開關(guān)下負(fù)載壓力如圖10a所示?？芍?，在閥3占空比固定情況下，閥1的占空比越大，負(fù)載壓力也越大且呈近似線性變化。軟開關(guān)變壓器對比開關(guān)變壓器在每個(gè)占空比下的負(fù)載壓力均有提高，提高量在2 MPa以上。

由圖10b可得，改變閥1占空比，變壓器的效率先增大后減小。對比兩種變壓器的效率曲線，軟開關(guān)變壓器效率的提升量隨著占空比的增大逐漸減小，提升量最小值在閥1占空比0.8附近，效率提升5%。排除極端占空比后，諧振開關(guān)的加入能使變壓器的效率提升8%以上。

3.2 降壓仿真結(jié)果分析

選取閥1占空比D1為0.4，閥3占空比D3為0.7，閥1、閥4重疊占空比δ為0.2的降壓工況下進(jìn)行仿真，一個(gè)工作周期的仿真曲線對比如圖11所示。

由負(fù)載壓力圖11a可知，液壓開關(guān)變壓器的負(fù)載壓力為4.78 MPa，液壓軟開關(guān)變壓器的負(fù)載壓力為5.52 MPa，加入諧振開關(guān)使負(fù)載壓力損失減少0.74 MPa。

閥口功耗圖11b顯示，在閥4切換至閥3時(shí)，由于諧振開關(guān)消除了大部分的壓力突變，使在此切換時(shí)間的閥口功耗大大降低，最大閥口功耗由3.5 kW降至0.3 kW。其壓力損失的原因與升壓工況一致，同為引入軟開關(guān)后閥口損耗減小，使得更多的能量轉(zhuǎn)換到負(fù)載端。

改變閥1的占空比由0.2升至0.9，液壓開關(guān)變壓器在有無軟開關(guān)下負(fù)載壓力如圖12a所示?？芍?，負(fù)載壓力及效率曲線的變化趨勢與升壓工況類似。在此降壓工況下，加入液壓諧振開關(guān)的液壓軟開關(guān)變壓器對比液壓開關(guān)變壓器負(fù)載壓力損失減少0.7 MPa以

上，效率至少提高7%。

通過上述升壓工況和降壓工況仿真對比分析可知，液壓軟開關(guān)方法可以有效消除因高速開關(guān)閥切換時(shí)的慣性管進(jìn)出口壓力突變，大幅減少因壓力突變造成的閥口功耗，進(jìn)而提高液壓開關(guān)變壓器的負(fù)載壓力和效率。

4 參數(shù)特性分析

本節(jié)將對升降壓型液壓軟開關(guān)變壓器的重要參數(shù)進(jìn)行分析，獲取重要參數(shù)對變壓器負(fù)載壓力和效率的影響規(guī)律，進(jìn)一步通過仿真驗(yàn)證理想負(fù)載壓力表達(dá)式的正確性。

選取閥3占空比D3為0.4, 0.5, 0.6分別進(jìn)行仿真，分析閥1占空比D1及閥1、閥4重疊占空比δ對軟開關(guān)變壓器負(fù)載壓力和效率的影響規(guī)律，仿真結(jié)果分別如圖13、圖14、圖15所示。

如圖13a、圖14a、圖15a所示，隨著閥1占空比D1增加，負(fù)載壓力增加，且負(fù)載壓力與閥1占空比成近線性變化。當(dāng)閥1、閥4重疊占空比δ增大時(shí)，閥1占空比可變范圍改變，負(fù)載壓力曲線右移。由于負(fù)載壓力與閥1占空比成近線性正比關(guān)系，增加δ可以獲得更高的負(fù)載壓力。

隨著閥1占空比增加，變壓器效率先增加后減小，在閥1占空比的可變范圍內(nèi)，最高效率點(diǎn)均在接近中間占空比的位置，其仿真結(jié)果如圖13b、圖14b、圖15b。隨著δ的增大，效率曲線右移，每個(gè)δ下的效率最高點(diǎn)先增加后減小。因此可以通過選擇合適的閥1、閥4重疊占空比來獲取更高的負(fù)載壓力和效率。

選取D1=0.5，D3=0.5，δ=0.2為仿真工況，改變液壓軟開關(guān)變壓器的負(fù)載流量，進(jìn)行多組仿真，仿真曲線如圖16所示。

由圖16a可得，負(fù)載壓力隨著負(fù)載流量的增加而線性減小，在負(fù)載流量為0.04～0.20 L/s范圍內(nèi)，可調(diào)節(jié)負(fù)載壓力0.64 MPa。由圖16b可得，效率隨著負(fù)載流量的增加先增加后減小，在負(fù)載流量為0.15 L/s附近時(shí)效率最高，最高效率可以達(dá)到72%。由分析結(jié)果可知，通過調(diào)節(jié)負(fù)載流量，可以在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)負(fù)載壓力，而不用改變高速開關(guān)閥的占空比，增加了變壓器的控制靈活性。

5 結(jié)論

(1) 基于DC/DC開關(guān)變換器中的四開關(guān)Buck-boost變換器，引入軟開關(guān)技術(shù)比對設(shè)計(jì)了四高速開關(guān)閥式升降壓型液壓軟開關(guān)變壓器，且根據(jù)反向環(huán)流型的四開關(guān)閥控制方法，設(shè)計(jì)出同時(shí)滿足4個(gè)高速開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)軟開啟的啟閉時(shí)序。引入軟開關(guān)后的仿真結(jié)果表明，升壓工況下負(fù)載壓力提升2 MPa以上，變壓器效率提升8%以上，降壓工況下負(fù)載壓力提升0.7 MPa以上，變壓器效率至少提升7%，有效降低升壓、降壓工況下高速開關(guān)閥的閥口功耗，分別為83.3%和91.4%。結(jié)果表明液壓軟開關(guān)技術(shù)大幅降低了液壓變壓器在高速開關(guān)閥閥口啟閉時(shí)的壓力突變，提升開關(guān)變壓器的轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載壓力；

(2) 獲取升降壓型軟開關(guān)變壓器性能參數(shù)影響規(guī)律：負(fù)載壓力隨著閥1占空比增加而近線性增加，效率隨著閥1占空比增加先增大后減小，最大效率在占空比可變范圍的中間處附近；增加閥1、閥4重疊占空比使負(fù)載壓力及效率曲線右移，且最高效率點(diǎn)在重疊占空比取近似中值時(shí)所在的效率曲線中；隨著負(fù)載流量增大，負(fù)載壓力線性減小，效率先增加后減小，存在一最大效率值。通過仿真驗(yàn)證了理想負(fù)載壓力表達(dá)式的正確性，結(jié)果表明，閥1，3的占空比以及負(fù)載流量對變壓器負(fù)載壓力的影響規(guī)律與理想負(fù)載壓力表達(dá)式結(jié)論基本一致；

(3) 變壓效率的仿真結(jié)果表明，液壓軟開關(guān)的引入可提升變壓效率，但四高速開關(guān)閥式液壓開關(guān)變壓器的效率仍有待提升，這主要受限于高速開關(guān)閥高頻響下的通流能力、慣性管能量損失、回路優(yōu)化配置等因素，后續(xù)將沿著上述方向研究，繼續(xù)推進(jìn)變壓效率的提升。